Remember the small giants - Occupational exposure and characterization of aerosol particles

Abstract

BACKGROUND: Exposure to airborne particles in occupational environments can lead to both acute and long-term health effects in humans. To date, particle exposure limits in the air are typically given in terms of mass concentrations. But by only using mass concentration to characterize particles means there is a risk that other relevant characteristics, such as particle size and composition are concealed. This is argued to be the case for exposure to engineered nanoparticles (ENP), which are particles tailored to possess unique properties. The aim of this thesis is to provide knowledge to improve the characterization and risk assessments of particle emissions in selected occupational environments.



METHODS: 1) In a diesel exhaust exposure chamber study, several techniques were combined to determine a wide range of particle characteristics, including particle number, surface, mass, chemistry and morphology. 2) In a hairdresser exposure chamber study, the emissions of particles and persulfate salts during hair bleaching were characterized. 3) In two field studies, the emissions of ENPs in two different production facilities were characterized by filter sampling and by direct reading instruments. A laser vaporization aerosol mass spectrometer (LV-AMS) was used for both selective sampling of emitted particles based on their composition, and for in-situ analysis of ENPs inside the production line.



RESULTS: 1) If diesel exhaust particles are assumed to be spherical, the estimated particle mass concentration from number concentration was overestimated by 261% compared to if their aggregated structures were considered. 2) During the application of hair bleaching, large particles (> 10 µm) were emitted from both bleach powder that was classified as dust-free and powder that was not. 3) Particles emitted during the maintenance of ENP production equipment were predominantly highly agglomerated with nanostructured surfaces, consisting of nanoparticles grown together to larger scales (> 1 µm). With the LV-AMS, emissions were correlated to specific particle types and interferences from background particles could be avoided.



CONCLUSIONS: The ability to compare different diesel exhaust exposure studies will increase if methods are utilized that allow the characterization of particle size, shape, morphology and chemistry and that include different concentration metrics. Exposure assessments of ENP production facilities and hairdresser salons should include methods for coarse particle sampling. LV-AMS is a promising method for selective sampling of emitted particles in occupational environments, and for in-situ analysis of particle production. But the LV-AMS’s cost efficiency, practicality, and capability to sample coarse particles need to be extended. Accurate exposure assessments should cover a wide particle size range in order to find the nanoparticles that hide in the form of bigger particles.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Partiklar som finns i luften och som vi andas in kan leda till negativa hälsoeffekter bland oss människor. I varje andetag andas vi in tusentals partiklar som tar sig ner i våra luftvägar. Det är normalt. Våra kroppar har försvarsmekanismer som tar hand om och oskadliggör partiklar som vi andas in och som fastnar i våra andningsvägar. Vid för höga halter av partiklar i luften kan vårt försvar dock vara otillräckligt. Extra stora problem har kanske vårt försvar med att ta hand om partiklar som tillverkats av oss människor själva.



Oftast är det de allra minsta partiklarna, de så kallade nanopartiklarna, som får mycket uppmärksamhet. Den här avhandlingen visar att det inte alltid är lämpligt att helt fokusera på de i luften fria nanopartiklarna när man vill studera sambandet mellan luftburna partiklar och hälsoeffekter. Större partiklar kan i till exempel många arbetsmiljöer vara minst lika viktiga att ta hänsyn till.



I en studie av frisörer som bleker hår mätte vi att ett så kallat dammfritt blekmedelspulver ger upphov till partiklar i luften. Dessa partiklar består till stor del av persulfat som kan leda till besvär med andningsvägarna. Ett pulver som är klassat som dammfritt hjälper till att minska partikelhalterna i luften vid omblandning av pulver och väteperoxid, vilket sker innan appliceringen i håret utförs. Men under appliceringen av blekmedlet i håret betyder valet av pulver inte någon större roll. Detta eftersom luftburna partiklar bildas oavsett vilket pulver som används. De partiklar som släpps fria till luften under appliceringen har en storlek som gör att de har en låg sannolikhet att ta sig djupt ner i andningsvägarna, men de kan fastna i de övre luftvägarna varifrån de kan ge upphov till problem.



Vid rengöring av utrustning som används för att tillverka nanopartiklar bestående av metall mättes det att stora partiklar, bestående av tusentals löst sammansatta nanopartiklar frigjordes till luften. Storleken på de större partiklarna var sådan att de har en relativt hög sannolikhet att nå långt ner i luftvägarna, precis som fria nanopartiklar. Om man antar att de stora partiklarna kan brytas upp i de mindre ursprungliga nanopartiklarna efter att de fastnat i lungorna innebär det att en enda inandad stor partikel kan ge upphov till ett hundra till tusenfalt antal nanopartiklar i kroppen. Stora partiklar som innehåller nanopartiklar dominerade även partikelemissionerna på en annan arbetsplats där andra typer av nanopartiklar, så kallade kolnanorör tillverkades och behandlades mekaniskt.



Dieselavgaser är något som de flesta av oss exponeras för, inte bara på arbetsplatser utan även i vår vardagliga miljö. Avgaserna består av både skadliga gaser och skadliga partiklar. I många medicinska studier av dieselavgaser används främst total masskoncentration, det vill säga mikrogram partiklar per kubikmeter luft, som ett mått på exponeringen. I denna avhandling betonas det att detta kan vara missvisande vid jämförelse av resultat från olika medicinska studier. Detta eftersom antalet partiklar i luften och densiteten på partiklarna kan variera i olika exponeringsstudier, även om exponeringen med avseende på masskoncentrationen är densamma. I framtida studier gällande dieselavgaser och hälsoeffekter bland människor är det därför viktigt att beskriva partiklarna i dieselavgaser på fler sätt än endast genom hur mycket de väger.



För många partikeltyper är det idag okänt vid vilka koncentrationer som de kan leda till negativa hälsoeffekter. Det är också ofta okänt vilka mekanismer i kroppen som ligger bakom observerade hälsoeffekter. Att dieselavgaser är skadliga är något som idag är känt men kunskapen om vad det är som gör avgaserna eller partiklarna i avgaserna farliga är inte fullständig. En förhöjd masskoncentration av partiklar i luften har i flera fall visat sig ha en korrelation till ökad förekomst av negativa hälsoeffekter bland människor. Men för vissa partikeltyper, till exempel nanopartiklar, kan tillåtna gränsvärden givna enbart som masskoncentrationer vara otillräckliga. Detta eftersom andra egenskaper, som till exempel antal partiklar, yt-area eller kemisk sammansättning på partiklarna kan vara viktiga för hur de påverkar den mänskliga hälsan. Stora partiklar som består av nanopartiklar kan kanske ge samma eller liknande effekter i kroppen som fria nanopartiklar.



På arbetsplatser kan exponering för kemikalier eller partiklar ske i koncentrationer som man i andra miljöer inte utsätts för. De typer av kemikalier eller partiklar som används på arbetsplatser kan ofta också vara sådana som inte finns i andra miljöer. Ett exempel är kolnanorör. Sådana partiklar används till exempel som tillsats i olika konstruktionsmaterial eftersom de kan ge en ökad materialhållfasthet. Formen på kolnanorör gör att de är snarlika med asbestfiber, vilka är toxiska på grund av sin kemiska sammansättning och fiberform. Huruvida kolnanorör kan klassas som lika skadliga som asbestfiber är dock idag osäkert. De har liknande fiberform, men har till exempel en annan kemisk sammansättning. Osäkerheten kring partiklars hälsoeffekter innebär att riktlinjer och regler för användning och spridning, inte bara av kolnanorör utan av nanopartiklar generellt, ofta är otillräckliga.



Ny kunskap om exponering på arbetsplatser och eventuella hälsoeffekter är viktigt. Detta för att undvika att inte bara arbetstagare, utan även övriga allmänheten blir exponerade för partiklar som är bevisat skadliga, eller som en dag kan visa sig vara skadliga om de andas in. Den här avhandlingen ger ny kunskap om hur exponeringen av partiklar på olika typer av arbetsplatser kan se ut. Den nya kunskapen kan användas i riskanalyser inom de givna arbetsplatstyperna och för att minska arbetstagares exponering för skadliga, eller eventuellt skadliga partiklar i luften.

• author: Nilsson, Patrik
• supervisor: Anders Gudmundsson; Joakim Pagels; Aneta Wierzbicka
• opponent: Asbach, Christoff, Institute of Energy and Environmental Technology, Germany
• organization: Ergonomics and Aerosol Technology; MERGE: ModElling the Regional and Global Earth system; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Environmental Health and Occupational Health
• keywords: Agglomerates, engineerednanoparticles, aerosol mass spectrometry, hairdressers, diesel exhaust
• pages: 83 pages
• defense location: Lecture hall Stora hörsalen, Ingvar Kamprad Design Centre (IKDC), Sölvegatan 26, Lund University, Faculty of Engineering
• defense date: 2016-02-29 09:00:00
• ISBN: 978-91-7623-625-3
• ISBN: 978-91-7623-624-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2c114f0d-1fa4-4b7d-9362-cdfb790c55b7 (old id 8594583)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:25:18
• date last changed: 2020-09-16 15:14:12