“Nano”-Aktivitäten in SachsenDr. D. Kühnel

Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ)Department für Bioanalytische Ökotoxikologie

In Zusammenarbeit mit:

Dr. Volkmar RichterDr. Tobias Meißner

Fraunhofer IKTS, Dresden

Nanotechnologie - traditioneller Arbeitsschutz für innovative Materialien?BAuA Dresden, 19.04.2012

Foto: Armin Springer (TU Dresden)

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Nachhaltige Innovation/Entwicklung

„Entwicklung zukunftsfähig zu machen, heißt, dass die gegenwärtige Generation ihre Bedürfnisse befriedigt, ohne die Fähigkeit der zukünftigen Generation zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse befriedigen zu können.„

(UN-Bericht „Unsere gemeinsame Zukunft“, „Brundtland-Bericht“, 1987)

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Materialforschung und Toxikologie

… müssen Hand in Hand arbeiten

Technische Forschung mit Risiko-/ Vorsorgestudien begleiten!

Auswahl von Themen des IKTS mit Nano-Bezug (Stand 2009)1. nanoRoad – EU INDUSTRIE2. Transnanopowder - EU3. Nanoceram – EU4. NanoValid - EU5. nanoHM – BMBF Nano geht in die Produktion INDUSTRIE6. NanOnLine (Nanopartikelcharakterisierung) - BMBF Nano geht in die Produktion7. KoLiWIn - LIB2015, (gerichtete CNT für Lithiumionenbatterie) – BMBF8. INOS – BMBF WING (nanoCare) VORSORGE9. DaNa - BMBF WING nanoCare10. Fe-nanoSIT – BMBF nanoNature UMWELT11. NADINE (Nano Diamant für die Desinfektion) – BMBF nanoNature12. Sprühgefriergranulierung – DFG INDUSTRIE13. Tailored Optics - FhG-WISA INDUSTRIE14. NAME - Neue anorganische Membranen (Filtration) - FhG WISA15. MALION (gerichtete CNT für Superkondensatoren) - FhG-Projekt16. CarNAk (CNT für die Aktuatorik) - FhG MAVO17. Nanofilter – Bundeswehr SICHERHEIT18. Dieselrusspartikelfilter – AiF INDUSTRIE19. Nano-ZrO2 - Industrie20. Transparente Keramik - Industrie21. CEFIC/OECD Sponsorship Program VORSORGE

Ertragsentwicklung 2005 – 2010 (in T Euro)

Starker Anstieg der Erträge seit 2005, getragen durch die Funktionskeramik: EnergietechnikSteuerungstechnik

SensorikAktronik

Miniaturisierung von Komponenten und Systemen basierend auf neuen Werkstoffen

Intensive Förderung durch das Land Sachsen

Das Fraunhofer IKTS - Ertragsentwicklung

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Fraunhofer Allianz NanotechnologieVerbund von Fraunhofer-Instituten, die sich mit der „Nano-technologie“ unter technischen Aspekten befassen

Viele ProjekteKooperation mit Partner aus dem Verbund „Life-science“ zu Fragen des ArbeitsschutzesFhG-interne Regeln von Dr. Lambotte (vormals FhG)

http://www.nano.fraunhofer.de/index.html

BMBF-Projekt nanoHM nanoskalige Partikel

Programm: Nano geht in die Produktion (BMBF)

Partner: Hermann C. Starck, GoslarKennametal, EssenCemeCon AG, WürselenFCT, Rauenstein (Thüringen)ASMEC GmbH, DresdenBMW, MünchenFraunhofer IKTS, DresdenFraunhofer IST, Braunschweig

Laufdauer: 2008-2011

Ergebnis: Nanoskaliges Hartmetall mit überragenden EigenschaftenSteigerung der Werkzeugstandzeit

Gesundheitsrisiken werden nicht durch die Nanoskaligkeit des Wolframcarbids, sondern die bekannte Toxizität des Cobalts geprägt!

Härte als Funktion der Korngröße

Projekt „Tailored Optics“ nanoskalige Partikel„Nano-Präzision“

• Ziel: Direktformung von optischen Komponenten durch Pressen

• Voraussetzung: Defektfreies ultrafeines oder nanoskaliges Hartmetall

Hohe OberflächenqualitätExtreme Präzision beim Schleifen (nm)

• Anwendung: Lasertechnik

• Partner: Fh IWU ChemnitzFh IPT AachenFh IOJ JenaFh IWM Freiburg

Nanoporöse Membranen nanoskalige Poren

Fertigung von Filtern mit „exakter“ Porengröße von ca. 20 nm für die Wasserreinigung oder 1 nm für die Gastrennung mit hoher PermeabilitätPartikel können > 100 nm sein

Retina Implantat als Sehhilfe (BMBF-Projekt) CNT

Multisensorarray, Retina-Implantat

Elektrophoretische CNT-Beschichtung

Quelle: Retina-Implantat

Retina-Implantate zur Wiedergewinnung der SehkraftEinsatz von BaytubesBayerMaterialScienceVerdichtung durch AbscheidungBindung an Unterlage Baytubes gelten

als gesundheitlich unbedenklichVerarbeitung in Flüssigkeit in geringen MengenRückgewinnung von Lebens-qualität

ZIM-Projekt (AiF) für die Atemgasanalytik

Entzündungen führen zur Bildung von H2O2

Ziel: H2O2-Nachweis

Weg: Sensorbeschichtung, Aunano und Preußisch-Blau-Partikel

Carbonfaser-Beschichtung

H2O2-NachweismodulFILT GmbH

Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien

Electrode manufacturingslurry mixing,coatingdrying

+ -Li-Ion IKTS

Raw materials

powderelectrode foil….

Stack construction

calenderingslitting/ cutting

stacking

Cell assemblyjoint tabs, terminalselectrolyte filling

sealingEoL conditioningformationagingEoL testing

Lösungsmittel-dämpfe Laserab-

gase

Abgase Lösungsmittel-dämpfe

Aerosole

Fertigungskosten sind wesentliche Hürde für Einführung der Lithium-Technik

Material Spezische Ober-fläche nach BET [m²/g]

Partikelgröße d50,0Aerosolmessung [nm]

Lithium-Eisenphosphat 15,2 140

Graphit 1720 140

Ruß 60,8 165

Materialien in der Lithium-Ionen-Batterieherstellung

Kathode:Al-Folie, Aktivmaterial, Carbon Blackorg. Binder

Anode:Cu-Folie, Graphit, Carbon Blackorg. Binder

Elektrolyt:Org. LösungsmittelLi-haltiges Leitsalz

Hohe spezifische Oberfläche von Graphit Steigerung Performance Anodenseite

Erhöhte Reaktivität auch in biologischer Umgebung

Aerosole bisher im Submikrometerbereich Trend zu nanoskaligen Materialien

Toxikologische Bewertung erfordert die Erfassung physikalischer Eigenschaften der Stoffe

Materialien in der Lithium-Ionen-Batterieherstellung

Material Spezische Oberfläche nach BET [m²/g]

Partikelgröße d50,0Aerosolmessung [nm]

Lithium-Eisenphosphat 15,2 140

Graphit 1720 140

Ruß (Carbon Black) 60,8 165

LiFePO4

1 µm

Aerosolmessung zur Abschätzung des inhalativen Risikopotenzials

Aerosolmessungen

0

50

100

0 100 200 300 400 500 600 700

Q0(

x) %

Partikelgröße x [nm]

Lithium-Eisenphosphat (LFP)

Anzahlsummenfunktion

D50,0 = 140 nm

50% aller gemessen Partikel sind < 140 nm und können in die Alveolen gelangen

Schutzmaßnahmen

Technische Schutzmaßnahmen

Geschlossene Anlage Quellenabsaugung Lüftungsmaßnahmen

•Abzug Arbeiten nach Möglichkeit bei geschlossenen bzw. heruntergefahren Frontschieber, um Heraustragen von Partikeln zu vermeiden•Vermeiden von zu hohen Einströmungsgeschwindigkeiten in den Abzug•Geringer mechanischer Energieeintrag

Persönliche Schutzmaßnahmen (z. B. Atemschutz)

Weitere Sauberkeit am Arbeitsplatz Vermeidung von Hautkontakt (Tragen von Handschuhen) Ermittlung der Staubkonzentrationen am Arbeitsplatz Biologisches Screening für belastete Mitarbeiter

Herausforderungen an Lufttechnik

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EU-Projekt: NanoValid

„Development of reference methods for hazard identification, risk assessment and LCA of engineered nanomaterials“

30 Partner + 1 (US-EPA)19 Länder (4 außerhalb Europas)Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und Fraunhofer IKTS

BAuA und BAM ebenfalls Partner

Laufzeit: Nov. 2011 – Okt. 2015

Entwicklung von Referenzmethoden für technische Nanomaterialien

www.nanovalid.eu

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EU-Projekt: NanoValid

Strategien zur Risikobewertung von Nanomaterialien

Studien zur Aufnahme in Umweltorganismen (Exposition)

Charakterisierung

Fall-Studien (z.B. unbeabsichtigte Freisetzung bei Unfällen)

Entwicklung von Standardprotokollen

Trainings-Aktivitäten, Workshops

www.nanovalid.eu

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Eisenbasierte Nanopartikel und Nano-kompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern (Fe-Nanosit)

Laufzeit Mai 2010 – April 2013

Nanomaterialien zur Grund- und Abwasserreinigung

Materialoptimierung: Katalyse, Stabilität, Reaktivität, Mobilität

eingehende Untersuchungen zur Toxikologie und Aufnahme in

Organismen

Nanosit

55,8 26

RCl + 2e- +H+

R-H + Cl-

Activated Carbon + Fe0

2e-Fe2+

Carbo-Iron®

Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung

Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung

Kontrolle

10 mg/l Carbo-Iron®Keine Partikel-Aufnahme in Gewebe, keine toxischen Effekte in Organismen

0.0010.010.1

0

10

20

30

40

50

1 10 100%

Ste

rblic

hkei

t

Konzentration Carbo-Iron®

Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung

• Erster Einsatz an einem verschmutzten Standort April 2012

• Handlungsempfehlungen “Handhabungsempfehlungen und Arbeitsschutzmaßnahmen für den Umgang mit den Partikeln“

• sowohl für Herstellung als auch für zukünftige Anwender(Herstellung der Injektionslösung aus Pulver, Durchführung der Injektion)

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INOS (Abgeschlossenes Projekt: Laufzeit Jan. 2006 – April 2009)

Untersuchung von möglichen toxischen Wirkungen von technischen Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt

In vitro Versuche mit humanen und Fischzellen

Aufnahmeverhalten

Genexpressionsstudien

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Particle Safety Laboratory (PSL)

unterstützt den sicheren Umgang mit Partikeln durchAnalysen und Beratung

1. Physikalisch-chemische Analyse und Charakterisierung

2. Charakterisierung der zellulären Aufnahme und hochauflösende mikroskopische Untersuchungen

3. Untersuchung der Zelltoxizität, Ökotoxikologie und molekularen Wirkungsmechanismen

Literaturstudien

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"NanoCare: Auswirkungen synthetischer Nanomaterialien auf den Menschen"

„Erfassung, Bewertung und breitenwirksame Darstellung von gesellschaftlich relevanten Daten und Erkenntnissen zu Nanomaterialien“

"NanoNature: Nanotechnologien für den Umweltschutz - Nutzen und Auswirkungen"

www.nanopartikel.info

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www.nanopartikel.info

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www.nanopartikel.info

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