Kooperations-Workshop Medicine meets Technology 26. April 2005

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1 Kooerations-Worksho Medicine meets Technology 26. Aril 2005 Health effects of Fine Dust and their hysical causes POSTER: Measurement of "Fine Dust" quantites, esecially Nanoarticle Number Size distributions, PM10 Mass Monitoring and Nanoarticle Coagulation behaviour - raz Arbeitsbereich: Verkehr und Umwelt Bereichsleiter: Ao.Univ.-Prof. Dil.-Ing. Dr.techn. Peter J. Sturm Vortragender: Dil.-Ing. Bernhard Heiden

2 Health effects of Fine Dust and their hysical causes I. Ähnlichkeitsbeweis der gesundheitlichen Relevanz der Anzahlkonzentration von Nanoartikeln II. III. CMD Prototye zur Koagulationskonstandenbestimmung Ausblick

3 Health effects of Fine Dust and their hysical causes TEIL (0) Die Abscheidung von PM10 findet erst im feinverästelten Lungensystem (Bronchialbaum) statt, das sich aufgrund seiner fraktalen Struktur immer mehr verjüngt. Die Luftgeschwindigkeit v und der Durchmesser d der Luftröhrchen nimmt in Richtung Alveolen ab (v~d) [1]. Minimaler Luftwiderstand und große Partikelverweilzeit führt zur Diffusionsabscheidung, eine säte Abscheidung der Luftartikel ist die Folge.? Welche Rolle sielt nun dieser Effekt der Diffusionsabscheidung in der Lunge? [1] Mandelbrot, B. B. (1987). Die fraktale Geometrie der Natur, Birkhäuser Verlag, Basel, S.169f.

4 Health effects of Fine Dust and their hysical causes TEIL (I) Der Transortstrom von n Feinstaubteilchen ist nach dem Fickschen Gesetz (Glg 1) roortional dem Diffusionskoeffizienten D n D V L n x D 6 3 d n x Glg.1 Für den Stokes-Einstein Koeffizienten für Diffusion D [2] bedeutet dies, dass D umgekehrt roortional zum Partikeldurchmesser d ist (D~1/d). Der Diffusionstransort und damit die Abscheidewahrscheinlichkeit steigt also für kleinere Partikel noch an, während die Tendenz zur Trägheitsimaktion abnimmt. [2] Pflügl, M. (2000). Stoffaustausch 4. Aufl., Vorlesungsskritum, Institut für Grundlagen der Verfahrenstechnik, TU Graz, Graz, S.106

5 Health effects of Fine Dust and their hysical causes TEIL (II) Setzt man Glg. 1 [3] sowie eine konstante Geometrie (d), Zähigkeit und Temeratur voraus, folgt dass die Abscheidebelastung (~Diffusionstransort) in der Lunge roortional der Anzahlkonzentration der Partikel und umgekehrt roortional zu ihrem Durchmesser ist (Glg. 2) n d n d 4 n n d d 4 Glg.2 Kinder sind stärker von der Feinstaubbelastung betroffen:. Die Lunge ist kleiner skaliert als beim Erwachsenen somit sind auch die Durchmesser d der Lungenröhrchen kleiner. Aus Glg. 2 folgt: wenn dkind d Erwachsene dass r n _ Kind n _ Erwachsene. r Damit ergibt sich, dass Kinder von Feinstaub stärker belastet werden, und dass auf Babys die schlimmsten Auswirkungen zu erwarten sind. [3] Pflügl, M. (2000). Stoffaustausch 4. Aufl., Vorlesungsskritum, Institut für Grundlagen der Verfahrenstechnik, TU Graz, Graz, S.89

6 Health effects of Fine Dust and their hysical causes TEIL (III) Aus Glg. 2 folgt weiter, dass dieselbe Masse auf mehrere kleine Partikel aufgeteilt eine größere Imaktionswahrscheinlichkeit aufweist Insgesamt kann man daher aus hysikalischen Gründen schließen, dass für gesundheitliche Effekte die Anzahlkonzentration der Feinstaubartikel von entscheidender Rolle ist.

7 (II) Smoluchowski equation describes coagulation of articles kinetic gas theory Kn >> 1 molecules f( D) Coagulation Coefficient K transition regime Kn Kn ~1 2 d interolation continuum regime Kn <<1 8 kt 3 K Einstein solution Brownian coagulation 10 nm 100 nm 1000 nm d fractality? f( D Df)

8 (III) CMD - Grundrinzi V1 T1 P1 PHI1 Probe S1 CMD (Coagulation Coefficient Measurement Device) T, hi V6 V2 Settler/Mixer V5 V Q1 M1 raz Symbol Descrition D1 DMA (differential mobility analyzer) C1 CPC (condensation article counter) V1-V4 3-way ventiles V5-V6 2-way ventiles S1 settler T1 temerature sensor P1 ressure sensor M1 steing motor Q1 flow sensor PHI1 humidity sensor PU1 um SMPS DMA V4 SMPS CPC C1 V3 PU1 Exhaust D1 SMPS

9 (II) CMD Messung Health effects of Fine Dust and their hysical causes DMA tyical article size distribution CPC

10 (III) Ausblick Following rosects are in reach: With the CMD resented slow coagulation as occurring in the atmoshere can be measured Constant concentration allows for easy evaluation of the coagulation coefficent/constant Danksagung Diese Messgerät wird durch die FVT (Forschungsgesellschaft für Verbrennungs kraftmaschinen und Thermodynamik mbh) finanziert.

11 Danke für die Aufmerksamkeit!