Characterization of aerosols and nanoparticles released during various indoor and outdoor human activities

Sysoltseva, Marina; Scheu, Christina (Thesis advisor); Schneider, Jochen Michael (Thesis advisor); Fromme, Hermann (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Menschen sind ununterbrochen verschiedenen Partikelarten ausgesetzt, zum Beispiel Partikel, die durch Fahrzeugemissionen, Verbrennung von fossilen Brennstoffen (Außenluft), Rauchen und Kochen (Innenraum) freigesetzt werden. Benutzung von diversen Haushaltsgeräten trägt zur Erhöhung der Partikelkonzentrationen in Innenräumen bei. Die Exposition gegenüber Fein- und Ultrafeinstaub wird mit gesundheitsschädlichen Auswirkungen in Verbindung gebracht. Die negativen Auswirkungen hängen von der Partikelgröße, deren Form und der chemischen Zusammensetzung ab. Der erste Teil der vorliegenden Doktorarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung von Partikeln, die während diversen Prozessen entstehen. Zuerst wurden Emissionen verschiedener Föhne und Bügeleisen in einer Prüfkammer untersucht. Es wurden die Partikelanzahl- und die Partikelvolumenkonzentration und die Größenverteilung der Aerosolpartikel gemessen. Die von den getesteten Elektrogeräten freigesetzten Teilchen wurden gesammelt und mit Hilfe der Elektronenmikroskopie, der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und der Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung untersucht. Alle untersuchten Elektrogeräte setzten eine beträchtliche Menge an Ultrafeinstaub frei. In der Partikelemission der Föhne wurden kupferhaltige Partikel gefunden. Verschiedene flüchtige organische Verbindungen wurden sowohl in den Emissionen der Föhne als auch in denen der Bügeleisen nachgewiesen. Aus diesem Grund kann eine Benutzung dieser Haushalsgeräte wesentlich zur persönlichen Partikelexposition beitragen. Deswegen wird empfohlen, die Räume während und nach der Benutzung eines Föhns oder eines Bügeleisens gut zu lüften. In der vorliegenden Arbeit wurden zudem die Verschmutzungen der Luft während zweier Silvesterfeuerwerke 2015/2016 und 2016/2017 untersucht. Die luftgetragenen Partikel, die durch Feuerwerke freigesetzt wurden, wurden gesammelt und mittels der Elektronenmikroskopie und der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma untersucht. Es wurde festgestellt, dass Proben, die an den Tagen mit den Feuerwerken gesammelt wurden, eine große Anzahl an Partikeln aus Kaliumsulfat oder Kaliumsulfit (bis zu 93%) enthielten. Die Konzentrationen der anderen Metalle in der Luft waren an Tagen mit Feuerwerken ebenfalls deutlich höher als an einem Tag ohne eine Belastung durch Feuerwerke. Um die Exposition durch die metallhaltigen Partikel, die durch Feuerwerk in die Luft gelangen, zu minimieren, ist zu empfehlen alle Fenster während und einige Stunden nach einem Feuerwerk geschlossen zu halten. Als nächstes wurde die Exposition der Mitarbeiter und der Besucher durch Feinstaub in acht Indoor Go-Kart Bahnen untersucht. Ein breites Spektrum an Aerosolcharakteristiken wurde gemessen, unter anderem Partikelanzahl-, Partikelvolumen- und Partikelmassenkonzentration und Partikelgrößenverteilung. Es wurde festgestellt, dass alle Arbeitsplätze stärker als Zuschauerbereiche durch PM10 und PM2,5 belastet sind. Höchste Werte für PM10, PM2,5 und die Partikelanzahlkonzentration wurden in der Go-Kart Bahn mit den flüssiggasbetriebenen Go-Karts festgestellt. Es wurden verschiedene Metalle in den Luftproben der Indoor Go-Kart Bahnen nachgewiesen. Eisen war mit einer Konzentration von bis zu 5,6 µg/m³ das häufigste Metall. Außerdem wurden mittels der Elektronenmikroskopie Agglomerate aus Eisen und anderen Metallen in Partikelproben aller Go-Kart Bahnen detektiert. Rußpartikel wurden in großen Mengen in fast allen Proben nachgewiesen mit Ausnahme von derer, die bei der elektrischen Go-Kart Bahn gesammelt wurden. Um den negativen gesundheitlichen Einfluss zu minimieren, wird empfohlen, in Indoor Go-Kart Bahnen nur elektrisch betriebene Go-Karts einzusetzen und auf bessere Lüftungsverhältnisse zu achten. Der letzte Teil der Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Nano-Titandioxid, das in Sonnenschutzmitteln als physikalischer (mineralischer) Filter eingesetzt wird. Gemäß der Empfehlungen der Kosmetikverordnung Nr. 1223/2009 müssen alle in einem kosmetischen Produkt vorhandenen Nanomaterialien deutlich gekennzeichnet werden. Aus diesem Grund ist es wichtig über analytische Techniken zu verfügen, die empfindlich genug sind und die nötige Auflösung für die Charakterisierung von Nanopartikeln in den Sonnencremes aufweisen. Die Sonnencremes enthalten verschiedenste Komponenten, die eine Abbildung der TiO2-Teilchen ohne vorherige Probenvorbereitung erschweren. Deswegen wurden verschiedene Entfettungsmethoden getestet und anschließend eine neue Methode entwickelt. Nach dieser Probenvorbereitung ist es gelungen Titandioxid Partikel, aus allen getesteten Sonnencremes, mittels der Elektronenmikroskopie abzubilden und zu charakterisieren. Sechs Sonnencremes, die als titaniumdioxidhaltig gekennzeichnet wurden, wurden untersucht. Es wurden nur in fünf Produkten Titaniumdioxid-aggregate gefunden. Die Größe der Primärpartikel lag unter 100 nm. Die gewonnenen Erkenntnisse können unter anderem bei einer Qualitätskontrolle der fertigen Produkte oder auch bei der Überwachung der richtigen Kennzeichnung gemäß der Kosmetikverordnung nützlich sein.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]

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