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Eingeladener Vortrag
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Dr. Stefan Seeger of the German Federal Institute for Materials Research and Testing (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung - BAM) tells of his successful experience using Granta's CES software to make an eco-materials knowledge resource for automotive, construction, and other industries in the Berlin region.
Untersuchung der Wirksamkeit von Filtern zum Schutz vor Partikelemissionen aus Laserdrucksystemen
(2012)
Laserdrucksysteme (Laserdrucker, -kopierer, Multifunktionsgeräte) emittieren in sehr unterschiedlichen Mengen Partikel im Größenbereich zwischen 5 und 300 nm, die im Druckbetrieb überwiegend durch Kondensation aus der Gasphase entstehen. Eine präventive Minderung dieser Emissionen ist sinnvoll. Die Filtration der in Laserdruckern entstehenden Aerosole bietet eine Option für eine wirksame Emissionsminderung. Die untersuchten Filter mit verschiedenen Filterkonzepten zeigten in ihrer Wirkung deutliche Unterschiede. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit der gerätespezifischen Optimierung von Filtern für die Anwendung in Laserdrucksystemen.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Laser printing devices are sources of particle emission in different quantities in the size range between 5 and 300 nm. The particles are predominantly generated by re-condensation from the gas phase. Emission mitigation as a precautionary measure should be considered and exhaust air filtration is one technical option. Two particle filters with different filter concepts were compared and revealed different levels of performance. The result underpins the need for individual filter solutions for laser printing devices.
Quantitative characterization of nanoparticle emissions from office machines with printing function
(2007)
This work presents results of investigations towards the emission of chemical reaction products and sound pressure during an outdoor and an indoor firework display. Potentially harmful and toxic gases, and aerosols, were measured as well as sound pressures. Aerosols were measured with a Differential Mobility Analyzer (DMA) as well as a Laser Particle Counter. The focus was on particles with diameters between 11 nm and 20 µm. A transportable Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy detector registered the concentrations of emitted reaction gases, simultaneously. During the outdoor firework display, peak particle concentrations of >550000 particles cm-3, equivalent to a mass concentration of approximately 3.95 mg m-3, were detected, revealing a concentration maximum at approximately 175 nm particle diameter. The time-averaged particle mass concentration did not exceed 1.58 mg m-3 over 15 minutes. Due to the large distances (110 m) to the firing points, no significant harmful or toxic gas concentrations were measured during the entire firework display. In contrast, concentrations of sulphur dioxide (SO2) rose after an indoor firework display in a large event hall. On two days, more than 23000 particles cm-3 (which equates to a mass concentration of approximately 0.41 mg m-3) were detected when the hall ventilation was turned off, and more than 11000 particles cm-3 (which equates to a mass concentration of approximately 1.18 mg m-3) when the hall ventilation was activated. Concentration maxima appeared at approximately 300 nm particle diameter. The time-averaged particle concentrations in this case did not exceed 0.56 mg m-3 (over 15 minutes).
Quantitative and Qualitative Comparison of Particulate Emissions from Office Machines (ABSTRACT)
(2009)
In this work, we characterise the performance of a Sharp optical aerosol sensor model GP2Y1010AU0F. The sensor was exposed to different environments: to a clean room, to a controlled atmosphere with known aerosol size distribution and to the ambient atmosphere on a busy city street. During the exposure, the output waveforms of the sensor pulses were digitised, saved and a following offline analysis enabled us to study the behaviour of the sensor pulse-by-pulse. A linear response of the sensor on number concentration of the monosized dispersed PSL particles was shown together with an almost linear dependence on particle diameters in the 0.4 to 4 micrometer range.
The gathered data about the sensor were used to predict its response to an ambient atmosphere, which was observed simultaneously with a calibrated optical particle counter.
Ultrafine particles emitted from laser printers are suspected to elicit adverse health effects. We performed 75-minute exposures to emissions of laser printing devices (LPDs) in a standardized, randomized, cross- over manner in 23 healthy subjects, 14 mild, stable asthmatics, and 15 persons reporting symptoms associated with LPD emissions. Low-level exposures (LLE) ranged at the particle background (3000 cm−3) and High-level exposures (HLE) at 100 000 cm−3. Examinations before and after exp sures included spirometry, body plethysmography, transfer factors for CO and NO (TLCO, TLNO), bronchial and alveolar NO, cytokines in serum and nasal secretions (IL-1β, IL-5, IL-6, IL-8, GM-CSF, IFNγ, TNFα), serum ECP, and IgE. Across all participants, no statistically significant changes occurred for lung mechanics and NO. There was a decrease in volume-related TLNO that was more pronounced in HLE, but the difference to LLE was not significant. ECP and IgE increased in the same way after exposures. Nasal IL-6 showed a higher increase after LLE. There was no coherent pattern regarding the responses in the participant subgroups or single sets of variables. In conclusion, the experimental acute responses to short but very high-level LPD exposures were small and did not indicate clinically relevant effects compared to low particle number concentrations.
Kunststoffverarbeitende 3D-Drucker (FDM-Drucker) werden im Hobbybereich und in der beruflichen Ausbilldung immer beliebter und sind mittlerweile weit verbreitet. Es wird häufig noch nicht ausreichend beachtet, dass von diesen Geräten im Betrieb in erheblichen Mengen Gase und Partikel in die Umgebung emittiert werden. Der Vortrag berichtet über einen Vergleich des Emissions-verhaltens verschiedener Materialien für 3D-Drucker und stellt diese in Zusammenhang mit anderen Innenraum-Emissionsquellen.
Teil 1: In der Öffentlichkeit werden immer wieder mögliche gesundheitliche Auswirkungen von Laserdruckeremissionen diskutiert. Um diese möglichen Auswirkungen genauer zu analysieren, wurden die Effekte 75-minütiger Expositionen von sogenannten Low-Emittern (LE, Untergrund 2000-4000 UFP/cm3) gegenüber High-Emittern (HE, 100.000 UFP/cm3) untersucht.
Teil 2: Mögliche gesundheitliche Auswirkungen von Laserdruckeremissionen sind immer wieder Gegenstand öffentlicher Aufmerksamkeit. Die dabei auftretenden potenziellen psychologischen Aspekte, wurden in einem standardisierten Szenario mittels 75-minütiger Expositionen gegenüber Low-Emittern (LE, Untergrund 2000-4000 UFP/cm3) und High-Emittern (HE, 100.000 UFP/cm3) untersucht.
Berichtet wird über ein abgeschlossenes Folgeprojekt zu vorangegangenen Forschungsprojekte zum gleichen Thema. In diesem Projekt wurde das Messverfahren und der Prüfwert für die Partikelemission aus Bürogeräten (siehe Vergabegrundlage DE-UZ 205, Anhang S-M) validiert und weiterentwickelt. Dies geschah erstens durch Auswertung der Qualität der im Zuge der Antragsbearbeitung für das Umweltzeichen beim RAL vorgelegten Prüfberichte der zugelassenen Prüfinstitute und - basierend darauf - durch Erarbeitung von technisch-methodischen Veränderungsvorschlägen für die Prüfung der chemischen Emissionen, inklusive der Partikelemissionen. Zweitens wurde zur Beurteilung der Veränderung der Emissionen aktueller gegenüber älteren Geräte-generationen ein nicht repräsentativer Pool von table-top-Laserdruckern aufgebaut und die chemischen Emissionen wurden gemäß DE-UZ-205, Anhang S-M gemessen. Ergänzend wurde eine quantitative chemische Analyse der anorganischen Feststoffe - insbesondere der Metalle - in den emittierten Aerosolen vorgenommen die Feststoffgehalte um 2 Massen-% ergaben. Diese Ergebnisse wurden gemeinsam mit neueren wissenschaftlichen Untersuchungen zur gesundheitlichen Bewertung der Emissionen aus Laserdruckern ausgewertet, es besteht kein Handlungsbedarf hinsichtlich einer Veränderung von Prüfkriterien und Prüfwerten. Drittens wurde untersucht und bestätigt, dass mit dem Ziel eines zukünftigen Umweltzeichens das Emissionsverhalten Kunststoff verarbeitender 3D-FDM-Drucker und/oder die darin verarbeiteten Verbrauchsmaterialien (Filamente) mit dem für Laserdrucker entwickelten Mess- und Prüfschema charakterisiert und quantifiziert werden können. Untersuchungen an Stereo-lithografie (SLA)-Druckern und Vorrichtungen zur Nach-Aushärtung (Curing Units) ergaben keine nachweisbaren Partikelemissionen.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals.
Measurements of aerosol particles are vital for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects. Although metrics such as PM10 and PM2.5 are currently in use, the level of uncertainty of aerosol metrics is too high and the traceability is insufficient. The project AEROMET, which has been started in June 2017 aims at implementing improvements in a) the uncertainty of particle mass, size and number concentration measurements and b) in the characterization of regulated components in airborne particles. Both are demanded by existing networks within the EU as well as by global atmospheric research.
On-site measurement campaigns
One of the objects is the application of mobile x-ray spectroscopy techniques combined with aerosol sampling techniques for quantifying particle compositions in the field for real time analysis. During two in-field measurement campaigns in Budapest, Hungary in May 2018 and Cassino, Italy in September 2018 the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols were monitored under dynamic conditions.
Typically, airborne particles are sampled on filter substrates. During this project new sampling methods with specially designed substrate holders for an in-situ TXRF analysis were developed and applied for the first time. This approach allows a direct time and size resolved analysis without laborious digestion steps and a reduced risk of contamination.
Aerosol particles were sampled in a 13-stage DLPI impactor - size range from 0,03 µm to 10 µm - which was equipped with special adapters for acrylic discs of 30 mm diameter, serving as substrates. TXRF analysis was performed on site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH) equipped with a Mo X-ray tube and a 30 mm² Silicon Drift Detector (SDD). Excitation conditions were 50 kV, 600 µA, measurement time 1000 s. Quantification was based on internal standardization using 50 ng of Y in solution, which was pipetted into the centre of the discs prior to sampling.
At moderate air pollution levels, i.e. PM10 ~ 20 µg/m³, sampling times of less than 2 hours were enough for the detection of elements in different particle size bins. The in-situ approach and the high sensitivity of TXRF enables the observation of rather quick changes in the quantity and distribution of elements in an ambient aerosol on the day of sampling, as the below example from the Cassino field campaign on 11 Sept. 2018 shows: The analysis of the morning and afternoon sampling shifts reveals the occurrence of the elements Fe, Ca and Si in different size bins as well as their significant temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements in the aerosol remain unchanged.
The validation of these results by backup measurements is planned.
A mobile Bruker S2 Picofox TXRF spectrometer has been used in two field campaigns within the EMPIR env07 AEROMET project for the on-site analysis of cascade impactor aerosol samples.The results show that even at moderate air pollution levels – i.e.PM10 fairly below 20 μg/m³ - element mass concentrations in air in the range of 100 pg/m³could be measured in up to 13 size bins after sampling times of less than only 0.5 days.
The diversity of fused filament fabrication (FFF) filaments continues to grow rapidly as the popularity of FFF-3D desktop printers for the use as home fabrication devices has been greatly increased in the past decade. Potential harmful emissions and associated health risks when operating indoors have induced many emission studies. However, the lack of standardization of measurements impeded an objectifiable comparison of research findings. Therefore, we designed a chamber-based standard method, i.e., the strand printing method (SPM), which provides a standardized printing procedure and quantifies systematically the particle emission released from individual FFF-3D filaments under controlled conditions. Forty-four marketable filament products were tested. The total number of emitted particles (TP) varied by approximately four orders of magnitude (1E9 ≤ TP ≤ 1E13), indicating that origin of polymers, manufacturer-specific additives, and undeclared impurities have a strong influence. Our results suggest that TP characterizes an individual filament product and particle emissions cannot be categorized by the polymer type (e.g., PLA or ABS) alone. The user's choice of a filament product is therefore decisive for the exposure to released particles during operation. Thus, choosing a filament product awarded for low emissions seems to be an easily achievable preemptive measure to prevent health hazards.
Previous studies have shown that desktop 3D printers (Fused Filament Fabrication) emit high numbers of particulate matter, mainly as ultrafine particles (UFP, particle diameter less than 100 nm). However, the chemical composition of emitted particles has been less extensively investigated. In this study, we therefore focused on the chemical composition of particles emitted from 3D printing. The measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Emitted particles were sampled by a 13-stage low-pressure cascade impactor onto aluminum foils and then analyzed by TD-GC/MS to identify their organic compounds. Nine commercial filaments made from basic polymers such as Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Acrylonitrile Styrene Acrylate (ASA), Polycarbonate (PC), Poly(methyl methacrylate) (PMMA), Nylon, High Performance Polystyrene (HIPS) and a copper-filled Polylactide (PLA) were investigated. The results show that the organic components of the particles are primarily plastic additives such as plasticizer, antioxidant agents, lubricants, UV-absorbers and UV-stabilizers from the filaments.
The physical and chemical analysis of aerosols using reliable and physically traceable methods is important for the thorough investigation of airborne particles to support a better understanding of their origin as well as their health and climate impacts. Within the European Metrology Research AeroMet project,the aim of hysikalisch–Technische Bundesanstalt’s (PTB) X-ray spectrometry group is to develop and establish traceable and reliable X-ray methods to measure the elemental mass deposition per unit area, the elemental composition,and the chemical binding state of particulate matter supported by a flat substrate. This approach can substantially contribute to support quantitative analytical methods during on-site measurement campaigns where portable Instrumentation is employed by qualifying suitable calibration samples for commercial analytical X-ray instruments and by investigating samples collected during the field campaign.
Quantitative chemical analysis of airborne particulate matter (PM) is vital for the understanding of health effects in indoor and outdoor environments and required by EU air quality regulations. Typically, airborne particles are sampled on filters, followed by lab-based analysis, e.g., with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Within the EURAMET EMPIR AEROMET project, cascade impactor aerosol sampling was combined with on-site total reflection X-ray fluorescence (TXRF) spectroscopy. The study aimed at a proof of principles for this new mobile and on-size tool for the quantification of aerosol element compositions and element mass concentrations within short time intervals of less than 12 h. In a field campaign the method’s technical feasibility could be demonstrated. The TXRF results were traced back to a stationary, reference-free XRS setup in the laboratory of the German national metrology institute PTB at the BESSY II electron storage ring in Berlin, Germany. Simultaneous PM10-filter sampling, followed by standardized lab-based analysis, allowed for a comparison of the field campaign data of both methods. As Fig. 1 shows, the correspondence between PM10 filter sampling and ICP-MS, and on the other hand, cascade impactor sampling and TXRF is quite encouraging. However, for some of the analysed elements, e.g. V and Pb, the observed deviations are higher than expected and this highlights the fact, that spectral deconvolution strategies for TXRF on cascade impactor samples still need some improvement.
This work was supported by the EMPIR programme, co-financed by the Participating States and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, through grant agreements 16ENV07 AEROMET and 19ENV08 AEROMET II
11 laser printers from 5 manufacturers were purchased in 2017 and tested for their UFP emissions. Size resolved sampling of the emitted particles was done with a 13 stage (30 nm to 10 µm) low pressure cascade impactor. The sampled particles were analysed for their chemical composition by thermal extraction (vaporization at 290°C) followed by GC-MS analysis. High boiling cyclic siloxanes (D10 to D16) were detected as constituents of UFP from laser printers. In comparison to measurements in 2008, aliphatic long-chain alkanes (C22 to C34) were detected additionally as chemical constituents of UFP from most of the tested printers and their amounts were higher than for cyclic siloxanes. Printers of one manufacturer showed very low UPF emissions compared to the other manufacturers.
Dass Viren sich über Aerosolpartikel ausbreiten können, wurde bereits in vielen Studien gezeigt. Als Aerosol bezeichnet man ein Gemisch aus Luft mit darin verteilten festen oder flüssigen Partikeln. Ein Aerosol ist dabei immer dynamisch, da Partikel neugebildet, in oder mit der Luft transportiert und aus der Luft entfernt werden oder sich im luftgetragenen Zustand verändern. Zum Verständnis der Rolle von Aerosolpartikeln als Übertragungsweg von SARS-CoV-2 ist daher die Kenntnis der verschiedenen Prozesse in einem Aerosol von besonderer Bedeutung. Mit diesem Papier möchte die GAeF einen Beitrag dazu leisten, den momentan so häufig anzutreffenden Begriff „Aerosol“ sowie die relevanten Aerosolprozesse anschaulich darzustellen und zu erläutern. Dabei wird im Rahmen dieses Papiers nur auf die wesentlichen Grundlagen eingegangen.
Für ein tiefergehendes Verständnis der teilweise komplexen Prozesse sei auf die angeführte Sekundärliteratur verwiesen. Das Papier fasst eine Vielzahl von Studien zur Entstehung von virenbeladenen Aerosolpartikeln sowie deren Ausbreitung zusammen. Darauf basierend kann festgestellt werden, dass ausgeatmete Aerosolpartikel auch bei der Corona-Pandemie eine prominente Rolle bei der Verbreitung der Viren spielen. Abschließend geht dieses Papier auf mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Ausbreitung von Aerosolpartikeln ein. Die diskutierten Maßnahmen orientieren sich an der derzeitigen öffentlichen Diskussion und beinhalten entsprechend die folgenden Punkte: Lüften, Luftreiniger, Lüftungsanlagen und Masken. Es werden Hinweise zum richtigen und sinnvollen Einsatz dieser Maßnahmen gegeben. Aerosolpartikel haben Größen zwischen ca. 0,001 und mehreren 100 Mikrometern (und nicht wie in vielen Publikationen derzeit definiert < 5μm) und verteilen sich mit Luftströmungen relativ schnell, auch über größere Distanzen. Größere Aerosolpartikel sinken – abhängig von ihrer Größe und Dichte – zu Boden; kleine Aerosolpartikel können hingegen sehr lange in der Luft verbleiben (s. Kapitel 3). Jeder Mensch stößt durch die Atmung sowie beim Sprechen, Husten und Niesen flüssige Aerosolpartikel unterschiedlicher Größen aus (s. Kapitel 4). Ist eine Person mit einem Virus, wie z. B. SARS-CoV-2, infiziert, so können diese Aerosolpartikel Viren enthalten, die in die Luft gelangen und von anderen Personen eingeatmet werden können. SARS-CoV-2 hat eine Größe von 0,06 bis 0,14 Mikrometer, die exhalierten flüssigen Aerosolpartikel sind hingegen größer. Die flüssigen Aerosolpartikel können aber je nach Umgebungsbedingungen durch Verdunstung schrumpfen (s. Kapitel 3.3). Für den Partikeltransport und die Partikelabscheidung ist dabei jeweils die aktuelle Partikelgröße relevant. Das höchste Infektionsrisiko besteht in geschlossenen Innenräumen, da sich hierin Aerosolpartikel anreichern können. Insbesondere hier sind entsprechend Maßnahmen zu treffen, die eine Reduktion der Aerosolpartikelkonzentration ermöglichen.
Vor dem Hintergrund der Aerosolwissenschaften ordnet die GAeF die aktuellen Maßnahmen zur Eindämmung der Pandemie wie folgt ein:
• Prinzipiell gilt: Keine Maßnahme kann für sich alleine funktionieren! Das Zusammenspiel der verschiedensten Maßnahmen ist nach derzeitigem Wissensstand der beste Weg zur Minimierung des Infektionsrisikos.
• Abstand halten ist wichtig, denn mit zunehmendem Abstand werden direkt ausgeatmete Viren verdünnt, und die Wahrscheinlichkeit sich anzustecken sinkt. Der vielfach vorgeschriebene Mindestabstand kann als Anhaltspunkt dienen, sollte aber insbesondere bei längeren Zusammenkünften und auch in Innenräumen mit verringerter Luftbewegung vergrößert und durch weitere Maßnahmen (s.u.) ergänzt werden.
• Masken helfen, einen Teil der exhalierten Partikel (und Viren) zu filtern. Dadurch sinkt die Konzentration der exhalierten Partikel (und Viren) in einem Raum und damit das Infektionsrisiko. Hierbei ist zu beachten, dass die ausgeatmeten Aerosolpartikel durch anhaftende Feuchtigkeit relativ groß sind und somit auch von einfachen Masken effizient zurückgehalten werden können. Da diese Partikel aber mit längerer Verweilzeit in der Raumluft schrumpfen, sind einfache Mund-Nasen-Bedeckungen für den Selbstschutz weniger effizient. Hierfür sind Atemschutzmasken erforderlich, die auch für feine Partikel eine hohe Abscheidung zeigen, z. B. der Klassen FFP2, N95 oder KN95. Diese sind sowohl für den Selbst- als auch den Fremdschutz effizient, sofern sie über kein Ausatemventil verfügen. Masken mit Ausatemventil dienen hingegen nur dem Selbstschutz und widersprechen daher dem Solidaritätskonzept, dass Mitmenschen durch kollektives Maskentragen geschützt werden.
• Gesichtsvisiere, die ohne zusätzliche Verwendung von Masken eingesetzt werden, sind hinsichtlich Aerosolpartikeln weitgehend nutzlos, da die Luft mit Partikeln (und Viren) ungefiltert um die Visiere herumströmt. Gesichtsvisiere werden im klinischen Alltag zusätzlich zu Masken getragen, um Tröpfcheninfektion über die Schleimhäute der Augen zu verhindern. Ebenfalls weitgehend unwirksam gegen die Aerosolverbreitung in Innenräumen sind mobile oder fest installierte Plexiglasbarrieren. Diese können nur kurzfristig die kleinräumige Ausbreitung eines Aerosols, z. B. im Kassenbereich eines Supermarkts, verhindern, bieten aber längerfristig keinen Schutz. Gesichtsvisiere und Plexiglasscheiben dienen im Wesentlichen als Spuck- und Spritzschutz gegenüber großen Tröpfchen.
• Im Freien finden so gut wie keine Infektionen durch Aerosolpartikel statt. Allerdings können Tröpfcheninfektionen auftreten, insbesondere in Menschenansammlungen, wenn Mindestabstände nicht eingehalten und/oder keine Masken getragen werden. In geschlossenen Räumen ist Lüften unerlässlich, um die ausgeatmete Luft in einem Raum durch frische Luft von draußen zu ersetzen. Häufiges Stoß- und Querlüften sind dabei vergleichbar effektiv wie dauernd das Fenster vollständig geöffnet zu lassen. Aus energetischer Sicht ist Stoß- oder Querlüften insbesondere im Winter allerdings effizienter. CO2-Monitore können bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen helfen. Sie zeigen an, wann gelüftet werden sollte und wann die Luft in einem Raum während des Lüftens ausreichend gewechselt ist. Sie können jedoch nur als Indikator verwendet werden und verhindern selbst bei Einhaltung der vorgeschlagenen CO2-Grenzkonzentrationen keine direkte Infektion durch unmittelbar benachbarte Personen.
• Luftreiniger können einen sinnvollen Beitrag leisten, um die Partikel- und Virenkonzentration in einem Raum zu reduzieren. Bei der Beschaffung von Luftreinigern muss darauf geachtet werden, dass diese für den betrachteten Raum und die betrachtete Anwendung ausreichend dimensioniert sind, um die Partikel- und Virenlast signifikant zu verringern. Dem Luftdurchsatz des Gerätes kommt dabei eine größere Bedeutung zu, als der reinen Effizienz des Filters. Aus energetischen und Kostenerwägungen kann die Verwendung hocheffizienter Filter sogar kontraproduktiv sein. Fest verbaute Lüftungsanlagen können ebenso sinnvoll sein, sofern sie die Luft filtern, um die Partikel- und Virenlast in einem Raum zu verringern. Hierbei ist es zur Vermeidung von Infektionen sinnvoll, diese möglichst mit 100 % Frischluft zu betreiben.
Aus Sicht der Gesellschaft für Aerosolforschung besteht erheblicher Forschungsbedarf insbesondere an den interdisziplinären Grenzen zu Forschungsfeldern der Epidemiologie, Infektiologie, Virologie, Lüftungstechnik und Strömungsmechanik. Die Durchführung gezielter Studien sollte kurzfristig mit speziellen Förder- und Forschungsprogrammen ermöglicht werden. Dieses Papier wurde von Mitgliedern der Gesellschaft für Aerosolforschung verfasst und wird von einer Vielzahl internationaler Aerosolexperten unterstützt (s. Kapitel 8). Neben der vorliegenden Version existiert auch eine englischsprachige Übersetzung (siehe www.info.gaef.de). Sämtliche Abbildungen in diesem Papier stehen unter folgendem Link zum kostenlosen Download bereit: https://www.info.gaef.de/positionspapier. Bei jeder Verwendung ist „Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.“ als Quelle zu nennen.
Many studies have already shown that viruses can spread via aerosol particles. An aerosol is a mixture of air with solid or liquid particles dispersed in it. To understand the role of aerosol particles as a transmission path of SARS-CoV-2, knowledge of the different processes in an Aerosol is therefore of particular importance. With this paper, GAeF would like to contribute to a better understanding of the term “aerosol” and the relevant aerosol processes. In the context of this paper only the essential basics will be discussed. For a deeper understanding of the partly complex processes, please refer to the literature mentioned at the end of the paper.
The paper summarises a large number of studies on the formation of virus-laden aerosol particles and their spread. Based on this, it can be concluded that exhaled aerosol particles may play a prominent role in the spread of viruses in the corona pandemic. Finally, this paper discusses possible measures to reduce the spread of aerosol particles. The measures discussed are based on the current public debate including ventilation, air purifiers, HVAC systems and masks. Advice is given on the correct and sensible use of these measures.
An aerosol is always dynamic, as particles are newly formed, transported in or with the air, removed from the air or change in the airborne state. Aerosol particles have sizes between approx. 0.001 and several 100 micrometres (and not < 5 μm as currently defined in many publications) and spread relatively quickly with air currents, even over longer distances. Larger aerosol particles sink to the ground, depending on their size and density, while small aerosol particles can remain in the air for a very long time (see Section 3). Every person emits liquid aerosol particles of various sizes through breathing and when speaking, coughing and sneezing (see Section 4). If a person is infected with a virus, such as SARS-CoV-2, these aerosol particles can contain viruses that can be released into the air and inhaled by other people. SARS-CoV-2 has a size of 0.06 to 0.14 micrometres, but the exhaled liquid aerosol particles are larger. The liquid aerosol particles can shrink by evaporation, depending on the ambient conditions (see Section 3.3). Particle size is relevant for particle transport and particle separation. The highest risk of infection exists in closed indoor spaces, as aerosol particles can accumulate there.
Here in particular, appropriate measures must be taken to reduce the concentration of aerosol particles (see Section 5).
Against the background of aerosol science, the GAeF classifies the current measures to contain the pandemic as follows:
• In principle, no measure can work on its own! According to the current state of knowledge, the interaction of the most varied measures is the best way to minimise the risk of infection.
• Keeping distance is important, because with increasing distance, directly exhaled viruses are diluted and the probability of infection decreases. The often prescribed minimum distance can be used as a guide, but it should be increased and supplemented by other measures (see below), especially for longer meetings and also indoors with reduced air movement.
• Masks help to filter some of the exhaled particles (and viruses). This reduces the concentration of exhaled particles (and viruses) in a room and thus the risk of infection. It should be noted here that the exhaled aerosol particles are relatively large due to adhering moisture and can therefore also be efficiently retained by simple masks. However, since these particles shrink with longer dwell time in the room air, simple mouth-nose masks are less efficient for self-protection. Respiratory masks are required for this purpose, which show a high degree of separation even for fine particles, e.g. of classes FFP2, N95 or KN95. These are efficient for both self-protection and protection of others unless they have an exhalation valve. Masks with an exhalation valve, on the other hand, are only for self-protection and therefore contradict the solidarity concept that fellow human beings are protected by collective mask wearing. Face shields which are used without additional masks are largely useless with regard t• aerosol particles, as the air with particles (and viruses) flows unfiltered around the shields. In everyday clinical practice, facial shields are worn in addition to masks to prevent droplet infection via the mucous membranes of the eyes. Mobile or permanently installed Plexiglas barriers are also largely ineffective against the spread of aerosols indoors. These can only prevent the smallscale spread of an aerosol in the short term, e.g. in the checkout area of a supermarket, but offer no protection in the longer term. Face shields and Plexiglas panels essentially serve as spit and splash protection against large droplets.
• Outdoors, there are practically no infections caused by aerosol transmission. However, droplet infections can still occur, especially in crowds, if minimum distances are not observed and/or masks are not worn. In closed rooms, ventilation is essential to replace the exhaled air in a room with fresh air from outside. Frequent airing and cross-ventilation is just as effective as leaving the window open all the time. From an energy point of view, however, it is more efficient to ventilate the room, especially in winter. CO2 monitors can help to monitor indoor air quality. They indicate when it is necessary to ventilate and when the air in a room has been sufficiently changed during ventilation. However, they can only be used as an indicator and even if the proposed CO2 limit concentrations are met, they do not prevent direct infection by people in the immediate vicinity.
• Air purifiers can make a useful contribution to reducing the concentration of particles and viruses in a room. When procuring air purifiers, care must be taken to ensure that they are adequately dimensioned for the room and application in question in order to significantly reduce the particle and virus load. The air throughput of the unit is more important than the pure efficiency of the filter. For energy and cost reasons, the use of highly efficient filters can even be counterproductive. Permanently installed ventilation systems can also be useful, provided they filter the air to reduce the particle and virus load in a room. To avoid infections, it is advisable to operate them with 100 % fresh air if possible.
From the point of view of the Gesellschaft für Aerosolforschung, there is a considerable need for research, especially at the interdisciplinary borders to research fields of epidemiology, infectiology, virology, ventilation technology and fluid mechanics. The implementation of targeted studies should be made possible at short notice with special funding and research programmes.
This paper was written originally in German by members of the Gesellschaft für Aerosolforschung and is supported by a large number of international aerosol experts. Both the English and German version as well as all images in the paper are available for free download at the following link: https://www.info.gaef.de/positionspapier. The “Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.” must be named as the source, whenever an image is used.
The emission of ultrafine particles from small desktop Fused Filament Fabrication (FFF) 3D printers has been frequently investigated in the past years. However, the vast majority of FFF emission and exposure studies have not considered the possible occurrence of particles below the typical detection limit of Condensation Particle Counters and could have systematically underestimated the total particle emission as well as the related exposure risks. Therefore, we comparatively measured particle number concentrations and size distributions of sub-4 nm particles with two commercially available diethylene glycol-based instruments – the TSI 3757 Nano Enhancer and the Airmodus A10 Particle Size Magnifier. Both instruments were evaluated for their suitability of measuring FFF-3D printing emissions in the sub-4 nm size range while operated as a particle counter or as a particle size spectrometer. For particle counting, both instruments match best when the Airmodus system was adjusted to a cut-off of 1.5 nm. For size spectroscopy, both instruments show limitations due to either the fast dynamics or rather low levels of particle emissions from FFF-3D printing in this range. The effects are discussed in detail in this article. The findings could be used to implement sub-4 nm particle measurement in future emission or exposure studies, but also for the development of standard test protocols for FFF-3D printing emissions.
Fused filament fabrication (FFF) is a material extrusion-based technique often used in desktop 3D printers. Polymeric filaments are melted and are extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extruder temperature is therefore a key parameter for a successful print job but also one of the main emission driving factors as harmful pollutants (e.g., ultrafine particles) are formed by thermal polymer degradation. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, studies usually refer their calculated emission data to the printer set extruder temperature for comparison purposes. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperature and found significant temperature deviations to the displayed set temperature among printer models. Our result shows that printing the same filament feedstocks with three different printer models and with identical printer set temperature resulted in a variation in particle emission of around two orders of magnitude. A temperature adjustment has reduced the variation to approx. one order of magnitude. Thus, it is necessary to refer the measured emission data to the actual extruder temperature as it poses a more accurate comparison parameter for evaluation of the indoor air quality in user scenarios or for health risk assessments.
The development of traceable new methodologies to quantify elemental air pollutants in particulate matter (PM) supports modernization of methods used in air quality monitoring networks in Europe. In the framework of the EURAMET EMPIR AEROMET II project, the combination of cascade impactor aerosol sampling and total reflection X-ray fluorescence elemental spectroscopy (TXRF) was investigated. This technique requires a traceable calibration based on reference samples. This paper describes a new, simple and effective method to produce such reference samples using flexible, reusable, and low-cost parylene C shadow masks, fabricated by photolithographic steps. These shadow masks can be used to produce reference samples that mimic the Dekati cascade impactor’s deposition patterns by applying as-prepared micro stencils to 30 mm acrylic substrates and evaporating a reference material (Ti) in arrangements of thin circular dots. The highly flexible direct patterning of acrylic discs with reference material, otherwise impossible with conventional photolithography, allows multiple reusing of the same micro stencils. The aspect ratios of the dots could be repeated with an error less than 4 %. A first set of standard reference samples for the 13 stages of the Dekati cascade impactor was produced and preliminary TXRF measurements of the deposited Ti masses were performed. The centricity of the deposition patterns turned out to be an important parameter for the quality of the TXRF results. The parylene mask technology for the production of reference samples turns out to be a promising new approach for the traceable calibration of TXRF spectrometers for the quantification of element concentrations in environmental aerosol samples but, due to its great versatility, it could be used for several other micropatterning applications on conventional and unconventional substrates.
Condensation particle counters (CPCs) are widely used for the measurement of aerosol particle number concentrations in the size range from approximately 3 nm to 3 μm. For an SI-traceable calibration of the size-dependent counting efficiency, which is advisable on a regular basis and required in several applications, Faraday cup aerosol electrometers (FCAEs) are considered to be a suitable SI-traceable reference.While the volumetric aerosol inlet flowrate and the electrical current measurement in FCAEs can be related to respective SI references, inter-comparison exercises for FCAEs are still performed on a regular basis to establish reliable uncertainty budgets and to further investigate the influences of designs and operational parameters on comparability. This is strongly demanded in the international community of metrological institutes and aerosol calibration facilities around the world, which provide CPC calibrations. In the present study, the performance of FCAEs was investigated,using Ag test aerosol particles with a 30 nm particle diameter by varying the inlet flowrates from 0.5 l min−1 to 4 l min−1. From our experimental results, significant deviations were observed in FCAE currents at sample flowrates smaller than 1.5 l min−1. It is recommended that these discrepancies should be quantified before an FCAE is used for CPC calibration at low sample flowrates and small particle sizes in the sub-30 nm size range.
Quantitative chemical analysis of airborne particulate matter (PM) is vital for the understanding of health effects in indoor and outdoor environments, as well as for enforcing air quality regulations. Typically, airborne particles are sampled over long time periods on filters, followed by lab-based analysis, e.g., with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Within the EURAMET EMPIR AEROMET project, cascade impactor aerosol sampling was combined for the first time with on-site total reflection X-ray fluorescence (TXRF) spectroscopy to develop a tool for quantifying particle element compositions within short time intervals and even on-site. This makes variations of aerosol chemistry observable with time resolution of only a few hours and with good size resolution in the PM10 range. A proof of principles of this methodological approach and the comparison to standard methods within the scope of a field campaign will be presented. Secondly, aerosol sampling and TXRF analysis seems suitable for the quantification of elements in indoor aerosols as well and may provide an important enhancement of existing methods for the analysis of organic species in aerosols (such as sampling and TD-GC/MS). As an example, the TXRF analysis of particles emitted from laser printers under controlled conditions in an environmental test chamber will be presented.
Mit der überarbeiteten Version der Vergabegrundlagen des Umweltzeichens Blauer Engel für Bürogeräte mit Druckfunktion (RAL-UZ 171:2012) wurde für die Partikelemission ein Prüfverfahren und ein Prüfwert eingeführt. Dies ergänzt die zahlreichen anderen Kriterien, die bereits Voraussetzungen für die Vergabe des Blauen Engels an Bürogeräte mit Druckfunktion waren. Die Anwendung des Prüfwertes für Partikelemissionen wurde von der Jury Umweltzeichen in 2012 zunächst nur für Geräte unterhalb 250 l Volumen - sogenannte Tischgeräte - beschlossen. Für größere Geräte (> 250 l, sogenannte Standgeräte) wurde eine Dokumentation des Messergebnisses im Rahmen des Prüfberichtes festgelegt. Ein Grund für diese Unterscheidung war die Tatsache, dass zu diesem Zeitpunkt für die Standgeräte keine für eine sinnvolle Festlegung eines Prüfwerts ausreichende Zahl an Messwerten und keine Erfahrungen aus entsprechenden Emissionsprüfungen vorlagen. Notwendig zur beabsichtigten Festlegung des Prüfwerts für die Partikelemission aus großen Bürogeräten war deshalb die systematische Erfassung und Bewertung der durch die anerkannten Prüfinstitute nach Inkrafttreten der RAL-UZ 171 ermittelten Ergebnisse. Dies wurde in diesem Forschungsprojekt durchgeführt. Das Forschungsprojekt befasste sich des Weiteren mit der Ermittlung und Beurteilung der Qualität der Partikelemissionsprüfungen auf Basis der zur Verfügung stehenden Prüfberichte in beiden Größenkategorien. Im Ergebnis stellte sich heraus, dass die Qualität der Prüfungen der Partikelemission insgesamt mit einer Fehlerquote von 3 % ungültiger Prüfungen sehr gut war. Ein weiteres Ergebnis ist, dass keine prüfmethodischen oder qualitätsrelevanten Gründe gegen die Anwendung des bestehenden Prüfwerts auf große Bürogeräte sprechen.
Vor dem Hintergrund der anhaltenden öffentlichen Diskussion um mögliche gesundheitliche Risiken von Ultrafein- und Feinstaubemissionen aus Bürogeräten mit Laserdruckfunktion (LPD, Laser Printing Device) wurde vom Umweltbundesamt ein Forschungsvorhaben zur Entwicklung einer Prüfprozedur für die Quantifizierung der emittierten Partikel durch Zählung unter Standardbedingungen in Emissionsmesskammern, sowie zur physikalischen und chemischen Charakterisierung dieser Aerosole initiiert. Als Ergebnis konnte die Partikelzählung in den Entwurf des Prüfverfahrens für die Bestimmung von Emissionen (RAL-UZ-122, Anhang S-M) des Umweltzeichens "Blauer Engel" für Bürogeräte sowie in den Prüfstandards ECMA-328 und den Entwurf der ISO/IEC 28360 integriert werden. Die Methode wurde in einem internationalen Ringversuch erfolgreich getestet. Auf dieser Basis können Vergabekriterien und -werte für die Emission von Fein- und Ultrafeinpartikeln im Rahmen der Vergabe des Umweltzeichens Blauer Engel vereinbart und Produktprüfungen vorgenommen werden.
In einem von der Firma GSE Lining Technology GmbH geförderten F+E-Vorhaben wurde die Langzeitscherfestigkeit und die Oxidationsstabilität von deren strukturierten PE-HD- Dichtungsbahnen untersucht. Bei diesen strukturierten Dichtungsbahnen wird das Strukturmaterial in einem eigenen Arbeitsgang aufgebracht. Das PE-HD-Material der Grundbahn war in allen Fällen Vestolen A 3512 R. Für das Strukturmaterial wurden die PE- LLD-Werkstoffe Ladene 118 N mit zwei Rußbatches (Proben 229/1 und 229/2) und Dowlex 2045 E mit zwei Rußbatches (Proben 229/3 und 229/4) verwendet. Die Langzeitscherfestigkeit wurde in Zeitstand-Scherversuchen in Wasser bei 80 °C getestet und dabei auch die Veränderung der OIT Werte von Grundbahn und Strukturmaterial gemessen. Die Oxidationsstabilität des Strukturmaterials im Vergleich zur Grundbahn wurde in Autoklavenversuchen an Proben im Wasserbad unter einem Sauerstoffdruck von 20 bar und 80°C geprüft. Nach der Immersion wurde die Veränderung der Reibungsparameter in Scherkastenversuchen ermittelt.