Entwicklung eines miniaturisierten Probenahmesystems für die Probenahme von Dampf-/Tröpfchengemischen

Status:

abgeschlossen 11/2014

Zielsetzung:

In der Regel liegen Stoffe an Arbeitsplätzen entweder als Gas/Dampf oder als kondensierte Phase in Form von Tröpfchen oder Partikeln vor. Es gibt jedoch auch Stoffe, bei denen diese klare Einteilung nicht gültig ist. Dabei handelt es sich um Stoffe, die bei Raumtemperatur einen geringen, aber nennenswerten Dampfdruck aufweisen. Es kann sich hierbei sowohl um Flüssigkeiten als auch um sublimierende Feststoffe handeln. Bei der Ermittlung der inhalativen Exposition dieser Stoffe ist immer zu berücksichtigen, ob durch das Arbeitsverfahren ein Aerosol gebildet werden kann.

Für Stoffe mit einem Dampfdruck bei Raumtemperatur zwischen 0,001 Pa und 100 Pa sollte daher generell ein Probenahmeverfahren verwendet werden, bei dem Dampf und Aerosol zusammen in einem Probenahmesystem erfasst werden. Allgemein fallen Flüssigkeiten mit einem Siedepunkt zwischen 180 und 350 °C in diese Kategorie. Für das Aerosol ist dabei ein Probenahmesystem für die einatembare Fraktion zu wählen.

Der Stoffaustausch zwischen Dampf und kondensierter Phase ist ein dynamischer Prozess, der durch äußere Einflüsse, wie Temperatur, Luftströmung u. ä. ständig beeinflusst wird. Die Verteilung des Stoffes zwischen Dampf- und Partikelphase ist nicht konstant und somit nicht zu ermitteln. Daher muss stets die Summe aus Dampf und Aerosol bestimmt und beurteilt werden. Das Vorgehen ist ausführlich in folgender Norm beschrieben: DIN EN 13936 "Exposition am Arbeitsplatz - Messung eines als Mischung aus luftgetragenen Partikeln und Dampf vorliegenden chemischen Arbeitsstoffes - Anforderungen und Prüfverfahren".

Für diese kombinierten Probenahme von einatembarer Aerosol- und Dampfphase sollte ein neues Probenahmesystem entwickelt werden, das bei relativ geringen Volumenströmen von 0,066 bis 0,5 l/min eingesetzt werden kann. Das ermöglicht die Kombination von Filtern mit handelsüblichen Adsorptionsröhrchen, ohne dass eine Umstellung der Methoden für die Dampfphase notwendig wird.

Aktivitäten/Methoden:

Als Volumenstrom wurde zunächst 0,333 l/min gewählt, da dies bei Arbeitsplatzmessungen der Unfallversicherungsträger (UVT) für die Probenahme organischer Stoffe die häufigste Ansaugrate ist. Durch leicht austauschbare Ansaugkegel wurde der neue GGP-Mini jedoch flexibel gestaltet, sodass auch andere Ansaugraten, im Bereich von 0,066 bis 0,5 l/min, möglich sind.

Die Eignung des neuen Probenahmekopfes für die Sammlung organischer Stoffe musste überprüft werden. Dazu sollten zunächst Laborversuche durchgeführt werden, bei denen eine Reihe von infrage kommenden Substanzen unmittelbar auf den Filter aufdosiert wurden. Dabei wurden auch Versuche bei unterschiedlichen Luftfeuchten und Versuche zur Lagerfähigkeit gemacht. In einem weiteren Schritt sollten am Flow-Tube-Reaktor des Helmholtz-Zentrums in München adäquate Versuche durchgeführt werden, um die Laborergebnisse zu verifizieren. Außerdem waren Untersuchungen am Staubkanal des IFA notwendig, um das Abscheideverhalten des Probenahmekopfes zu testen.

Nach erfolgreicher Testung und Etablierung des neuen Proebnahmesystems sollten alle Verfahren für Gefahrstoffe mit "kritischen" physikalischen Eigenschaften auf das neue System umgestellt werden.

Ergebnisse:

Im Rahmen des Projekts wurde ein neues Probenahmesystem für die Probenahme von Dampf-/Partikelgemischen entwickelt und validiert.

Dafür wurde zunächst ein Probenahmekopf für die einatembaren Aerosole für den Einsatz bei geringen Volumenströmen entwickelt. Der Probenahmekopf ist aus Edelstahl gefertigt und hat einen Gesamtdurchmesser von 22 mm und eine Länge von 40 mm. Zusätzlich zum eigentlichen Probenahmekopf gibt es eine 170 mm lange Kunststoffhülse zur Aufnahme des jeweiligen Sammelröhrchens. Die Tröpfchen werden auf einem 13-mm-Filter abgeschieden. Die Verbindung zum Absorptionsröhrchen, auf dem die Dämpfe abgeschieden werden, wird durch ein kurzes Schlauchstück hergestellt.

Für die Laborversuche wurden elf Substanzen ausgewählt. Alle Laborversuche wurden mit einem Volumenstrom von 0,333 l/min durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Summe aus Dampf und Tröpfchen stets eine gute Wiederfindung ergibt. Die Streuung der Summenwerte ist deutlich niedriger als die Streuung der teilweise sehr abweichenden Einzelwerte für Filter und Aktivkohleröhrchen. Besonders auffällig ist das bei Stoffen, die sich in nennenswerten Mengen sowohl auf dem Filter als auch auf dem Aktivkohleröhrchen nachweisen lassen. Das ist insbesondere für Diethylenglycolmonobutylether, Diethylenglycol, Triethylenglycolmonomethylether und n-Hexadecan der Fall.

In weiteren Versuchen wurden Konzentrationsänderungen, Einfluss der Luftfeuchte und Temperaturabhängigkeit untersucht. Alle Versuche zeigen, dass die Umgebungsbedingungen bei den "kritischen" Stoffen einen großen Einfluss auf die Einzelwerte für Filter und Adsorptionsröhrchen haben, während die Summe aus beidem konstant bleibt.

Untersuchungen zur Lagerfähigkeit ergaben im Verlauf einer vierwöchigen Lagerung keine Verluste. Eine Versuchsserie am Flow-Tube-Reaktor des Helmholtz-Zentrums in München diente zur Absicherung der Laborergebnisse. Ein Tröpfchen-Aerosol definierter Größe und Zusammensetzung wird in einen Primärgasstrom eingeleitet. Die Vergleichsversuche mit dem Flüssigaerosol zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den Resultaten aus den Laborversuchen.

Die Untersuchungen der Staubsammeleigenschaften des Probenahmekopfes zeigen, dass im Vergleich zum bereits etablierten GSP-Probenahmesystem das neue Mini-GSP-System zu wenig sammelt. Die Erfassung von einatembaren Stäuben liegt bei einem Volumenstrom von 0,333 l/min und einer Ansauggeschwindigkeit von 1,25 m/s im Vergleich zum GSP-System bei 50 %. Durch eine Steigerung der Ansauggeschwindigkeit kann die Erfassung auf mehr als 90 % verbessert werden. D. h., für die Ansaugrate von 0,333 l/min ist die Öffnung des Probenahmekopfes leicht zu modifizieren (zu verkleinern).

Sowohl die Laborversuche als auch die Testserie am Flow-Tube-Reaktor belegen, dass es unbedingt notwendig ist, Dampf- und Partikelphase zusammen mit einem Probenahmesystem zu bestimmen, denn nur die Summe aus beidem liefert reproduzierbare Ergebnisse. Die Versuche bestätigen, dass das entwickelte Probenahmesystem geeignet ist, die Summe aus Dampf- und Partikelphase verlässlich zu sammeln. Die Standardverfahren für die "kritischen" Stoffe, wie z. B. Diethylenglycol, Triethylenglycolmonobutylether und n-Hexadecan müssen im Messsystem Gefährdungsermittlung der Unfallversicherungsträger entsprechend auf das neue System umgestellt werden.

Stand: