DIN CEN ISO: Die nationale und internationale Normung am Beispiel des luftgetragenen Staubes. Dirk Dahmann Heidelberg, 2009

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1 DIN CEN ISO: Die nationale und internationale Normung am Beispiel des luftgetragenen Staubes Dirk Dahmann Heidelberg, 2009

2 Inhalt Allgemeines zur Staubmessung Gesundheitsbasierte Staubfraktionen Vergleich zum Umweltbereich Anwendung der Konventionen in der Praxis Derzeitige Normungsaktivitäten Neue Staubfraktionen Neue Verfahren Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 2

3 Vorwort: Kein Ziel des Vortrages ist eine Aufzählung der derzeit aktiven Normungsvorhaben! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 3

4 Warum Staub Messen so schwierig ist und die Standardisierung soviel Mühe macht! Luftgetragene gasförmige Stoffe müssen mit den üblichen Qualitätsanforderungen (Richtigkeit, Genauigkeit, Empfindlichkeit, Nachweisstärke etc.) quantitativ (vollständig, zumindest aber mit konstanter hoher Wiederfindungsrate) erfasst werden. Luftgetragene Aerosole können prinzipiell nicht vollständig erfasst werden, da man irgendwann beginnt, die Zusammensetzung des Aerosols durch die Probenahme zu verändern ( Staubsaugereffekt ), bzw. Artefakte zu erzeugen. Mithin ist der Versuch Total Dust oder Gesamtstaub zu messen, zum Scheitern verurteilt. Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 4

5 Die zentrale Normungsaufgabe der Staubmessung: Definition des Messgutes oder Analyten! Damit hat die Normung bei der Staubmessung eine wesentlich bedeutsamere Rolle, als bei Gasmessungen! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 5

6 Verschiedene Ansätze zur Definition des Analyten (keine abschließende Aufzählung!) Partikelanzahl Konimetrische Messungen Konimeter Partikelzählung aus Impingerlösungen (Einheit: mppcf ) Thermalpräzipitatoren Thermalpräzipitator Partikelmasse Total Dust Gesundheitsbasierte Staubfraktionen Indirekte Definitionen Z. B. Streulichtphotometrie Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 6

7 Gesundheitsbasierte Staubfraktionen Grundannahme: Nur ein bestimmter Teil der Partikeln gelangt in die unterschiedlichen Teile der Atemwege ( Penetration ) Für diese Anteile sind bestimmte Faktoren maßgeblich: Der aerodynamische Durchmesser der Partikeln Die Einlassgeschwindigkeit in den Atemtrakt (entweder in Mund oder Nase) Die Anströmbedingungen um Mund/Nase Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 7

8 Definition: Einatembarer Staub Percentage of Deposition [%] Aerodynamic Diameter [µm]

9 Definition: Einatembarer Staub Percentage of Deposition [%] Aerodynamic Diameter [µm]

10 Definition: Einatembarer Staub Percentage of Deposition [%] Not inhalable Inhalable Aerodynamic Diameter [µm]

11 Definition: Thorakaler Staub Percentage of Deposition [%] Aerodynamic Diameter [µm]

12 Definition: Thorakaler Staub Percentage of Deposition [%] Thoracic dust Aerodynamic Diameter [µm]

13 Definition: Alveolengängiger Staub Percentage of Deposition [%] Aerodynamic Diameter [µm]

14 Definition: Alveolengängiger Staub Percentage of Deposition [%] Respirable Dust Aerodynamic Diameter [µm]

15 Definition: Ausgeatmeter Staub Percentage of Deposition [%] Aerodynamic Diameter [µm]

16 Definition: Ausgeatmeter Staub Percentage of Deposition [%] Exhalable Dust Aerodynamic Diameter [µm]

17 Definitionen der MAK-Kommission Percentage of Deposition [%] Alveolar Fraction Tracheo-bronchial Fraction Aerodynamic Diameter [µm] Not -inhalable Fraction Nose-Throat-Larynx Fraction Respirable Fraction Inhalable Fraction Exhalable Fraction Thoracic Fraction

18 Übersetzt in Probenahmekonventionen: EN 481 und ISO 7708 beschreiben, wie ein idealer Sammler funktionieren müsste, der die Einatemcharakteristik gemäß einer der beschriebenen medizinisch relevanten Konventionen erfüllen würde. Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 18

19 Übersetzt in Probenahmekonventionen: percentage of the total of all airborne particles aerodynamic diameter µm inhalable dust respirable dust thoracic dust Johannesburg convention (MPG II) Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 19

20 und der Umweltschutz Drei Fraktionen sind relevant: PM 10, PM 2.5 und seit neuestem PM 1 Hier sind jeweils die 50% Werte der Abscheidekurve gemeint. Damit gleicht PM 10 weitgehend der thorakalen Fraktion und natürlich ist einmal mehr die Exposition in der Luft am Arbeitsplatz NICHT mit der in der Umwelt vergleichbar! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 20

21 Weitere einschlägige Normen zum Thema: EN 13205: Workplace exposure Assessment of performance of instruments for measurement of airborne particle concentrations Die zur EN 481 gehörige Prüfnorm DIN ISO 15767: Arbeitsplatzatmosphäre Kontrolle und Charakterisierung der Fehler beim Wägen gesammelter Aerosole (ISO 15767:2003) Die Analytiknorm im Nachgang zur Probenahmekonvention und über die EN 482, die hier natürlich auch gilt, wurde schon berichtet. Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 21

22 und welchen Sinn hat das Ganze? Prospektiv: Vergleichbare Erhebung von Expositionsdaten zum Zweck der Grenzwertsetzung (Epidemiologischer Vergleich mit abhängigen Wirkungsparametern) Überwachung der Exposition mit bestehenden Grenzwerten Retrospektiv: Umrechnung alter Staubexpositionsdaten in die aktuellen Konventionen (anschließend epidemiologischer Vergleich mit abhängigen Wirkungsparametern) All dies ist ohne die beschriebenen Staubprobenahmekonventionen sinnlos und irrelevant! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 22

23 Epidemiologische Studien zur Bewertung der Kanzerogenität von Quarz-A-Staub (Original-Expositionsmessung)! Metrik (Kurzform) Beschreibung Studie mppcf Millions of particles per cubic feet, Lichtmikroskopie von Impingerproben Partikel pro Milliliter Konimeter ( Witwatersrand ) RSA Gold Diatomeenerde, US Granit, US Sand- und Quarzmehl, US Gold Partikel pro Milliliter Konimeter (welches?) Australien Gold mg/m³ total mg/m³ total mg/m³ total Gravimetrie von offenen Filterkasetten- Proben, personenbezogen Gravimetrie (Originalpublikation nur in Finnischer Sprache) Gravimetrie von offenen Filterkasetten- Proben, Chinesischer Gesamtstaubsammler Diatomeenerde Finnische Granitarbeiter China Zinn-, Kupfer-, Eisen-, Wolfram-Bergbau mg/m³ respirable A-Staub Zyklon-Vorabscheidung Diatomeenerde, US Sandund Quarzmehl

24 Botschaft: Sowohl für die Messtechniker, als auch für die Epidemiologen liegt hier eine sehr relevante Schnittstelle mit allerlei Chancen und Risiken! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 24

25 Neue Entwicklungen in der Normung Ultrafeine Stäube Penetration oder Deposition Staubungsverhalten von Produkten Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 25

26 Ultrafeine Stäube oder: Was wird eigentlich im Bereich sehr feiner Feinstäube anders? Das Aerodynamische Verhalten ändert sich völlig! Die Partikeln verhalten sich eher wie Gase Konsequenz: nicht mehr der aerodynamische Durchmesser ist relevant sondern der Mobilitätsdurchmesser Dies hat natürlich auch Einfluss auf die verwendete Messtechnik Auch das Penetrations- und Depositionsverhalten ändert sich nachhaltig und komplex. Insbesondere ist aber nicht mehr allein die Masse der Partikeln relevant, sondern ihre Anzahl oder ihre Oberfläche. Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 26

27 Depositionswahrscheinlichkeit ultrafeiner Stäube gemäß ICRP 100 Total Deposition fraction (%) (relative to ambient aerosol concentration) Extra-thoracic Tracheo-bronchiolar Alveolar Particle diameter (µm) Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 27

28 Normungsaktivitäten für ultrafeine Stäube in der Luft am Arbeitsplatz Derzeit arbeiten mehrere Normungsgremien an diesem Thema. Kurz vor dem Abschluss z. B.: ISO/DIS 28439:2009 Workplace atmospheres - Characterization of ultrafine aerosols/nanoaerosols - Determination of the size distribution and number concentration using differential mobility analysing systems Eine Beschreibung der korrekten Anwendung sogenannter MPS-Geräte für die Expositionsmessung in der Luft am Arbeitsplatz Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 28

29 Spannend aber erst am Anfang: Percentage of Deposition [%] Alveolar Fraction Tracheo-bronchial Fraction Aerodynamic Diameter [µm] Not -inhalable Fraction Nose-Throat-Larynx Fraction Respirable Fraction Inhalable Fraction Exhalable Fraction Thoracic Fraction

30 Deposition versus Penetration Man müsste nicht per Probenahme die Stäube erfassen, die in den Atemtrakt vordringen, sondern die, die dort verbleiben. Derzeit existiert ein Normvorentwurf, der genau dies behauptet, leisten zu können. Es ist völlig unklar, ob das Verfahren das auch schafft. Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 30

31 Staubungsverhalten? Die Neigung von Pulvern, beim typischen Umgang luftgetragene (und möglicherweise gesundheitsschädliche) Stäube freizusetzen. Typischer Umgang? Z. B. Umfüllen, Abfüllen in Säcke, Umschütten im Labormaßstab oder Transport über Förderbänder Luftgetragene Stäube? Also nicht: Wie viel ultrafeine Partikeln sind im Pulver sondern Wie viel ultrafeine Partikeln sind in der Atemluft des Beschäftigten, der die Absackmaschine im Betrieb bedient Früherer einfacher Ansatz für Feinstaub am Arbeitsplatz: Feine Pulver ( Quarzmehl ) stauben mehr als grobe Pulver ( Quarzsand ) Vorteil: plausibel und einfach in der Handhabung! Nachteil: leider im Einzelfall völlig falsch!

32 Standardisiertes Verfahren EN Teil B 1 Prüfungsablauf: 1. Pulver wird eingefüllt und kontinuierlich senkrecht geschüttet 3 2. Während des Versuchs strömt ein Luftstrom von unten dem Fallmassenstrom entgegen. 3. Während des Versuches wird in diesem Luftstrom mit Standardverfahren die Staubmasse gemessen Die Staubungszahl des Produktes ist die gesammelte Staubmasse in mg bezogen auf die gesamte Fallmasse in kg.

33 Fazit Die Normung im Bereich des luftgetragenen Staubes ist ein altes Thema mit sehr modernen Anwendungsaspekten und sehr speziellen Anforderungen! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 33

34 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 34

35 Ansicht Konimetrie Zurück Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 35

36 Ansicht: Thermalpräzipitatoren: zurück Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 36

37 Total Dust die chinesische Lösung zurück Dies ist das Messgerät, mit dem vermutlich weltweit die meisten Staubexpositionsdaten gewonnen wurden! Staub-Normung, Dirk Dahmann Seite 37

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