Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel)

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1 Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel) S. Plitzko 1) U. Gernert 2) 1) Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Berlin 2) Technische Universität Berlin Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie

2 Ultrafeine Partikel (UFP) in Arbeitsbereichen Salzkristall mit Rußpartikeln

3 Ultrafeine Partikel (UFP) in Arbeitsbereichen MAG-Schweißen

4 Ultrafeine Partikel (UFP) in der Umwelt Brochosomen (aus dem Regenmantel von Kleinzikaden)

5 Ultrafeine Partikel (UFP) im Wohnumfeld Kerzenruß

6 Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel) Einführung Messgrößen zur Beschreibung ultrafeiner Partikel (UFP) Messgeräte zur Bestimmung ultrafeiner Partikel (UFP) Personengetragene Messtechnik zur Bestimmung der UFP - F 2055 Expositionen gegenüber ultrafeinen Partikeln (Arbeitsbereich, Umwelt, Untergrundbelastungen) - F 2055 Messstrategien bei der Expositionsermittlung UFP in Arbeitsbereichen F 2055

7 Einführung - Ultrafeine Partikel - UFP Teilchen mit Mobilitäts- (oder Diffusions-) Äquivalentdurchmesser < 100 nm und deren Aggregate bzw. Agglomerate. Die Eigenbewegung der UFP wird durch die Brown sche Molekularbewegung bestimmt (unabhängig von Schwerkraft und Dichte). Die Diffusionsabscheiderate ist für die Deposition der UFP im Atemtrakt bestimmend.

8 Wirkung der ultrafeinen Partikel (UFP) Tierexperimente Umweltmedizinische epidemiologische Studien stärkere Toxizität der UFP gegenüber einatembaren Partikeln vom gleichen Material bei gleicher Massendosis Hinweis auf die besondere Wirksamkeit freier Primärteilchen (Oberdörster et al Teflonrauch) Zusammenhang zwischen PM 2,5 und insbesondere UFP mit Herz- Kreislauf- und Atemwegserkrankungen, Kurzzeit- und Langzeiteffekte (Wichmann et al. 2002)

9 Messgrößen zur Beschreibung der UFP Í Numerische Konzentration (Anzahl der freien Teilchen oder der Primärteilchen, auch die in den Agglomeraten?) Í Oberflächen- und Volumenkonzentration Í Biobeständigkeit (Löslichkeit) Í Eine abschließende wirkungsbezogene Messgröße kann z.z. noch nicht gegeben werden! Í Deshalb eine möglichst umfassende Charakterisierung der UFP!

10 Konvention zur Messung der UFP Messtechnik muss so ausgelegt sein, dass die Abscheidewahrscheinlichkeit durch die Diffusion, also die Beweglichkeit der Teilchen, bestimmt wird Primär wird die numerische Konzentration gemessen und nicht die Massenkonzentration Teilchengrößenbereiche von 10 nm bis 200 nm (besser bis 500 nm) müssen messbar sein Teilchenanzahlkonzentration von 10 8 T/cm³ müssen erfasst werden können bei einer arbeitsmedizinisch relevanten Messzeit Durch das Verfahren selbst oder durch begleitende Messungen müssen die UFP charakterisiert werden können (u.a. Agglomerationsverhalten, Primärteilchen).

11 Messgeräte zur Bestimmung UFP Kondensationskernzähler / Mobilitätsspektrometer - CPC SMPS - System Impaktoren - Berner Impaktor (Bestimmung chemischer Inhaltsstoffe der UFP) - ELPI - System Messgeräte, zur Bestimmung der Oberflächenkonzentration Geräte, die eine anschließende elektronenmikroskopische Analyse erlauben - Sammlung auf goldbedampfte Filter - Thermalpräzipitator (TP)

12 Messgeräte zur Bestimmung UFP (unvollständige Auswahl) Wide Range Aerosol Spektrometer - Grimm Scanning Mobility Particle Sizer - TSI Kondensationspartikelzähler - TSI Oberflächenmonitor - TSI

13 Arbeitsplatzbezogene Messungen von UFP (Grundlage für arbeitsmedizinisch-epidemiologische Untersuchungen) F 2055 Í Personenbezogen zur individuellen Expositionserfassung Í Messung zur Erfassung der mittleren Exposition oder Expositionsdosis Í Arbeitsplatztaugliche Probenahmetechnik (robust, gute Trageeigenschaften, leichtes Handling) Í Anwendbar auch bei hohen Konzentrationen (u.a. Schweißarbeiten) Í Charakterisierung von UFP (Aufbereitung der Präparate auf ELMI- Objektträgern, elektronenmikroskopische Anslysen, Bewertung von Agglomeraten und Primärteilchen)

14 Personengebundene Messung und Analyse ultrafeiner Teilchen (UFP) F 2055 Messung ultrafeiner Teilchen mit einem personengetragenen Thermal-Präzipitator TPP elektronenmikroskopische Analyse (REM, TEM) Bildanalysesystem zur Bestimmung von Durchmesserverteilungen, Teilchenkonzentrationen der Agglomerate und Aggregate

15 Personengebundener Thermal-Präzipitator Prinzip Heizwendeln Luftdurchsatz Präparateträger Staubpräparate

16 Personengebundener Thermal-Präzipitator

17 Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben Arbeitsbereich 4,0 3,5 Concentration (#/cm³)[e5] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Partikelanzahlkonzentration (10 nm - 1 µm und 5 nm - 40 µm Erfassung des zeitl. Verlaufs der Aerosolkonzentration 0,5 0,0 Tue 16 Jul :00 11:00 12:00 13:00 Hallenhintergrundmessungen (MAG - Schweißen) 8, T/cm³

18 Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben Arbeitsbereich mittleres Maximum der Partikelgrößen - 63 nm (bei 615 nm erscheint ein weiteres kleines Maximum) Total conc. [dn/dln(dp) [/cm3]] Uhr Uhr Partikelgrößenverteilung Erfassung des zeitl. Verlaufs der Partikelgrößenverteilung Partikeldurchmesser [nm] Tonerstaubmessungen in einem Büroraum (worst case Fall) 4-fache Erhöhung zur Untergrundbelastung

19 Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben Arbeitsbereich O Al Si Ca Partikelmorphologie und Agglomerationsverhalten Aussagen zur Primärteilchengröße Elementanalyse (EDX) ist möglich 300 (C) 200 Mg (Au) Na K Ca Fe Fe Ti Ti Fe (Au) kev

20 Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben Umweltbereich (Hintergrundbelastung) 16 Außenluftmessungen Partikelanzahlkonzentration [T/cm³] spontan durchgeführte Einzelmessungen CPC und WRS unterschiedliche Jahres- und Tageszeiten unterschiedliche Witterungen nicht unmittelbar an befahrenen Straßen oder anderen Emittenten n = 21 = 1, T/cm³

21 Expositionen gegenüber ultrafeinen Stäuben Untergrundbelastung relative Erhöhung der Anzahlkonzentration VC 25 ( ) Kerzenlicht ( ) geschlossener Kamin ( ) Heizstrahler ( ) Tonerstaub ( ) Berücksichtigung weiterer Nanopartikel- Emittenten im Arbeitsbereich Dieselmotoren Elektromotoren Heizstrahler offene Flammen Raucher usw. Partikelcharakterisierung ist notwendig

22 Messstrategien - Expositionsermittlung UFP in Arbeitsbereichen Stationäre Messungen mit dem SMPS (WRS) im Arbeitsbereich - Partikelanzahlkonzentration über die Schicht (5 nm - 40 µm) - Partikelgrößenverteilung über die Schicht - Erfassung der Untergrundbelastung (eventuell Nachtmessungen) Stationäre und parallele Messung mit dem CPC 3007 in Außenbereichen - Partikelanzahlkonzentration (10 nm - 1 µm) der Hintergrundbelastung während der Arbeitsbereichsmessungen Messungen mit dem Thermalpräzipitator (stationär oder personengetragen) - Partikelanzahlkonzentration und Größenverteilung - EDX-Analyse zur Abschätzung des Anteils der Produktpartikel goldbedampftes Filter - Morphologische Abschätzung des Anteils der Produktpartikel - EDX-Analyse zur Abschätzung des Anteils der Produktpartikel Liegestaubprobe

23 Messung und Analyse ultrafeiner Partikel (Nanopartikel) Danke