Att mäta m luftburna nanopartiklar Anders Gudmundsson Ergonomi och aerosolteknologi Lunds tekniska högskola 1
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). 2
Luftburna partiklar M o le c u le s N P o lle n Cloud Droplets Cement damm Fungal spores Bacteria Viruses Metall fume D iesel exhaust Nanopartiklar 0.0001 0.001 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 garna Mobilitet diameter Aerodynamisk diameter Totala Sannolikhet Näsa,mun Alveolerna Luftrören Partikeldiameter (µm)
Fotograf: Lennart Nilsson Sotpartikel (gul) deponerad i en alveol.
Luftens partiklar Gas-partikel övergång Number Nukleeringsmod Ackumuleringsmod Förbränning Agglomerering av nukleeringspart. tillverkade nanopartiklar Volume Nukleeringsmod Ackumuleringsmod Grov mod Mekaniska processer jordstoft, slipning Nanopartiklar < 0.1 µm Grova partiklar >1 µm Ultrafina partiklar < 0.1 µm Fina partiklar < 1 µm
Olika kemiska sammansättningar förbränning Jord- och väggdamm jordbruk vågdroppar sot Metallind.
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 9
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. 10
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. 11
12
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/cm 3 1 000 000 part/cm 3 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
Optiska mätinstrument Detekterar partiklar > 200 nm
Vilken storlek mäter ett optiskt mätinstrument? Spritt ljus Geometrisk diameter (um)
Antalskoncentration och medelpartikeldiameter för stearinljus Ref metod, avancerad CPC Ref metod, avancerad CPC Mätnoggrannheten är kring 10 50% Dahl et al., 2009
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 Beräkning av dator In: alla storlekar Storleksuppdelning med hjälp av partiklars laddning och elektrisk avskiljning - - - - - - - + + + + + + Ut: en storlek konc. Be diameter Räknar antalet CPC 21
Antalsfördelningar vid olika aktiviteter i en lägenhet dn/dlogdp (#/cm 3 ) 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 From Wierzbicka et al. 1 10 100 1000 Mobilty equivalent diameter (nm) frying sausages omelette 3 events average frying veg wok peeling tangerines peeling oranges frying onions party dinner + candles frying average background no active source 22
Areakoncentration partiklarnas yta NSAM Nanoparticle Surface Area Monitor Speciell laddning av partiklar och sedan mäts elektriska strömmen 23
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/m 3,
Översikt av NanoDevice, ej kommersiella än ENP= engineered nano particles Företag/ Institut Arbetsnamn Detektera ENP typer av ENP Uppmätt partikelegenskap Detektionsteknik Storleksområde Vikt Dekati (Finland) No alla activ partikelyta elektrisk 10 3 000 nm bärbar TSI/UITA (Duisburg) NanoGuard No alla storleksfördel., fingeravtryck av struktur elektrisk 20 450 nm portabel Grimm Nanodevice Ja (?) alla storleksfördenlning elektrisk + optisk 10 nm 27 um portabel DTU, (Danmark) MEMS Ja alla, utom CNT masskonc. och kemisk sammansättning vibrerande fiber +ramanspektroskopi 3 300 nm bärbar KIT, (Karlsruhe) CAAM Ja alla med katalytisk aktivitet katalytisk aktivitet katalytisk aktivitet+ IRanalys av bildade gaser alla storlekar portabel Naneum (England) Ja Fraunhofer CNT detect Ja CNT (kolnanorör) antalskonc. fysisk kemisk förbehandling + optisk analys (patent) alla storlekar portabel CNT (kolnanorör) masskonc. ramanspektroskopi alla storlekar bärbar Naneum insamlare efteranalys 2 5 000 nm bärbar SU/LTH avskiljare/insamlare, Näsa efteranalys 5 400 nm bärbar SU/LTH avskiljare/insamlare, Alveol efteranalys 20 5 000 nm bärbar Mycket annat också på gång t ex micro-resonans, micro-optik 25
Tack till medarbetare på p Arbets- och miljömedicin medicin och Ergonomi och aerosolteknologi Ekonomiskt stöd d från MetaLund, FAS och NanoDevice 26
Max koncentration Partikelstorleksområde Ref metod, - CPC avancerad 3025A CPC - MiniDisc - NanoCheck - Nano Tracer Antalskoncentration vid väg 27
Asbach et al., 2012 Comparability of portable nanoparticle exposure monitors. Annals of Occupational Hygiene Partikelstorleksområde Specificerad koncentration CPCs MiniDisc NanoTracer NanoCheck 10 1000 nm 10 300 nm 10 300 nm 25 300 nm ±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
Att mäta tillverkade nanopartiklar är som att hitta nålar i en höstack! 29 inomhusluft gränsvärde arbetsplats inomhusluft inomhusluft inomhusluft gränsvärde arbetsplats inomhusluft Att mäta att koncentrationen av tillverkade nanopartiklar är under gränsvärdet är en tuff uppgift!
Uppgiften är att hitta de tillverkade nanopartiklarna 30