Messung von ultrafeinen (Nano-) Partikeln am Arbeitsplatz

Messung von ultrafeinen (Nano-) Partikeln am Arbeitsplatz
Alexander Graff
ÖSBS, Leoben, Österreich
Einleitung und Historie
Mitte der 1990-er Jahre stieg einerseits das Interesse an ultrafeinen Aerosolen in der Umwelt und in Folge dessen
am Arbeitsplatz, andererseits wurde im Bereich der Forschung und Industrie die Messtechnik auf einen Stand
gebracht, mit dem Anwender recht einfach und rasch Nanopartikel erfassen und beurteilen können. Vorerst
befassten sich die Wissenschaftler mit Dieselmotoremissionen (DME), welche am Arbeitsplatz – vor allem
Untertage – ein bedeutendes gesundheitsschädliches - kazerogenes - Potential aufweisen.
Im selben Zeitraum (1994 - 2000) wurde durch die SUVA (Schweizerische Unfallversicherungsanstalt, CH),
AUVA (Allgemeine Unfallversicherungsanstalt, A) sowie ÖSBS (Österreichische Staub-(Silikose-)
Bekämpfungsstelle, A), TBG (Tiefbau-Genossenschaft, D) und BUWAL (Bundesamt für Umwelt, Wald und
Landschaft, CH) das Projekt VERT (Verminderung der Emissionen von Real-Dieselmotoren im Tunnelbau)
durchgeführt. Ziel war es im Hinblick auf die großen Tunnelbauvorhaben (Gotthard, Lötschberg und Brenner)
die Dieselmotor- und Partikelemissionen, denen die Arbeitnehmer ausgesetzt sind, zu minimieren. In
umfangreichen Studien und Feldversuchen sowie bei unzähligen Messungen in den Schweizer Laboratorien
(ETH Zürich, EMPA, etc.) versuchte man, die emittierten ultrafeinen Aerosolteilchen zu charakterisieren und zu
spezifizieren. Seit damals stehen der Messtechnik einige Systeme zur Verfügung, welche sich zum Teil zu
internationalen Standards weiterentwickelt haben.
In den letzten Jahren hat sich die Aufmerksamkeit und das Interesse auch auf die künstlich hergestellten
ultrafeinen Partikel gerichtet (Stichwort: man-made-particles). Da weder arbeitsmedizinische Erfahrungen im
Umgang mit solchen Materialien vorliegen, noch die eigentlichen Prozeßparameter in der sogenannten
Nanotechnologie eindeutig feststehen, ist aus Sicht des Arbeitsschutzes Vorsicht geboten, um in Zukunft nicht in
ähnlicher Weise wie bei Asbest Schiffbruch zu erleiden.
Definitionen und Eigenschaften
Partikelbeladene Gase sind Mehrphasengemische oder Aerosole. Das Gas ist dabei die kontinuierliche Phase, in
welcher die Partikel dispergiert verteilt sind. Je nach Durchmesser (bzw. Größe) und Aggregatzustand spricht
man von Stäuben, Rauchen und Nebel.
• Staub ist eine disperse Verteilung fester Stoffe in Luft
• Rauch ist eine disperse Verteilung feinster fester Stoffe in Luft
• Nebel ist eine disperse Verteilung flüssiger Stoffe in Luft
Voraussetzung ist, dass die Partikel so klein sind, dass sie durch das umgebende Gas – insbesondere Luft – in
Schwebe gehalten werden. Die geometrische Definition ist bei Partikeln dieser Art nicht sinnvoll; man
unterscheidet zwei Definitionen, je nachdem, wie sich die Partikeln im Gas physikalische verhalten:
• Aerodynamische Äquivalent-Durchmesser dae
Teilchen gehorchen dem Stokeschen Gesetz (500 nm < dae < 63 µm). Dies entspricht grob den
klassischen Definitionen von einatembaren (E) und alveolengängigen Staub (A) (siehe Abb. 1) bzw.
PM 10, PM 2,5 und PM 1,0 im Bereich der Umwelt-Immission-Messtechnik (PM … Particulate
Matter).
• Diffusions-Äquivalent-Durchmesser ddiff
Teilchen werden durch die Brown’sche Molekularbewegung in Schwebe gehalten. In diesem Fall
befindet man sich im Bereich der ultrafeinen Aerosolteilchen.
Der Übergang von der Sedimentation zur Diffusion findet bei einer Teilchengröße von ca. 500 nm statt. In
diesem Bereich weist auch die menschliche Lunge ein Minimum in der Depositionswahrscheinlichkeit auf.

Abb. 1: Arbeitsmedizinisch-toxikologisch relevante Anteile des Aerosols (Quelle DFG)
1 µm = 0.001 mm
1 nm = 0.001µm
Größenverteilung [µm]
E A
1000 100 10
1
0.1 0.01 0.001
Regentropfen
Pollen
Haar
Bakterien Viren
Quarzstaub
Holzstaub
Schweißrauch
Abb. 2: Größenverteilungen in µm (1 µm = 10 -6 m)
Zigarettenrauch
Dieselruß
Rauche
Moleküle
Ultrafeine Aerosol-Teilchen
Im Jahr 1999 veröffentliche die DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) zum ersten Mal in ihrer jährlich
erscheinenden MAK- und BAT-Werte-Liste (Maximale Arbeitsplatzkonzentrationen und Biologische
Arbeitsstofftoleranzwerte) eine umfassende Definition ultrafeiner Aerosolteilchen, bei deren Entstehung die
ÖSBS in Zusammenarbeit mit deutschen und schweizerischen Institutionen (BGIA ...
Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit D; IGF … Institut für Gefahrstoffforschung, D; SUVA)
mitwirkte. Auch die internationale Messkonvention aus dem Jahr 2007 (siehe Gefahrstoffe - Reinhaltung der
Luft 67 (2007) Nr. 6 Seite 243) wurde unter Mitarbeit der Österreichischen Staub-(Silikose-) Bekämpfungsstelle
in Leoben verfasst.
Definition DFG:
Für die Charakterisierung des Gefährdungspotentials der ultrafeinen Partikel (Diffusions-Äquivalentdurchmesser
< 100 nm (=10 -7 m)) unter Einbeziehung ihrer Aggregate und Agglomerate sind drei Tatsachen von Bedeutung:

• Die Partikel entstehen im Wesentlichen bei Verbrennungsprozessen und Gasphasenreaktionen.
• Die Depositionsmechanismen im Atemtrakt hängen von der Brown’schen Molekularbewegung ab.
• Die Wirkung der Partikel im Atemtrakt steigt weniger massenproportional als mit der
Partikeloberfläche oder der Anzahlkonzentration.
Im dritten Punkt der Definition wird ein grundlegend anderes und weitreichendes Beurteilungskriterium an- und
eingeführt. In diesen Größenordnungsbereichen ist nicht mehr die Masse – in mg/m³ wie zum Beispiel in der
einatembaren Staubfraktion (E) – sondern die Teilchenanzahl (N/cm 3 ) bzw. deren Verteilungsdichte die
entscheidende Einflussgröße.
Sind zum Beispiel 80 % der gesamten Teilchenzahl einer Partikelgrößenverteilung kleiner als 100 nm, so
entsprechen diese weniger als 1 % der gesamten Teilchenmasse.
Nachfolgend werden noch einige Eigenschaften ultrafeiner Aerosol-Teilchen angeführt.
• Bei einem Durchmesser von 500 nm erfolgt der Übergang von der Sedimentations- zur
Diffusionsabscheidung.
• Durch Sintern entstehen Aggregate und durch Zusammenlagern Agglomerate. In beiden Fällen kann der
Durchmesser über 500 nm ansteigen (siehe Abb. 3).
• Agglomerierte Teilchen können im Atemtrakt wieder zerfallen.
• Agglomerate/Aggregate haben eine große spezifische Oberfläche ("aktive Oberfläche"), an der adsortiv
andere Substanzen gebunden werden können.
• Verbrennungspartikel ändern ihre Eigenschaften erst nach sehr langer Zeit – z.B. durch
Sonneneinstrahlung
• Bei DME (Russ) wird die größte Teilchenkonzentration zwischen 50 und 90 nm erreicht.
• Russpartikel sind weitgehend hydrophob. Somit dienen sie nicht als Kondensationskeime, weder in Luft
noch in der gesättigten Atmosphäre der Atemwege.
• Die Depositionswahrscheinlichkeit im Atemtrakt ist bei Teilchen von 500 nm Größe ein Minimum.
• Das Maximum der Deposition ist auf Grund der hohen Beweglichkeit bei Teilchendurchmessern von 20
bis 50 nm gegeben.
Abb. 3: Dieselrusspartikel (Agglomerate bzw. Aggregate) im Transmissionselektronenmikroskop (Quelle: ETH-
Conference on Combustion Generated Nanoparticles)
Ultrafeine Aerosolteilchen an Arbeitsplätzen
Als Quellen ultrafeiner Partikel im Bereich der Arbeitswelt gelten:
• Diffuse Quellen (Verkehr, Industrie, Brände, etc.)

• Abgas von Verbrennungsprozessen
• Partikelförmige Dieselmotoremissionen (DME)
• Technische Ruße
• Laserrauche
• Schweißrauche
• Metallrauche
• Polymerrauche
• Amorphe Kieselsäure
• Nanotechnologie
Bei solchen Prozessen entstehen Primärteilchen mit Durchmessern von wenigen Nanometern. Durch
Zusammenlagerung und Versintern können sowohl bei der Entstehung als auch in weiterer Folge durch
Koagulation größere Teichen gebildet werden (siehe Abb. 4).
Abb 4: Das atmosphärische Aerosol (Quelle: Sichere Arbeit 1/1998)
Im Nachfolgenden werden kurz einige Ergebnisse aus verschiedenen Projekten, welche in der ÖSBS
durchgeführt wurden, dargestellt (siehe hierzu Vortrag).
Vorab soll aber noch das Meßsystem kurz vorgestellt werden. Es handelt sich hierbei um ein SMPS (Scanning
Mobility Particle Sizer; siehe hierzu ÖSBS-Stand sowie Abb. 5) der amerikanischen Firma TSI Inc., welches auf
Grund der Größe des Messbereichs mit den unten angeführten Geräteeinstellungen betrieben wurde:
• Impaktor: 0,0457 cm
• Volumenstrom der Sheath-Air: 3,0 l/min
• Ansaugrate des Aerosols: 0,3 l/min
• Charge Correction
• Upscanzeit: 120 s
• Downscanzeit: 30 s
• Messbereich: (14 – 673) nm
• Software-Version 3.2 bzw. AIM 5.3

Abb. 5: Das SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) der ÖSBS
Partikelkonz. / cm -3
1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04
1.0E+03
1.0E+02
Schuttern, Spritzbeton
Schuttern, Spritzbeton, Vortrieb
Fahrbetrieb
10 100 1000
dm / nm
Abb. 6: Partikelanzahlverteilungen im Tunnelvortrieb bei verschiedenen Arbeitsvorgängen. Die Fahrzeuge sind
mit DFP (Dieselpartikelfilter) ausgerüstet.

11:45
14:14
16:52
19:21
21:51
Abb. 7: 24-Stunden-Profil während der Betonarbeiten (Schalungen) in einem Tunnelbauvorhaben.
Partikelkonz. / N cm -3
1,4E+07
1,2E+07
1,0E+07
8,0E+06
6 ,0E+06
4 ,0E+06
2 ,0E+06
Zeit
0,0E+00
08:03
08:28 08:53
Abb. 8: Partikelanzahlverteilungen in einer Raumschießanlage der Exekutive
09:18
1:00
09:43
Zeit
3:30
10:08
10:3 3
6:00
10:58
8:51
11:21
14.6
30.0
61.5
2000000-2500000
1500000-2000000
1000000-1500000
500000-1000000
0-500000
126.3
259.5
d / nm
532.8
12000000-14000000
10000000-12000000
8000000-10000000
6000000-8000000
4000000-6000000
2000000-4000000
0-2000000
2.5E+06
2.0E+06
1.5E+06
1.0E+06
5.0E+05
0.0E+00
181,1259,5371,8532,8
126,3
88,2
61,5
42,9
30,0
11:23 20,9
14,6 d / nm
Partikelkonz. / N cm -3

Partikelkonz. / N cm -3
1.0E+08
1.0E+07
1.0E+06
1.0E+05
1.0E+04
1.0E+03
Vergleich der Konzentration von ultrafeinen Teilchen im Zigarettenrauch und am Arbeitsplatz
1.0E+02
10 100 1000
Abb. 9: Partikelanzahlverteilung bei der Herstellung und Abfüllung von Metallpulver (< 320 nm Durchmesser,
blaue Linie) im Vergleich zu Zigarettenrauch (rote Linie)
Partikelkonz. / N cm -3
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
d / nm
Printing Room,
5 Farblaserdrucker
Zigarettenrauch
Arbeitsplatzkonzentration
1.E+01
10 100 1000
d / nm
Abb. 10: Partikelanzahlverteilung in einem Printing-Room (≈ urbanen Verhältnissen)

Literatur:
1. Mayer, A (2000): VERT Abschussbericht., TTM-Bericht W01/01/2000.
2. DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft (jährlich): MAK- und BAT-Werte-Liste.
3. Seinfeld, John H. (1998): Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change.
4. Graff, A.; Manhart, I; Mlekuz, Th.; Pils, P.; Schuster A. (2004): Ultrafeine Aerosole im Tunnelbau – Messergebnisse und
medizinische Auswirkungen mit Schwerpunkt Betonausbau. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft, 64 (2004) Nr. 1/2, Seite 41
- 47
webtipps:
www.oesbs.at
www.suva.ch
www.dguv.de/bgia/de/index.jsp
www.tsi.com
www.akpf.org