4 Material und Umwelt
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Anregungen aus dem N.i.Ke.-Workshop 2017 und künftige Anforderungen. BEMMA steht für Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen. Es ist die Kurzbezeichnung für ein Schema/Verfahren zur Untersuchung und Bewertung flüchtiger organischer Verbindungen aus Werkstoffen, die im mittelbaren Kontakt mit historischen Materialien des Kunst- und Kulturgutes stehen. Hier wird der Status-Quo des Erreichten dargestellt. Wie wird das Schema in der Museumsöffentlichkeit wahrgenommen und seine Akzeptanz.
Mehrere Aspekte wurden im Hinblick auf die Standardisierung eines geeigneten Verfahrens für die Analyse sehr flüchtiger organischer Verbindungen (VVOCs) untersucht. Die Verwendung gasförmiger Standards ist notwendig und es wurde ein stabiles Standardgasgemisch aus 60 Substanzen erfolgreich erzeugt und auf Stabilität und Reaktivität überprüft. Die Eignungsuntersuchung verschiedener Chromatographiesäulen ergab, dass PLOT-Säulen (Porous Layer Open Tubular) für die VVOC-Analytik gut geeignet sind. Für die 60 Analyten wurden Wiederfindungsraten auf mehreren Adsorbenzien und deren Kombinationen bestimmt. Dabei zeigte eine Kombination aus einem graphitierten Ruß und einem Kohlenstoff-Molekularsieb hervorragende Ergebnisse für alle Zielkomponenten. Nachteilig an Kohlenstoff-Molekularsieben ist, dass sie Wasser adsorbieren, was die Analyse beeinträchtigen kann. Zur Wasserentfernung wurden verschiedene Optionen wie das Trockenspülen oder der Einsatz eines Trocknungssystems 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.
Zur Weiterentwicklung der Probenpräsentation wurde ein Adapter entwickelt, der Emissionsprüfkammer und Bewertungstrichter miteinander verbindet und dadurch eine der direkten Messung vergleichbare Geruchsbewertung ermöglicht. Die analytischen Messungen zeigen, dass es kaum Unterschiede in der Zusammensetzung der Probenluft in der Kammer im Vergleich zum Probenbehälter gibt. Bei den olfaktorischen Messungen kam es jedoch bei der Bewertung der Probenluft mit Hilfe des Adapters zu Minderbefunden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass beim Ausschalten des Geräts Umgebungsluft über den Trichter in den Adapter strömt und zu einer Verdünnung der Probenluft führt. Um dies zu vermeiden, werden derzeit weitere Messungen durchgeführt.
Eine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt, um den Messaufwand bei der Bewertung der empfundenen Intensität zu reduzieren. Die entwickelte „größer-oder-kleiner/gleich“ Abfrage kann hier hilfreich sein. Die Untersuchungen im Luftqualitätslabor und im Rahmen eines Ringversuches mit verschiedenen Laboren, zeigen, dass die Abfrage in fast allen Fällen zu den gleichen Ergebnissen führt, wie die normgerechte aber aufwendigere Ermittlung der empfundenen Intensität mithilfe des Vergleichsmaßstabes.
In addition to previously reported results on the simulated aging of polystyrene samples (PS) containing 1 wt. % hexabromocyclododecane (HBCD), we present the first results of our investigations of polypropylene (PP)-samples containing 0.1 wt. % BDE-209. All studied polymer samples were exposed to a defined weathering schedule in a climate chamber in accordance to regulation EN ISO 4892-3:2006.For the determination of BDE-209 in the collected rain water samples derived from the used climate chamber, the samples were prepared in accordance with a validated protocol. Before the analyses, each sample was spiked with 2 µL of isotopically labeled BDE-209 (13C10-BDE-209) to serve as internal standard (ISTD) in the performed stable isotope dilution analysis. Subsequently the samples were extracted with isooctane, the obtained aliquots of the extracts were concentrated to 200 µL and 2 µL of the resulting solution were injected to the GC/MS for quantification.
Additionally, the total bromine contents are monitored for the aged and untreated samples using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) as well as X-ray fluorescence analysis (XRF) as non-destructive and rapid method. Furthermore, results from surface analysis using environmental scanning electron microscopy (ESEM) for morphological characterization of the aged and untreated samples were presented and discussed. In general, the resulting data from the accelerated aging will be compared to those from the natural weathering experiments (“atmospheric exposure”, in soil).
The atmospheric exposure was performed by placing the samples on a weathering rack, which is aligned in SW direction (in a 45° angle to the horizon). The weathering data were regularly recorded by Deutscher Wetterdienst at this site. The surfaces of the test specimens (aged and stored references) were analyzed by ESEM as well as by LA-ICP-MS and by XRF. The surface of PS and PP specimens aged outdoors present the aging under real conditions and allow the comparison to the accelerated aged specimens by means of the weathering chamber. This way, we explore the efficiency of the accelerated aging procedure, which provides the advantage of well-defined and reproducible conditions compared to natural weathering, as a tool for testing different plastic materials.
Additionally “in soil” experiments were conducted in-door in a well characterized testing soil. The soil (boulder-clay, sand with 12 % loam, particle size in total 0.2-4 mm) is filled in a free-draining concrete basin inside of an air-conditioned room. In this manner, TOC, water capacity and humidity are recorded parameters. To assure a washing out process from the samples by the raining water, the target water content is calculated to 8%. The actual humidity is measured by a tensiometer, assuring the duration of the raining period. The water content is additionally monitored by weight of the basin, capturing water from raining periods. The correct humidity is a fundamental parameter for biological activity. Samples of PS resp. PP were of dimension 10x1cm and 5 specimens were placed up to the half in the soil per basin. Microbial activity of the soil, monitored by the reference polyurethane, sets HBCD resp. BDE-209 of the samples free and will be leached from the samples by raining water. Thereafter these will be captured by passive samplers placed in a distinct distance to the samples in the soil. The “in soil” experiments are complementary to the weathering experiments due to the biological activity in the soil. These experiments simulate the fate of the brominated flame retardants in the biosphere.
Summary: A screening test for potential emissions of volatile organic compounds (VOC) was run on different thermoplastic filaments used for 3D printing. The method of direct thermal desorption was used to simulate the high temperatures during the 3D printing process and to identify the main compounds emitted from the filaments. A large number of unexpected compounds were detected that might affect the user’s health and have an impact on indoor air chemistry.
Introduction: The use of desktop 3D printers is increasing. Compared to other devices with known emissions, e.g. laser printers, there is still a lack of information on possible emissions of VOC and ultrafine particles during operation and the effect on indoor air quality. Most of the commercially available desktop 3D printers operate with a molten polymer deposition. For this process a solid thermoplastic filament is heated in an extrusion nozzle. Most filaments for desktop 3D printers use either acrylonitrile butadiene styrene (ABS) or polylactic acid (PLA) as filament. Alternatives are polyvinyl alcohol (PVA) or polycarbonate (PC).
Method: Eight different thermoplastic filaments for 3D printers were analysed by direct thermal desorption followed by GC-MS identification of the emitted substances. Direct thermal desorption was done by desorbing 5 mg of the feedstock for 1 minute at a temperature of 210°C. This is an average temperature for 3D printing with thermoplastic filaments.
Results and conclusions: The comparison of the 4 different filament groups showed the highest overall emissions from ABS, followed by PLA, PC and PVA. Filament ABS 2 emitted mainly SVOCs and triphenyl phosphate, the latter has the highest emission for a single compound from all evaluated filaments.
Thermoplastic filaments are a new source of VOC emissions due to the high temperatures associated with 3D printing, which can reach up to 270°C. Some of the detected compounds like lactic acid, lactide and bisphenol A have never been described before in the indoor environment. Additionally some of the main substances could not be identified and some others might have the potential to affect the indoor air chemistry.
The appearance of some newly detected compounds raises concerns about potential health effects for the users of 3D printers at home.
Regional standardisation activities and how VAMAS can help in any way to promote activities are reported.
Activities related to organisational updates, government initiatives/priorities (especially related to Materials), details of any strategy documents publicly available, networks within Germany and how we engage are presented.
Two new approaches towards an emission reference material for use in quality assurance measures for materials emissions testing were developed and intensively tested. The overall goal was to obtain solid materials with homogenous and reproducible (S)VOC release. Since the application in inter-laboratory comparisons is aimed at, it should furthermore be long-term stable to ensure safe shipment to the customer without sustaining compound losses. In the first approach, thermoplastic polyurethane (TPU) was impregnated with the VOC texanol under high-pressure with liquid CO2 as solvent. In the second, styrene (VOC) and the SVOC 2,6-diisopropylnaphthalene (DIPN) were spiked into vacuum grease (VG) and a mixture of paraf-fin/squalane (P/S). For the prediction of the emission rates a finite element model (FEM) was developed for the VG and P/S type materials. All requirements for reference materials were fulfilled, whereas the TPU samples need to be aged for about 10 days until repeatable and reproducible emission rates were obtained.
Two new approaches towards an emission reference material for use in quality assurance measures for materials emissions testing were developed and intensively tested. The overall goal was to obtain solid materials with homogenous and reproducible (S)VOC release. Since the application in inter-laboratory comparisons is aimed at, it should furthermore be long-term stable to ensure safe shipment to the customer without sustaining compound losses. In the first approach, thermoplastic polyurethane (TPU) was impregnated with the VOC texanol under high-pressure with liquid CO2 as solvent. In the second, styrene (VOC) and the SVOC 2,6-diisopropylnaphthalene (DIPN) were spiked into vacuum grease (VG) and a mixture of paraf-fin/squalane (P/S). For the prediction of the emission rates a finite element model (FEM) was developed for the VG and P/S type materials. All requirements for reference materials were fulfilled, whereas the TPU samples need to be aged for about 10 days until repeatable and re-producible emission rates were obtained.
This poster summarizes the points that need to be addressed towards the standardization of an efficient procedure for the analysis of VVOC emissions: Standard mixture generation and investigations on mutual reactivity, selection of an appropriate sorbent combination, water management and choice of a suited GC column.
Tour de table - BAM
(2021)
BAM is currently building up a platform of novel nanoRMs relying on iron oxide nanoparticles of different shape, size and surface chemistry. Iron oxide was chosen as a core material because of its relevance to the material and life sciences.
As a first candidate of this series, we present cubic iron oxide nanoparticles with a nominal edge length of 8 nm. These particles were synthesized by thermal decomposition of iron oleate in high boiling organic solvents adapting well-known literature procedures. After dilution to a concentration suitable for electron microscopy (TEM and SEM) as well as for small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements, the candidate nanoRM was bottled and assessed for homogeneity and stability by both methods following the guidelines of ISO 17034 and ISO Guide 35.
The particle sizes obtained by both STEM-in-SEM and TEM are in excellent agreement with a minimum Feret of 8.3 nm ± 0.7 nm. The aspect ratio (AR) of the iron oxide cubes were extracted from the images as the ratio of minimum Feret to Feret resulting in an AR of 1.18 for TEM to 1.25 for SEM. Alternatively, a rectangular bounding box was fitted originating from the minimum Feret and the longest distance through the particle in perpendicular direction. This led to AR values of 1.05 for TEM and 1.12 for SEM, respectively. The results confirm the almost ideal cubic shape.
The European building sector is moving towards more complex and high-tech building approaches. While focusing on energy efficiency, aspects e.g. occupant health, sustainability and life cycle costing are often neglected. This study highlights the potential of earthen plasters in combination with natural ventilation for low-tech solutions.
The EU funded project [H]house established the outstanding performance of earthen materials in light of hygrothermal and air purifying properties, which were further supported by experimental data from monitoring of naturally ventilated pilot buildings in Berlin. Additionally, [H]house demonstrated through LCC an increased cost efficiency of earth based low-tech solutions in comparison to conventional constructions relying on mechanical ventilation.
Textile floor coverings are often used in offices and residential buildings. Large areas like meeting rooms, cinemas, theaters and hotels are often equipped with such coverings. They contribute to the comfort of the users as they provide high pedaling comfort and sound absorption. The weakness of these building materials is due to the odor emission that is released from the floor covering, which affects the comfort of the users. A bad air quality and the resulting dissatisfaction can lead to lower employee productivity. The research project of the Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW-Berlin) is promoted by the German Environment Agency (UBA). The project has the following title: Low-emission and low-odor building products for energy-efficient buildings - Development of requirements and concepts for the Blue Angel from a climate protection perspective; investigates the emission and odor behavior of textile floor coverings (Emissions- und geruchsarme Bauprodukte für energieeffiziente Gebäude - Entwicklung von Anforderungen und Konzepten für den Blauen Engel aus Klimaschutzsicht; untersucht das Emissions- und Geruchsverhalten textiler Bodenbeläge).
Museums worldwide are equipped with different display cases. Exhibit display cases should protect cultural objects from dust as well as from mechanical and physical damage. To ensure a stable climate inside the display cases, a low air exchange rate is maintained. Typically, air exchange rates are often smaller than 0.1 d-1, which can result in rising concentrations of potential harmful VOC inside of the display cases due to emissions from materials. Especially organic acids, e. g. formic or acetic acid which can emit from e.g. sealing materials or wood-based materials, can produce damage of cultural objects.
In 2012 BAM introduced a procedure which is called: BEMMA-Scheme (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museums¬ausstattungen) which stands for: “Assessment of Emissions from Materials for Museum Equipment”. Regarding the testing procedure only construction materials were evaluated, not the display cases their self. Micro chambers are used for VOC emission tests of display case construction materials, e.g. plastics, sealing materials, coatings, textiles and others. Each sampling procedure is carried out in duplicate. Emissions like formic acid, acetic acid, formaldehyde, piperidine-derivates and oximes are excluded and the sum of emissions of VVOCs, VOCs and SVOCs is limited. For a positive assessment all listed criteria must be fulfilled; otherwise the display construction material fails the BEMMA scheme.
The BAM Data Store
(2023)
As a partner in several NFDI consortia, the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, German federal institute for materials science and testing) contributes to research data standardization efforts in various domains of materials science and engineering (MSE). To implement a central research data management (RDM) infrastructure that meets the requirements of MSE groups at BAM, we initiated the Data Store pilot project in 2021. The resulting infrastructure should enable researchers to digitally document research processes and store related data in a standardized and interoperable manner. As a software solution, we chose openBIS, an open-source framework that is increasingly being used for RDM in MSE communities.
The pilot project was conducted for one year with five research groups across different organizational units and MSE disciplines. The main results are presented for the use case “nanoPlattform”. The group registered experimental steps and linked associated instruments and chemicals in the Data Store to ensure full traceability of data related to the synthesis of ~400 nanomaterials. The system also supported researchers in implementing RDM practices in their workflows, e.g., by automating data import and documentation and by integrating infrastructure for data analysis.
Based on the promising results of the pilot phase, we will roll out the Data Store as the central RDM infrastructure of BAM starting in 2023. We further aim to develop openBIS plugins, metadata standards, and RDM workflows to contribute to the openBIS community and to foster RDM in MSE.
Gegenstand des Projekts ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Polypropylen zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden, die es gestatten, Schnellprüfverfahren zu etablieren, die die Simulation der realen Beanspruchungen im Zeitraffermodell anwendbar machen. Somit sollen standardisierbare Schnellbeanspruchungs-verfahren erarbeitet werden, die als Prüfeinrichtungen etabliert werden und von externen Auftraggebern zur Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von neuen Materialien genutzt werden können. Die Umweltwirkungen (chemisch-physikalisch und mikrobiologisch) sollen so definiert eingesetzt werden, dass eine reproduzierbare Prüfung möglich wird. Aus diesen Verfahren und Methoden sollen Normen abgeleitet werden, die eine standardisierte Materialprüfung ermöglichen.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the nanoscale. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
The OECD Working Party on Manufactured Nanomaterials (WPMN) has actively worked towards understanding possible safety issues for manufactured nanomaterials and has contributed significantly to resolving these by developing Test Guidelines, Guidance Documents, Test Reports and other publications with the aim of a safe use of manufactured nanomaterials. To address the specific needs of manufactured nanomaterials, the OECD Test Guideline No. 110 “Particle Size Distribution/Fibre Length and Diameter Distributions” was identified as one of the test guidelines (TGs) to require an update. The current TG 110 (adopted in 1981) is only valid for particles and fibres with sizes above 250 nm. The WPMN prioritised to either update TG 110 to be applicable also to particles at the nanoscale or draft a new nanomaterial specific (TG).
Eventually, it was decided to develop a new TG that covers the size range from 1 nm to 1000 nm, intended for particle size and particle size distribution measurements of nanomaterials. Paragraph 11 provides further justification on the need for such measurements for nanomaterials. This TG overlaps with TG 110 in the size range from 250 nm to 1000 nm. When measuring particulate or fibrous materials, the appropriate TG should be selected depending on the size range of particles tested. In line with TG 110, the new TG for nanomaterials includes separate parts for particles and fibres.
For the part of this TG which addresses particles, several methods applicable to nanomaterials were reviewed and included to take into account developments since 1981 when the TG 110 was adopted. This TG includes the following methods: Atomic Force Microscopy (AFM), Centrifugal Liquid Sedimentation (CLS)/Analytical Ultracentrifugation (AUC), Dynamic Light Scattering (DLS), Differential Mobility Analysis System (DMAS), (Nano)Particle Tracking Analysis (PTA/NTA), Small Angle X-Ray Scattering (SAXS), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM). The method Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (sp-ICP-MS) could not be sufficiently validated within the interlaboratory comparison (ILC) carried out for the different methods in this TG (see also paragraph 6 for further details on the ILC). Applicability of sp-ICP-MS is strongly limited to nanomaterials with high mass values in combination with a sufficiently high particle size. However, the general method ICP-MS is widely used and the sp-mode for the size measurement of specific nanomaterials was successfully performed in ILCs elsewhere. The method is therefore included in the Appendix Part C of this TG, which further details the limitations of sp-ICP-MS.
For measuring the diameter and length of fibres, analysing images captured with electron microscopy is currently the only method available. This TG includes Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM).
To test the validity of this TG, an ILC was performed. Test materials were chosen to reflect a broad range of nanomaterial classes, e.g. metals, metal oxides, polymers and carbon materials. Where possible, well-characterised test materials were used.
Additionally, the test materials were chosen to reflect a broad range of sizes representing the size range 1 nm to 1000 nm. Specifically for fibres, a broad range of aspect ratios was included (length/diameter of 3 to > 50). Some of the test materials used are commercially available and further references are given in the validation report of the ILC. Sample preparation for physical chemical characterisation is critical for all listed methods. Due to the differences between individual nanomaterials and due to the wide range of individual material properties it is impossible to have a generic protocol to obtain the best possible sample preparation for every nanomaterial. Therefore, a generic protocol on sample preparation is not part of this TG. Information on sample preparation is given in the paragraphs 25-29, 33, 34 and 39 for particles and in paragraphs 159) for fibres. Further information on sample preparation of nanomaterials for physical chemical characterisation can be found in the OECD Guidance on Sample Preparation and Dosimetry for the Safety Testing of Manufactured Nanomaterials and elsewhere.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines bestehenden pyrometallurgischen Prozesses zur Rückgewinnung von Tantal und Niob aus metallurgischen Reststoffen mit vorwiegend niedriger Wertstoffkonzentration.
Zur näheren Erforschung der im vorliegenden Stoffsystem ablaufenden Reduktionsprozesse wurden in einem Elektrolichtbogenofen Schmelzversuche im Pilotmaßstab durchgeführt. Als Reduktionsmittel diente Koks, welcher mithilfe einer Argon-gespülten Eisenlanze in die flüssige mineralische Schmelze eingebracht wurde. Während der Reduktionsbehandlung werden Refraktärmetalle wie Tantal und Niob in ihre Carbide überführt und anschließend in der erschmolzenen eisenbasierten Metallphase am Boden des Reaktors angereichert. Neben Tantal und Niob gelangt auch ein Teil des im Einsatzmaterial enthaltenen Titans als unerwünschtes Begleitelement in die Metallphase.
Sein Großteil verbleibt jedoch als Oxid in der Schlacke und wird dort hauptsächlich im Mineral Perowskit (CaTiO3) gebunden. Die erstarrten Schlackeproben wurden mit verschiedenen Methoden wie Röntgenfluoreszensanalyse, Röntgenbeugung und Rasterelektronenmikroskopie mit gekoppelter energiedispersiver Röntgenanalyse untersucht, um die Bildung tantalhaltiger Mineralphasen zu verschiedenen Stadien des Reduktionsprozesses zu verfolgen.
Die hier gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass weniger die durch das Einblasen von Koks verursachte Reduktionsreaktion, sondern das Absinken der tantalreichen Eisentröpfchen in der flüssigen mineralischen Schmelze, gefolgt von ihrer Anreicherung in die Metallphase, für die Kinetik ausschlaggebend ist.
UBA und BAM schlagen die Durchführung der Prüfkammermessungen bei 23 °C und 50% relativer Luftfeuchte, einer Beladung von 1,8 m²/m³ und einem Luftwechsel von 0,5 pro Stunde vor. Diese Parameter orientieren sich an der EN 16516, die als zukünftige „Referenznorm“ zu betrachten ist. Die Schmalflächenversiegelung ist auch zukünftig wie in der EN 717-1 beschrieben vorzunehmen. Nach 28 Tagen wird der Mittelwert einer Doppelbestimmung als Endkonzentration („entsprechend der Ausgleichskonzentration“) berechnet. Alternativ dazu kann die Prüfung vorzeitig abgebrochen werden, wenn an 5 Messtagen der Prüfung eine Formaldehydkonzentration von 0,1 ppm nicht überschritten wird.
Prüfungen nach der EN 717-1 sollen weiterhin gleichberechtigt möglich sein. Ergebnisse von Messungen, die nach der EN 717-1 ermittelt wurden, sind mit dem Faktor 2,0 zu multiplizieren.
Abgeleitete Verfahren wie z.B. das Gasanalyseverfahren sollen weiterhin möglich sein. Das Perforatorverfahren entfällt hier, da eine allgemeine für alle Holzwerkstoffe gültige Korrelationen nicht existiert.
Die entsprechenden Änderungen sind in der vom BMUB veröffentlichten „Bekanntmachung analytischer Verfahren für Probenahmen und Untersuchungen für die im Anhang der Chemikalien-Verbotsverordnung genannten Stoffe und Stoffgruppen“ entsprechend zu ändern.
The intention of the presentation is to inspire a discussion on the needs and challenges for the digitalisation of SOPs. SOPs are available for the disciplines of physical-chemical characterisation, for toxicology, for environmental applications and for exposure applications. Furthermore the SOPs need to be integrated in the regulatory framework and need to be detailed enough for the digital processing. This is highlighted in this presentation.
Der mitteleuropäische Mensch hält sich 80 – 90 % der Zeit in Innenräumen auf. Je nach Aktivität atmet er 10 – 20 m³ bzw. 12 - 24 kg Luft täglich, das ist weit mehr als das Doppelte der Summe an Essen und Trinken. Die technischen Voraussetzungen für die Bestimmung von Emissionen aus Bauprodukten in die Luft liegen vor – harmonisierte horizontale Prüfnorm EN 16516. Es dürften mittlerweile zig-tausende Emissionsdatensätze vorliegen. Defizite gibt es bei der Kennzeichnung zur Unterscheidung emissionsarmer und emissionsreicher Produkte, die bestehende CE-Kennzeichnung ist unvollständig, ersatzweise gibt es nationale Regelungen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichen Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
Die gemeinsame Forschungsstrategie der Bundesoberbehörden zur Nanotechnologie wurde 2016 veröffentlicht. Die darin enthaltenen Aufgaben wurden von den Bundesoberbehörden vielfältig bearbeitet. Diese Präsentation gibt einen Überblick über die Projekte, die von der BAM bis 2019 bearbeitet wurden/werden und sich in den Rahmen der Forschungsstrategie einordnen.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien. (Projektteil Fasern.)
Ergebnisse:
Abweichungen zwischen SEM and TEM insbesondere bei langen Fasern
Die Anwendung von TEM auf kurze Fasern < 5 µm beschränkt
Für SEM wurde keine signifikante Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße der Aufnahmen festgestellt
Für TEM wurde eine Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße festgestellt
Der Einfluss der Bildauswertenden auf die Varianz der Ergebnisse ist klein im Vergleich zu der gesamten Varianz.
Nanofasern können mit TEM und SEM bestimmt werden!
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien.
Ergebnisse:
Ideal sphärische Partikel sind gut und verlässlich mit vielen Methoden charakterisierbar.
Reale (Nicht ideale) Materialien sind gut charakterisierbar, wenn eine gewisse Homogenität und Stabilität vorliegt.
Stark inhomogene und stark agglomerierende Partikel liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Methoden.
Partikel mit geringen Größenunterschieden lassen sich mit allen Methoden gut charakterisieren.
Partikel mit sehr deutlichen Größenunterschieden führen häufig zu einer Unterbewertung der kleineren Partikel.
Vollautomatische Partikeldetektion bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist z.Zt. noch stark fehleranfällig und kann daher nicht empfohlen werden.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es ist dringend zu empfehlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
Sintered bioactive glass scaffolds of defined shape and porosity, e.g. made via additive manufacturing, must provide sufficient bioactivity and sinterability. As higher bioactivity is often linked to high corrosion and crystallization tendency, a certain compromise between sintering ability and bioactivity is therefore required. Groh et al. developed a fluoride-containing bioactive glass (F3), which allows fiber drawing and shows a bioactivity well comparable to that of Bioglass®45S5.
To study whether and to what extent the sinterability of F3 glass powder is controlled by particle size, coarse and fine F3 glass powders (300-310µm and 0-32µm) were prepared by crushing, sieving and milling. Sintering, degassing and phase transformation during heating were studied with heating microscopy, vacuum hot extraction (VHE), DTA, XRD, and SEM.
For the coarse glass powder, sintering proceeds slowly and is limited by surface crystallization of primary Na2CaSi2O6 crystals. Although the crystallization onset of Na2CaSi2O6 is shifted to lower temperature, full densification is attained for the fine powder. This finding indicate that certain porosity might be tuned via particle size variation. Above 900°C, intensive foaming is evident for the fine powder. VHE studies revealed that carbon species are the main foaming source.
In many late-breaking research fields as in photovoltaics, microelectronics, nuclear waste glasses or at least mirror glasses silver diffusion in glasses is relevant to the issues of high-level functionality and recycling. The present study is focused on silver diffusion in innovative, low-melting alkali zinc borate glasses (X2O-ZnO-B2O3, X = Li, Na, K, Rb) potentially usable for silver metallization-pastes in solar cells. The glasses were coated with a thin metallic silver layer and heat treatments in air and nitrogen close to Tg at 470 °C for 2 h were performed. After heat treatment under air and nitrogen atmospheres the coating thickness, measured by a white light interferometer, was about 1.8 µm thick. Silver depth profiles determined by means of secondary neutral mass spectrometry (SNMS) indicate the fastest silver diffusion to a depth of 3.5 µm for Li2O-ZnO-B2O3 (LZB) glass. Nevertheless, the influence of the different alkali ions on the silver diffusion is small. The oxygen availability determines the silver diffusion into the glasses. The oxygen promotes the oxidation of the silver layer enabling Ag+ to diffuse into the glass and to precipitate as Ag0. Both species were detected by x-ray absorption spectroscopy (XAS). The precipitated metallic silver particles in Na2O-ZnO-B2O3 (NZB) glass have a mean size of 5.9 nm ± 1.2 nm diameter, which was determined using transmission electron microscopy (TEM). Phase separation in zinc-rich and zinc-poor phases with a mean diameter of 75 nm ± 20 nm occurred in NZB glass after heat treatment. Ion diffusion of the glasses into the silver layer was suggested by EDX-line scans.
Museums worldwide are equipped with different display cases. Exhibit display cases should protect cultural objects from dust as well as from mechanical and physical damage. To ensure a stable climate inside the display cases, a low air exchange rate is maintained. Typically air exchange rates are often smaller than 0.1 d 1, which can result in rising concentrations of potential harmful immissions inside of the display cases due to emissions from materials. Especially high concentrations of organic acids, which can emit from e.g. sealing materials, can produce damage of cultural objects. In 2012 BAM introduced a procedure witch is called: BEMMA-Scheme (Bewertung von Emissionen aus Materialien für Museumsausstattungen) which stands for: “Assessment of Emissions from Materials for Museum Equipment”. Micro chambers are used for VOC emission tests of display case construction materials, e.g. textiles, plastics, sealing material, coatings and others. Each sampling procedure is carried out in duplicate. Emissions like formic acid, acetic acid, formaldehyde and oximes are excluded and the sum of emissions of VVOCs, VOCs and SVOCs is limited. For a positive assessment all listed criteria must be fulfilled; otherwise the display construction material fails the BEMMA scheme. The BEMMA scheme is not a guarantee for an emission free display case, but a necessary requirement for the choice of suitable materials for emission and immission reduced display cases.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte. Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen. Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen. Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
Es lässt sich feststellen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher flüchtiger organischer Verbindungen aus Bauprodukten freigesetzt werden kann. Hierbei gibt es in den meisten Bauproduktgruppen sowohl emissionsarme als auch emissionsreiche Produkte.
Manche Verbindungen sind produktgruppenspezifisch; so werden beispielsweise Siloxane aus Silikondichtmassen freigesetzt, andere Verbindungen sind eher unspezifisch wie Formaldehyd und Essigsäure, die aber in unterschiedlichen Konzentrationen aus einer Vielzahl von Produkten abgegeben werden und zu den am häufigsten emittierten Verbindungen zählen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass VOC-Analytik und Gerüche im Allgemeinen keinen Zusammenhang zeigen.
Gerade bei modernen, dichten Bauten mit geringem natürlichem Luftwechsel sind hohe Schadstoffkonzentrationen zu erwarten, wenn nicht emissionsarme Materialien und Produkte zum Einsatz kommen.
A reliable analysis of aerosol particle is curial for enforcing EU air quality regulations to protect human health, and for research on climate change effects [1]. 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. Within the AEROMET project [2] procedures are developed aiming at reducing the uncertainties of particle mass, size, and number concentration measurements including the characterization of regulated components in airborne particles. Here, we present an approach how to improve the uncertainties of the particle mass by mobile total reflection x-ray fluorescence (TXRF) analysis. The combination of TXRF and aerosols sampling techniques supported by reference-free synchrotron radiation-based XRF enables a quantitative real-time analysis of particle mass. During in-field campaigns, the procedure was tested, monitoring the size dependent mass concentrations of specific elements in ambient aerosols under dynamic conditions. 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 on acrylic discs. TXRF analysis was performed on-site with the transportable spectrometer S2 PICOFOX (Bruker Nano GmbH). The TXRF quantification was based on internal standardization. At moderate air pollution levels (PM10 20 µg/m³) sampling times of less than 2 hours were enough to detect elements in different particle size bins. The on-site 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. 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 temporal change in respective mass concentrations over the day while the distributions of several other elements remain unchanged.
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.
Quality Improvement of VOC chamber emission tests observed for 10 years with round robin tests
(2018)
In Europe, the Construction Products Regulation (CPR, 2011/305/EU) sets basic requirements (BR) on how construction works must be designed and built. BR 3 “hygiene, health and the environment” states low emissions of toxic gases, Volatile Organic Compounds (VOCVOCs), particles, etc. from building materials. Meanwhile, a worldwide network of professional Commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established.
Therefore, comparability of test results must be ensured. The participation in Round Robin Tests (RRTRRTs) is a means to prove a laboratory’s proficiency. Since 2006 BAM offers such proficiency test for emission chamber test every two years.
Any commercially available product on the market can be used as reference material, provided it is thoroughly characterised. However, these materials often emit only a few and material specific VOCs and appropriate homogeneity is not given. Therefore, alternative materials should be found. BAM used different materials over the years. Currently, the best suited reference material is a cured lacquer surface which contained several VOCs added to the liquid lacquer system. The round robin tests 2014, 2016 and 2018 were conducted with such a system.
Compounds like Styrene or n-Alkanes like Decane or Tridecane were tested in many of the proficiency test operated by BAM. Up to now the relative standard deviation of these compounds decrease continuously. Starting with values about 30 % in 2008 we reached values for the mentioned compounds 15 to 20 % now. But even for more polar compounds improved results were received.
Over the years the results of a large group of laboratories detected many compounds with much higher accuracy than at the beginning. So, the comparability between results of different laboratories becomes much better.
Bauprodukte, die in Innenräumen verwendet werden, sollten die Gesundheit und das Wohlbefinden der Personen die sich darin aufhalten nicht durch das Ausdünsten von Geruchsstoffen stören. Die DIN ISO 16000-28 „Bestimmung der Geruchsstoffemissionen aus Bauprodukten mit einer Emissionsprüfkammer“ (DIN ISO 16000-28) beschreibt umfassend die Möglichkeiten der Geruchsprüfung. In Verbindung mit der Anwendung der VDI-Richtlinie 4302 Blatt 1 „Geruchsprüfung von Innenraumluft und Emissionen aus Innenraummaterialien“ (VDI 4302 Blatt 1) ist sie zur Bewertung der empfundenen Intensität von Bauprodukten mit Vergleichsmaßstab geeignet (Umweltbundesamt 2015). In einem vom Umweltbundesamt (UBA) geförderten Forschungsprojekt der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) und der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wurden erstmals verschiedene Vergleichsmaßstäbe miteinander verglichen. Ziel des derzeitigen Folgeprojektes ist nun, Mindestanforderungen an Vergleichsmaßstäbe zu erarbeiten, welche die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöhen und mit denen die Norm konkretisiert werden kann. Dieser Beitrag stellt die Untersuchungen und Ergebnisse des ersten Projektes und die Schlussfolgerungen für die Durchführung des zweiten Projektes dar.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
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.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
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.
Micro-(nano-)encapsulation technology involves building of a barrier between the core and the environment and offers a number of benefits to preserve the functional and physicochemical properties of core material. Tremendous progress has been made in synthesizing well-defined capsules to achieve desired properties such as particle size, chemical composition, and controlled release of the payload.
Encapsulation of volatile organic compounds (VOCs) that could evaporate with a defined rate is of immense interest for application in emission reference materials (ERM). These are urgently needed for quality assurance and quality control purposes (QA/QC) required by test standards for the determination of chemical emissions of construction and other materials for interior use. As such ERMs are hardly available on the market, the EU-funded EMPIR project MetrIAQ [1] was started to fill this gap by developing a material with temporally constant emission of VOCs typically found in indoor air.
Different capsules in a size range between 5 and 50 μm were synthesized through an interfacial polyaddition/polycondensation reaction in direct (water-in-oil) system. As VOC several types of hydrophobic liquid materials were used. After synthesis, the morphology and physicochemical properties of capsules were characterized by electron microscopy, FTIR and DSC/TGA. An encapsulation efficiency up to 90% could be reached. The emission kinetic of volatile agents was studied in emission test chambers at 23 °C and 50% RH for 14 days. First results indicate that variation of the cross-linking grade of the shell material is one important parameter to adjust the desired emission rate. The overall aim is to achieve a consistent emission profile that decreases by less than 10 % over a target period of at least 14 days.
Micro-(nano-)encapsulation technology involves building a barrier between the core and the environment and offers several benefits to preserve the functional and physicochemical properties of core material. Tremendous progress has been made in synthesizing well-defined capsules to achieve desired properties such as particle size, chemical composition, and controlled release of loaded compounds.
Encapsulation of volatile organic compounds (VOCs) that could evaporate with a defined rate is of immense interest for application in emission reference materials (ERM). These are urgently needed for quality assurance and quality control purposes (QA/QC) required by test standards for the determination of chemical emissions of construction and other materials for interior use. As such ERMs are hardly available on the market, the EU-funded EMPIR project MetrIAQ was started to fill this gap by developing a material with temporally constant emission of VOCs typically found in indoor air.