Bestimmung der inhalativen Exposition gegenüber ...€¦ · Christof Asbach 10...

Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.

Bestimmung der inhalativen Exposition gegenüber

Nanomaterialien am Arbeitsplatz Lutreinhaltung & Filtration

Christof Asbach

Fachtagung Nanotechnologie – traditioneller Arbeitsschutz für innovative Materialien?

Dresden, 30. September 2014

Christof Asbach 2

Warum Expositionsermittlung?

G E F Ä H R D U N G S -

E X P O S I T I O N

P O T E N Z I A L

in vitro / in vivo Biotesting

physiko- chemische Messung

Modellierung

RI S I K O

Unsicherheit Courtesy of H. Krug

Risiko = Exposition x Gefährdungspotenzial

Christof Asbach 3

Warum Expositionsermittlung?

Quelle: http://spectrum.ieee.org/image/1618678

Quelle: Mike Rogoff auf www.flickr.com

Exposition minimieren heißt

Risiken minimieren!

GEFÄHRDUNGS-

EXPOSITION

POTENzIAL

RISIKO

Christof Asbach 4

Herstellung

Que

lle: U

ni D

uE, I

VG

Weiter- verarbeitung

Que

lle: r

eife

nhau

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et.c

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Produktnutzung

Que

lle: u

s.12

3rf.c

om

Recycling Que

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ihop

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files

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1/03

/recy

clin

g.jp

g Wann kann eine Exposition auftreten?

Exposition am Arbeitsplatz

Christof Asbach 5

Mögliche Aufnahmepfade

oral dermal

inhalativ

Christof Asbach 6

Mögliche Aufnahmepfade

oral dermal

inhalativ

Christof Asbach 7

Übersicht

• Hintergrund zur Expositionserfassung für Nanomaterialien

• Gestufter Ansatz zur Bestimmung der Exposition gegenüber luftgetragenen Nanomaterialien

• Messtechnik für expositionsbezogene Messungen – Stationäre Messtechnik – Tragbare Messtechnik – Personengetragene Messtechnik

• Ergebnisse von Arbeitsplatzmessungen • Zusammenfassung

Christof Asbach 8

Problem: Hintergundpartikel

Beispiel: Größenverteilung atmosphärischer Partikel

http://aerosol.ees.ufl.edu

Beispiel: Größenverteilung von Nanomaterialien

S. Anand et al., J. Aerosol Sci., 52: 18-32, 2012

Ubiquitärer Hintergrund und synthetische Nanomaterialien können gleiche Größen haben

Unterscheidung vom Hintergrund essentiell für

Expositionserfassung

Christof Asbach 9


Tier 1 – Data Gathering

?Can the release of nanoscale particles into theworkplace air be reasonably excluded duringproduction, handling or prcessing?

Tier 2a.1 – Screening(e.g. with CPC)

no

?1

1Significant increaseof concentration overbackground?

Tier 3 – Expert Assessment(e.g. with SMPS, CPC, filter sampler, offline analysis)

?

Clear evidence of chemcialidentity of the ENM?

Take additional risk management measures tomitigate exposure

yes

?

Document and archive

Are risk management measuresefficient?

yes

Check after 2 years or in case of changes

no

yes

no2

2 no ENM from activity; chemical identityof ENM known; their origin is elsewhere

Tier 2a.2 – temporarymonitoring

Tier2b – permanent monitoring

?1no yes

?1

Maybe

no

yes yes

no

Back to tier 2

Tier 2a: Screening

Gleichzeitige oder sequentielle Messung der Partikelkonzentration im Hintergrund www.nanogem.de

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no

?1



?



yes

?



yes


no

yes

no2




?1no yes

?1

Maybe

no

yes yes

no

Back to tier 2

Tier 2b: Monitoring

www.nanogem.de

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no

?1



?



yes

?



yes


no

yes

no2




?1no yes

?1

Maybe

no

yes yes

no

Back to tier 2

Tier 3: „Expertenmessung “

Gleichzeitige oder sequentielle Messung der Partikelkonzentration im Hintergrund www.nanogem.de

Christof Asbach 12

Messgeräte – Tier 2

• Handheld Condensation Particle Counter C Bestimmt die Anzahlkonzentration >10 nm C Klein und tragbar, 6-8 h Batterielaufzeit C Genauigkeit ± 5% (Asbach et al., Ann. Occup. Hyg. , 56: 606-621, 2012)

D Begrenzt auf Konzentrationen < 100,000 #/cm³ D Alkoholreservoir muss alle 6-8 h nachgefüllt werden à nicht geeignet als permanenter Monitor

• Diffusionsauflader C Bestimmt die Anzahlkonzentration, lungendeponierbare

Oberflächenkonzentration und mittlere Partikelgröße C Klein und tragbar, 8 h Batterielaufzeit, 230 V möglich C Kann kontinuierlich über lange Zeit betrieben werden D Limitiert auf Größenbereich 20-300 nm (sonst ungenauer) D Genauigkeit ± 30% (Kaminiski et al., J. Aerosol Sci., 57: 156-178, 2013)

Christof Asbach 13

Messgeräte – Tier 3 Elektrische Mobilitätsspektrometer

• Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) C Anzahlgrößenverteilungen ~2.5 – 1000 nm C Höchste Genauigkeit (Kaminiski et al., J. Aerosol Sci., 57: 156-178, 2013)

C Hohe Größenauflösung D Niedrige Zeitauflösung (mehrere Minuten) D Aerosol muss stabil sein

• Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) C Anzahlgrößenverteilungen 5.6 – 560 nm C Hohe Zeitauflösung (1 s) D Niedrigere Genauigkeit und Größenauflösungauflösung

als SMPS D Eher geringe Datenqualität >100 nm

Christof Asbach 14

• Sammelt Partikel einer Polarität auf Substrat

• Substrate können aus Silizium (für REM), TEM Netz, Glaskohlen-stoff (for TXRF), etc. sein

• Depostionsfleck kann mittels der el. Feldstärke eingestellt werden

• Bisher existiert nur ein einziger ESP, der die Partikel auflädt

Dixkens and Fissan, Aerosol Sci. Technol. 30:438-453, 1999 Miller et al. Aerosol Sci. Technol. , 44: 417-427, 2010

Messgeräte – Tier 3 Elektrostatische Partikelsammler (ESP)

PSL Welding

CNT

Christof Asbach 15

Feldmessungen gemäß dem gestuften Ansatz

• Messungen an einer Pilotanlage am IUTA zur Gasphasensynthese von Nanopartikeln (bis ca. 5 kg/Tag)

Christof Asbach 16

• Messungen gemäß Stufe 2 (Screening und Monitoring) und Stufe 3

• Messorte Stufe 2: – Am Reaktor/in der Warte während der Synthese

– Im Absackbereich während der Absackung

– An offener Verrohrung während der Reinigung

Messorte

Christof Asbach 17

Messorte Stufe 3

Absackbereich Plasma-Reaktor

Verrohrung Filter

Christof Asbach 18

Monitoring

• Monitore (miniDiSCs) installiert unter der Decke im EG (Gitterrost) und oberhalb potenzieller Leckagen und in Ablufteinlass

Absackung Später 1. OG bei Rohrreinigung

Reaktor Abluft

Christof Asbach 19

Messstation für Hintergund

ESP mit Auflader

FMPS

SMPS

NSAM

Gemeinsamer Aerosoleinlass

Christof Asbach 20

Monitoringergebnisse (miniDiSC)

0.0E+00

2.0E+04

4.0E+04

6.0E+04

8.0E+04

1.0E+05

1.2E+05

1.4E+05

1.6E+05

1.8E+05

12.11. 14:24 13.11. 02:24 13.11. 14:24 14.11. 02:24 14.11. 14:24

Num

ber C

once

ntra

tion

[#/c

m³]

Time

Ventilation

Reactor

Bagging/Pipe cleaning

13.11. 08:45 – 10:30

13.11. 12:15 – 16:00

14.11. 11:10 – 12:45

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Monitoring (miniDiSC) und Hintergrund (FMPS)

0.00E+00

1.00E+04

2.00E+04

3.00E+04

4.00E+04

5.00E+04

6.00E+04

7.00E+04

8.00E+04

0.0E+00

2.0E+04

4.0E+04

6.0E+04

8.0E+04

1.0E+05

1.2E+05

1.4E+05

1.6E+05

1.8E+05

12.11. 14:24 13.11. 02:24 13.11. 14:24 14.11. 02:24 14.11. 14:24

Num

ber C

once

ntra

tion

[#/c

m³]

Time

Ventilation

Reactor


Background outside enclosure

13.11. 08:45 – 10:30

13.11. 12:15 – 16:00

14.11. 11:10 – 12:45

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0.0E+00

2.0E+04

4.0E+04

6.0E+04

8.0E+04

1.0E+05

1.2E+05

1.4E+05

1.6E+05

1.8E+05

12.11. 14:24 13.11. 02:24 13.11. 14:24 14.11. 02:24 14.11. 14:24

Num

ber C

once

ntra

tion

[#/c

m³]

Time

Ventilation

Reactor


Monitoring (miniDiSC)

Start of work day

Heating up of reactor

Nanoparticle production

Bagging Tube Cleaning

„Artificial“ leak

Background measurement Background measurement

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• Es wurde keine Freisetzung aus der Anlage erwartet • Daher wurde eine Leckage simuliert, indem

gesundheitlich unbedenkliche Partikel (PSL and NaCl) in den Arbeitsplatz eingebracht wurden

• 12:09 – 13:14: 143 nm PSL; 16,000 #/cm³ 13:14 – 14:10: Atomizer aus 14:10 – 15:12: NaCl, Mode 195 nm, 3.6*106 #/cm³

Künstliche Leckage

Christof Asbach 24

Künstliche Leckage

Atomizer

„Leckage“

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Auswertung basierend auf miniDiSC am Reaktor

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0.0E+00

2.0E+04

4.0E+04

6.0E+04

8.0E+04

1.0E+05

1.2E+05

1.4E+05

1.6E+05

1.8E+05

2.0E+05

10:30 11:42 12:54 14:06 15:18 16:30

Num

ber C

once

ntra

tion

[#/c

m³]

Time

Ventilation

Reactor

Bagging

PSL 143 nm Atomizeroff

NaCl

Hintergund vor PSL

32.794 ± 1120 #/cm³

Konzentration während PSL

37.437 ± 2025 #/cm³

Hintergrund nach PSL/vorNaCl

40.897 ± 1420 #/cm³

Konzentration während NaCl

46.435 ± 4270 #/cm³

Hintergrund nach NaCl

40.244 ± 1549 #/cm³

Christof Asbach 26

PSL Konz. – Hintergund = 591 #/cm³ <3*s è Nicht signifikant

Mittelwert Hintergrund NaCl 40,556 ± 1493 #/cm³

NaCl Konz. – Hintergund = 5879 #/cm³ >3*s è Signifikant

Mittelwert Hintergrund PSL 36,845 ± 4331 #/cm³

Hintergund vor PSL

32,794 ± 1120 #/cm³

Konzentration während PSL

37,437 ± 2025 #/cm³

Hintergrund nach PSL/vorNaCl

40,897 ± 1420 #/cm³

Konzentration während NaCl

46,435 ± 4270 #/cm³

Hintergrund nach NaCl

40,244 ± 1549 #/cm³

Auswertung basierend auf miniDiSC am Reaktor

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Exposition

„[…] Speziell in der Medizin und Toxikologie steht Exposition für das Ausgesetztsein von Lebewesen gegenüber schädigenden Umwelteinflüssen wie Krankheitserregern, toxischen chemischen Elementen oder Verbindungen oder physikalischen Einflüssen wie Hitze, Lärm oder Strahlung. Ein Bergarbeiter beispielsweise ist gegenüber Steinstaub exponiert, ein Passivraucher gegenüber Zigarettenrauch. […]“ …und ein „Nanoarbeiter“ gegenüber Nanopartikeln…

Christof Asbach 28

Räumliche Verteilung der Exposition

1

23

41

23

4

Anzahl- konzentration

20 nm

20 nm 50 nm

50 nm

Mittlere Partikelgröße

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Persönliche (individuelle) Exposition

• Persönliche Exposition eines individuellen Arbeiters kann räumlich variieren

• Persönliche Exposition muss im Atembereich des Arbeiters gemessen werden

• Atembereich definiert als 30 cm Halbkugel um Mund und Nase

• Erfordert personengetragene Monitore oder Sammler

• Nano-spezifische, personengetragene Monitore und Sammler sind erst seit sehr kurzer Zeit verfügbar EN 1540 Workplace Atmospheres – Terminology, CEN (1998)

Christof Asbach 30

Christof Asbach 31

Personal Sampler

Zefon Nanoparticle Respiratory Deposition (NRD) sampler

Dp50 = 4 µm

Dp50 = 0.3 µm

Cena et al., Env. Sci. Technol. 45: 6483–6490, 2011

Ziel: Nachstellen der Lungendeposition

Christof Asbach 32

Personal Sampler

C.J. Tsai et al., Env. Sci. Technol. 46: 4546-4552, 2012

Dp50 = 4 µm

Dp50 = 0.1 µm

Personal Nanoparticle Sampler (PENS) sampler (prototype)

Christof Asbach 33

Weight: 140 g

Personal Sampler

Thermalpräzipitator

• Homogene, nahezu größenunabhängige Deposition auf Siliziumsubstraten • Analyse der Größenverteilung und/oder chemischen Zusammensetzung mit REM/EDX

N. Azong-Wara et al., J. Nanopart. Res. 15:1530, 2013 N. Azong-Wara et al., J. Nanopart. Res. 11:1611, 2009

Christof Asbach 34

Partector (naneos)

üGröße einer Zigarettenschachtel

üMisst die lungendeponierbare Oberflächenkonzentration

üGrößenbereich (nominell) 10 nm – 10 µm

üBatteriezeit 8 h

Christof Asbach 35

miniDiSC/DiSCmini & NanoTracer

üBetrieb am Gürtel mit Probenahmeschlauch

üMisst die Anzahl- und lungendeponierbare Oberflächenkonzentration, mittlere Partikelgröße

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Genauigkeit der persönlichen Monitore

Gute Genauigkeit (±30%) für

20-300 nm Partikel

Christof Asbach 37

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00

LDSA

Con

cent

ratio

n [µ

m²/c

m³]

Worker 1 (Partector)Worker 2 (Partector)miniDiSC (Background)

max . ca. 6200 µm²/cm³

Persönliche Exposition in IUTA Pilotanlage

Einschalten des Rußpulverförderers in schlecht gedichteter Einhausung

In Büro

Christof Asbach 38

Zahnarztexposition

Offensichtliche Exposition

Kooperation mit

Christof Asbach 39

0

20

40

60

80

100

0.0E+00

2.0E+05

4.0E+05

6.0E+05

8.0E+05

1.0E+06

1.2E+06

Mea

n Pa

rtic

le S

ize [n

m]

Part

icle

Num

ber

Conc

entr

atio

n [#

/cm

³]

Personal exposure: particle number Background: particle number

Personal exposure: particle size Background: particle size

Personal exposure

K. Van Landuyt et al. (2014), Acta Biomaterialia 10: 365-374

Formgebung mit groben Polierscheiben Aufrauhen der Oberfläche mit

100 µm Diamatnschleifer (grob)

Formgebung mit Diamantschleifer und Polierscheiben

Christof Asbach 40

Freitag, 21.09.2012, ab ca. 15:30 Uhr

15:30 – 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 – 18:45: Fahrrad, IUTA – MSV Arena

Die Partikelbelastung während meines Starts ins Wochenende

Christof Asbach 41


Freitag, 21.09.2012, ab ca. 15:30 Uhr

15:30 – 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 – 18:45: Fahrrad, IUTA – MSV Arena 19:00 – 21:30: MSV Arena 21:30 – 22:10: Fahrrad, MSV Arena – Oberhausen

:

Christof Asbach 42

Freitag, 21.09.2012, ab ca. 15:30 Uhr

15:30 – 18:20: Büro, teilweise Fenster geöffnet 18:20 – 18:45: Fahrrad, IUTA – MSV Arena 19:00 – 21:30: MSV Arena 21:30 – 22:10: Fahrrad, MSV Arena – Oberhausen 22:10 – 22:45: Pizzeria Ca. 22:55: Ankunft zu Hause kontinuierliche Messung der Partikelanzahlkonzentration mit einem miniDiSC (im Rucksack, Schlauch nach außen)

:


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1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

15:36:00 16:48:00 18:00:00 19:12:00 20:24:00 21:36:00 22:48:00

Anza

hlko

nzen

trat

ion

[#/c

m³]

Zeit

Büro

Büro

, offe

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Fens

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Büro

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Fens

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1. H

albz

eit

2. H

albz

eit

Paus

e

nach

Abpf

iff

Fahr

rad

MSV

Aren

a -O

B

Pizz

eria

Fahrrad aus Keller geholt

Würstchenstand

Christof Asbach 44

Zusammenfassung

• Erfassung der Exposition gegenüber luftgetragenen Nanopartikeln erfordert eine Differenzierung des Hintergrundes

• Eine Vielzahl an Messgeräte existiert, aber keines erlaubt eine Unterscheidung des Hintergrundes

• Jedes Messgerät ist ein Kompromiss • Expositionserfassung benötigt klare, aber pragmatische

Strategie • Exposition sollte bestenfalls im Atembereich gemessen

werden

Christof Asbach 45

Danksagung

Christof Asbach 46

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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