Fritt flygande partiklar i utomhusluften.

Fritt flygande partiklar i utomhusluften.
Bild: Lennart Nilsson
Källa: Dagens nyheter 060304
Frisöres arbetsmiljö
• Mål: Karakterisera exponeringen i luften vid blekning
samt mäta biomarkörer i blodet. Specifikt ska skillnad
för olika blekmedel studeras och olika arbetsmoment.
• Metod: 12 frisörer utför tre blekningar vardera i EAT:s
experimentkammare då två olika blekmedel används:
dammfritt och icke dammfritt.
• Mätningar:
Bakgrund: APS (ToF) och filter
Emission: APS (ToF) och filter
Personburet: SidePak (optisk metod) och filter
Partikelmasskoncentration
vid blekning
1.2
Serie1
Total mass (mg/m3)
1
Pour up powder and start
stirring
Stop stirring
0.8
pour up powder and start stirring
0.6
Pour up Hydrogenperoxide and
start stirring
Pour up powder and stirring
0.4
0.2
0
13:48:00
13:55:12
14:02:24
14:09:36
14:16:48
Time
14:24:00
14:31:12
14:38:24
Optiska mätinstrument
Detekterar partiklar > 200 nm
Spritt ljus
Vilken storlek mäter ett optiskt
mätinstrument?
Geometrisk diameter (um)
Photometrar
Ofta kalibrerade med en oljeaerosol eller
“Arizona dust”, men när de används för
andra aerosoler ……
Aerosol
Mass konc.
ug/m3
DOS
100
Flygaska
250
Trädamm
55
Jordstoft
22
Olika optiska egenskaper och
olika densitet medför skillnaden!
APS, Aerodynamic particle sizer
Aerodynamisk diameter proportionell mot TOF
Partikelstorleksfördelningar
Resultat: Exponeringsmätningar
Background
Emission
Personal
not dust-free
dust-free
not dust-free
dust-free
not dust-free
dust-free
Persulfates Particles Persulfates
(µg/m3)
(µg/m3) not DF/DF
4.9
4.2
2.4
2.3
2
17.6
8.7
6
3.8
2.9
25.9
14
11.1
21
2.3
Personal/Background not dust-free
dust-free
5.2
4.6
Personal/Emission
1.5
1.9
not dust-free
dust-free
Arbetsmiljö för asfaltsläggare
• Mål: Karakterisera exponeringen i luften för
asfaltsläggare samt mäta biomarkörer i blodet.
Specifikt ska skillnad för asfalt vid olika
läggningstemperaturer studeras.
• Metod: Längs E20 utanför Örebro lägger
Trafikverket fyra olika beläggningar (totalt 40 km):
–
–
–
–
Vanlig asfalt, temperatur 160 ºC
Vanlig asfalt, temperatur 140 ºC
Gummiasfalt, temperatur 160 ºC
Gummiasfalt, temperatur 140 ºC
Asfaltsrök
APS
Gummiasfalt,sänkt temperatur, 140 ºC
Asfaltläggning
Bakgrund
11:45 Start mätning vid läggaren
15:30 Avbryter mätningarna
SMPS
Gummiasfalt, sänkt temperatur, 140 ºC
Asfaltläggning
bakgrund
11:45 Start mätning vid läggaren
15:30 Avbryter mätningarna
Preliminära lab.mätningar
Att mäta luftburna
nanopartiklar
Anders Gudmundsson
Ergonomi och aerosolteknologi
Lunds tekniska högskola
17
Inget nytt under solen
Det har alltid funnits nanopartiklar i människans
omgivning. När människan lärde sig göra eld,
tillverkade hon de första nanopartiklarna.
Det nya är att vi tillverkar nanopartiklar med
avsikt och med speciella egenskaper, vilket kan
användas i olika tillämpningar.
En nanopartikel har minst en dimension som är
mindre än 100 nm (0.1 mikrometer).
18
Luftburna partiklar
N
Pollen
Cloud Droplets
Cement damm
Fungal spores
Bacteria
Viruses
Metall fume
Diesel exhaust
Molecules
0.0001
0.001
Nanopartiklar
0.01
0.1
1
10
100
1000
Particle Size (µm)
Primärpartiklar
1 nm
50 µm
5 µm
0.1
µm
Vad är partikelstorleken?
Olika mätmetoder, baserade på
olika fysikaliska principer kommer
att ge olika partikelstorlek.
Viktigaste:
Ekvivalent Aerodynamisk
Ekvivalent Mobilitet
Varför är partikelstorlek så viktigt???? ►►►
Partikeldeponering i andningsvägarna
Mobilitet-diameter
Aerodynamisk-diameter
Sannolikhet
Totala
Näsa,mun
Alveolerna
Luftrören
Partikeldiameter (µm)
Fotograf: Lennart Nilsson
Sotpartikel (gul) deponerad i en alveol.
Sedimentation losses in a tube
• Penetration = Cout / Cin
• Losses = 1 - Penetration
Cin
Cout
Penetration (%)
Airflow
100
80
1 µm
60
2 µm
4 µm
40
8 µm
20
0
0
0,5
1
1,5
Lenght (m)
2
2,5
Impakaktorn
Separerar partiklar med
avseende på deras
aerodynamiska
partikeldiameter
Deposition av luftburna partiklar med avseende på
diffusion och sedimentation
Partikel
diameter
(µm)
Diffusion
Antal/cm2
Sedimentation
Antal/cm2
Kvot
Diffusion/
Sedimentation
0.001
2.5
0.00006
40000
0.01
0.25
0.0006
400
0.1
0.03
0.008
4
1
0.006
0.4
0.02
10
0.002
30
0.00006
100
0.0006
2500
0.0000002
Deposition av partiklar inomhus
Fastnar tillverkade nanopartiklar
i partikelfilter?
ENP = engineered nano particles
27
Filtereffektivitet
Uo = lufthastighet genom filter
U0=1 cm/s
Ccollected
E=
Cin
Effektivitet (%)
100
U0=10 cm/s
90
80
diffusion
Cin − Cout
=
Cin
impaktion
Cin
70
0.01
0.1
1
Aerodynamisk
Mobilites
Partikeldiameter (µm)
partikeldiameter
partikeldiameter
Cout
Forts. Filtereffektivitet
impaktion
TOTAL
Effektivitet (%)
100
diffusion
80
gravitation
60
40
20
interception
0.01
0.1
1
Partikeldiameter (µm)
10
Fiberstorleken minskar
100
tryckfall∝
Effektivitet (%)
df=0.5 µm
90
df=2 µm
80
df=10 µm
70
60
0.01
0.1
Partikeldiameter (µm)
1.0
𝑡𝑈0 α
𝑑𝑓 2
t=filtertjocklek
U0=lufthastighet
α=soliditet
df=fibertjocklek
SEM bilder av luftburna
agglomerat av ENP
0.2 µm
2 µm
1 µm
Kolnanorör
•
Results from emission measurement
CPC,
0.01 µm)
Ptrakemission
(>0.02 µ(>m)
APS, emission
(>0.5 µm)
APS
(>0.5 µm)
CPC, background
CPC
back (>0.01 µm)
Number concentration [cm-3]
10 000
1 000
100
1
3
2
4
10
1
NoBack
activity
00:10
00:00
HT
SDG
00:30
00:20
Time [hh:mm]
DMA
00:40
00:50
Luftens partiklar
Number
Gas-partikel övergång
Nukleeringsmod
Ackumuleringsmod
Förbränning
Agglomerering av nukleeringspart.
Volume
tillverkade nanopartiklar
Mekaniska processer
Nukleeringsmod
Nanopartiklar
Ackumuleringsmod
< 0.1 µm
Ultrafina partiklar < 0.1 µm
Fina partiklar < 1 µm
Grov
mod
jordstoft, slipning
Grova partiklar >1 µm
Olika kemiska sammansättningar
Jord- och väggdamm
förbränning
jordbruk
sot
Metallind.
vågdroppar
Fastnar nu tillverkade nanopartiklar i
filter?
Javisst, med hjälp av diffusion fastnar de
NANOpartiklar, men nu är inte alla nano utan de
finns också i agglomerat som har större
partikelstorlek.
36
Nanodevice
Uppdraget: Nya koncept och teknologier för tillverkning
av portabla och lättanvända instrument för mätning och
analys av tillverkade nanopartiklar i arbetsmiljön.
Lättanvända (Easy to use) - det svåra är inte att
använda instrument utan att veta:
 är mätningen representativ (i tid och rum,
tillfälligheter)
 har jag gjort allt rätt (flöde, inställningar, ..)
 hur ska mätresultaten tolkas
37
Realtidsmätningar
• Ger resultatet omgående, inom minuter
• Inget drygt efterarbete
• Kan analysera förändringar, snabba förlopp
och olika arbetsmoment.
Maria Hedmer och Linus Ludvigsson kommer senare
idag att redogöra för metoder som innebär insamling
och efterföljande analys.
38
Om vi visste att det bara våra tillverkade nanopartiklar som
fanns i luften kunde vi ta fram våra gamla kära trotjänare:
Condensation Particle Counter, som räknar alla partiklar
mellan ca 10 nm till 5000 nm (5 µm).
Med föravskiljare kan vi begränsa största partikel storlek och
mäta mellan 10 nm och 300 nm.
39
40
Antalskoncentration: Condensation Particle Counter
(CPC)





Minsta storlek: 3-20 nm (kan påverka uppmätt koncentration)
Största storlek: 1 µm till 5 µm
Max antalskoncentration: 50 000 part/cm3 – 1 000 000 part/cm3
Portabla eller handhållna
Kräver påfyllning av vätska: butanol (luktar illa), andra alkoholer eller vatten
Antalskoncentration med elektrisk mätmetod
MiniDisc, Matter Aerosol
Nanotracer, Aerasense
NanoCheck/ NanoDiff, Grimm
 10 till 300 nm
 Små, personburna, batteridrivna
 Lättanvända ”Easy to use”
 Beräknar antalskoncentration
 Kan uppskatta medelpartikelstorlek

Mäter strömmarna för att uppskatta antalskoncentrationen

Mäter skillnaden på strömmarna för att uppskatta medelpartikelstorlek
Elektrisk
laddare
mätbara strömmar
Finmaskigt nät
Filter
Figur av Martin Fierz
Antalskoncentration och medelpartikeldiameter
för stearinljus
Ref-metod,
avancerad CPC
Ref-metod,
avancerad CPC
Mätnoggrannheten är kring 10 - 50%
Dahl et al., 2009
Max koncentration
Partikelstorleksområde
-
Ref-metod,
CPC
3025A
avancerad CPC
MiniDisc
NanoCheck
Nano Tracer
Antalskoncentration vid väg
46
Partikelegenskaper som kan vara
relevanta för hälsoeffekter
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Antalskoncentration
Masskoncentration (PM 2.5, PM10, PM1)
Areakoncentration
Partikelstorleksfördelning
Kemisk sammansättning (Hundratusentals olika kemiska
föreningar kan finnas i partiklar!)
Biologiskt innehåll
Radioaktivitet
Vattenlöslighet
Hygroskopicitet
Form
Storleksfördelningar
SMPS-Scanning Mobility Particle Sizer
In: alla
storlekar
Storleksuppdelning
med hjälp av
partiklars
laddning
och elektrisk
avskiljning
-
-
konc.
Beräkning av dator
+
+
+
+
+
+
Be
diameter
Räknar antalet
CPC
Ut: en
storlek
48
Antalsfördelningar vid olika
aktiviteter i en lägenhet
frying sausages
400000
omelette 3 events
average
frying veg wok
3
dN/dlogdp (#/cm )
350000
300000
peeling tangerines
250000
peeling oranges
200000
frying onions
150000
party dinner +
candles
frying
100000
50000
average background
no active source
0
From
Wierzbicka
et al.
1
10
100
1000
Mobilty equivalent diameter (nm)
49
Areakoncentration – partiklarnas yta
• NSAM - Nanoparticle Surface Area Monitor
• Speciell laddning av partiklar och sedan mäts
elektriska strömmen
50
microAethalometer - Black Carbon -Sotmätningar
 Liten, batteridriven
 Mäter masskoncentration av
sotpartiklar.
 Mäter minskning av
ljusabsorptionen orsakat av
sotpartiklar som fastnat på
filter.
 Mätnoggranhet ±0.1 μg BC/m3,
Översikt av NanoDevice, ej kommersiella än
ENP= engineered nano
particles
Företag/
Institut
Dekati
(Finland)
Detektera
Arbetsnamn ENP
typer av ENP
Uppmätt partikelegenskap Detektionsteknik
Storleksområde Vikt
No
alla
activ partikelyta
elektrisk
10-3 000 nm
bärbar
No
alla
storleksfördel.,
fingeravtryck av struktur
elektrisk
20-450 nm
portabel
alla
storleksfördenlning
elektrisk + optisk
10 nm- 27 um
portabel
vibrerande fiber
+ramanspektroskopi
3 - 300 nm
bärbar
katalytisk aktivitet
katalytisk aktivitet+ IRanalys av bildade gaser
alla storlekar
portabel
antalskonc.
fysisk-kemisk förbehandling
+ optisk analys (patent)
alla storlekar
portabel
masskonc.
ramanspektroskopi
alla storlekar
bärbar
Naneum
SU/LTH
insamlare
avskiljare/insamlare, Näsa
efteranalys
efteranalys
2 - 5 000 nm
5-400 nm
bärbar
bärbar
SU/LTH
avskiljare/insamlare, Alveol efteranalys
20-5 000 nm
bärbar
TSI/UITA
(Duisburg)
NanoGuard
Grimm
Nanodevice
DTU,
(Danmark)
MEMS
KIT,
(Karlsruhe)
CAAM
Naneum
(England)
Fraunhofer
Ja (?)
Ja
Ja
Ja
CNT-detect
Ja
masskonc. och kemisk
alla, utom CNT sammansättning
alla med
katalytisk
aktivitet
CNT
(kolnanorör)
CNT
(kolnanorör)
Mycket annat också på gång t ex micro-resonans, micro-optik
52
Asbach et al., 2012 Comparability of portable nanoparticle exposure
monitors. Annals of Occupational Hygiene
CPCs
Partikelstorleksområde
MiniDisc
NanoTracer
NanoCheck
10-1000 nm
10-300 nm
10-300 nm
25-300 nm
Specificerad
koncentration
±20%
±30%
±1500 cm-3
±5%
Uppmätt
±20%
±30%
±30%
±30%
Specificerad
partikelstorlek
±30%
±10 nm
±5%
Uppmätt
±30%
±30%
±6% för ljus
> För sot
Luftburen smittspridning som
arbetsmiljö- och
patientsäkerhetsproblem
- ett nytt forskningsområde
Vilka möjligheter finns att genom samverkan mellan
områden som smittspridning/sjukhushygien, mikrobiologi,
aerosolteknologi, arbets- och miljömedicin, termisk miljö
med mera, öka förståelsen om luftburen smitta?
Frågeställning: Varför överförs smitta trots att god
vedertagen smittskyddspraxis tillämpas? Detta
gäller t ex för vinterkräksjuka (calcivirus).
Aerosolpartiklar: 1 nm -100 µm
Virus:
10 – 300 nm
Bakterier:
300 nm – 5 µm
Koncentrationer i inomhusmiljöer:
102 – 107 partiklar/cm3
Globen (100 µm)
knappnålshuvud (1 nm)
Bildning –transport -deposition
• Hur blir mikroorganismer luftburna?
Hosta, nysningar, kräkning, utandning, hudemissioner, hantering av textilier
(kläder, bäddning), uppvirvling från ytor, toalettspolning, tömning av kärl,
duschning etc.
• Hur transporteras mikroorganismer?
Brownsk diffusion, turbulent diffusion, ren konvektion, sedimentation, ”fria”
eller med andra partiklar
• Överlevnad?
Hur beror överlevnad på fuktighet (relativ och absolut), temperatur och närvaro
av värdpartikel (hudflaga, vattendroppe, oljedroppe, damm med högt
näringsinnehåll, sotpartiklar, förbränning i miljön, zeoliter, saltpartiklar).
Hur inverkar värdpartiklarnas partikelkoncentration och storleksfördelning?
• Upptag/Deposition?
Andningsvägar, ögon, hud.
Hur påverkas depositionen av om mikroorganismen är ”fri” eller finns på
värdpartikel?
• Behov av tillförlitliga och snabba mätmetoder – WIBS eller odlingar
• Medicinska faktorer – immunförsvar, slemhinnor (RH) etc.
Överlevnad
• Luftburna virus har sämst överlevnad för RH
mellan 40 och 75%.
• Utifrån modellförsök med marsvin. Testar hur
det översförs via luft mellan två fysiskt
avskilda grupper, men samma luft. Absolut
luftfuktighet viktigare än relativ!
• För bakterier än mer komplicerat!!!
WIBS – Wideband Integrated Bioaerosol Sensor
Tack till medarbetare på
Arbets- och miljömedicin
och
Ergonomi och
aerosolteknologi
Ekonomiskt stöd från
MetaLund, FAS och
NanoDevice
61