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CEQAT-DGHS Interlaboratory Test Programme for Chemical Safety - Need of Test Methods Validation -
(2019)
Safety experts, manufacturers, suppliers, importers, employers or consumers must be able to rely on the validity of safety-related test methods and on correct test results and assessments in the laboratory. Via the eChemPortal lots of data from the REACH registration dossiers are available. However, the quality and correctness of the information remains in the responsibility of the data submitter. Unfortunately, we found more or less appropriate information on physicochemical properties and concluded that more quality or adequacy of any data submitted will be needed.
Interlaboratory tests play a decisive role in assessing the reliability of test results. Interlaboratory tests on different test methods have been performed by Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in collaboration with the QuoData GmbH during the last 10 years. Significant differences between the results of the participating laboratories were observed in all interlaboratory tests. The deviations of the test results were not caused only by laboratory faults but also by deficiencies of the test method.
In view of the interlaboratory test results the following conclusions can be drawn:
• To avoid any discrepancy on classification and labelling of chemicals it should become state of the art to use validated test methods and the results accompanied by the measurement uncertainty.
• A need for improvement is demonstrated for all examined test methods. Thus, interlaboratory tests shall initially aim at the development, improvement and validation of the test methods and not on proficiency tests.
• The laboratory management and the practical execution of the tests need to be improved in many laboratories.
• The term "experience of the examiner" must be seen critically: A "long experience with many tests" is not necessarily a guarantee for correct results.
In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten mit Hilfe von isoperibolen oder adiabaten Warmlagerungsversuchen beurteilt, hier liegen die Probenvolumina üblicherweise im Bereich von ca. 100 cm3 bis zu einigen Litern. Die Extrapolation auf technisch relevante Volumina birgt jedoch erhebliche Unsicherheiten. Diese beruhen auf:
- Extrapolation über mehrere Größenordnungen,
- Limitierungen der verwendeten Extrapolationsmethode (enge Start- und Randbedingungen),
- dem unterschiedlichen Temperaturniveau der Laborversuche im Vergleich zu technischen Lagerungen, insbesondere der Einfluss des enthaltenen Wassers,
- nicht eindeutige Kriterien für Zündung/Nichtzündung,
- Einfluss verschiedener Extrapolationsverfahren,
- mit Hilfe von Laborversuchen nicht erfassbarer Reaktionen (Niedertemperaturoxidationen, Zersetzung, Autokatalyse etc.),
- Streuungen der Messergebnisse.
Diese Unsicherheiten zu verringern ist Inhalt des vorgestellten Forschungsprojektes. Hauptziele des Projektes sind daher, die im Labormaßstab vorhandenen Prüfeinrichtungen durch einen Versuchsstand zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu 1000 dm3 zu erweitern, die Eignung (oder Nichteignung) der etablierten Methoden nachzuweisen und im Labormaßstab nicht erfassbare Einflussgrößen zu ermitteln. Zudem sollen anhand der kleinskaligen Tests Entscheidungskriterien abgeleitet werden, ob eine Extrapolation nach den derzeit üblichen Methoden zulässig ist.
Erste Ergebnisse des Projektes bestätigen, dass die Bestimmung des Selbstentzündungsverhaltens von Stäuben und Schüttgütern und insbesondere die Ermittlung reaktionskinetischer Daten mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Sowohl Warmlagefungsversuche im Labormaßstab als auch mit Hilfe verschiedener Methoden ausgewertete thermoanalytische Methoden lassen, insbesondere einzeln betrachtet, zum Teil nur bedingt verlässliche Aussagen über das Selbstentzündungsverhalten großer Schüttungen zu. Vollständige Versuchsreihen unter Nutzung aller vorgestellten Untersuchungsmethoden sollen präsentiert und abhängig vom Probenmaterial - Schlussfolgerungen hinsichtlich der Zulässigkeit der Extrapolationsmethoden diskutiert werden.
Vorgestellt wird ein 2018 gestartetes Projekt zur Überprüfung der Extrapolation von im Labormaßstab ermittelten Selbstentzündungstemperaturen auf technisch relevante Volumina. Für die Ermittlung reaktionskinetischer Daten von Feststoffschüttungen stehen eine Reihe von Untersuchungsmethoden zur Verfügung. Dies sind thermische Analysen wie z.B. die differential scanning calorimetry DSC sowie Mikrokalorimetrie zur hochgenauen Messung von Wärmeströmen, bei denen sehr geringe Probenmengen zum Einsatz kommen. In der Regel wird das Selbstentzündungsverhalten jedoch mit Hilfe von isoperibolen oder adiabaten Warmlagerungsversuchen beurteilt, hier liegen die Probenvolumina üblicherweise im Bereich von ca. 100 cm³ bis zu einigen Litern. Die Extrapolation über mehrere Größenordnungen auf technische Volumina birgt Unsicherheiten, da mit Zunahme des Lagervolumens veränderte Start- und Randbedingungen vorliegen können. Zudem besteht die Möglichkeit, dass bei in technischen Lagern vorherrschenden niedrigen Temperaturen Reaktionen ablaufen, die in Standard- Laborversuchen nicht erfasst werden aber einen wesentlichen Einfluss auf das Selbstentzündungsverhalten aufweisen können. Hauptziel des Projektes ist es daher, die im Labormaßstab vorhandenen Prüfeinrichtungen durch einen Versuchsstand zur Untersuchung von Probengrößen von bis zu 1000 dm³ zu erweitern, die Eignung (oder Nichteignung) der etablierten Methoden nachzuweisen und im Labormaßstab nicht erfassbare Einflussgrößen zu ermitteln. Zudem sollen anhand der kleinskaligen Tests Entscheidungskriterien abgeleitet werden, ob eine Extrapolation nach den derzeit üblichen Methoden zulässig ist.
Die Ursachen für Chemikalienunfälle können vielfältig sein. Prävention beginnt bereits im Prüflabor, wenn Chemikalien auf ihre gefährlichen Eigenschaften getestet werden. Dazu sind Prüfmethoden entwickelt und veröffentlicht worden, die heute weltweit Anwendung finden. Auf die Validität der Prüfmethode und richtige Durchführung der Prüfung im Laboratorium müssen sich Sicherheitsfachkräfte, Transporteure oder Händler verlassen können. Anhand der in den letzten 10 Jahren im Rahmen des CEQAT-DGHS von BAM und PTB durchgeführten Ringversuche (RV) wird gezeigt, dass bei allen bisher untersuchten Prüfmethoden ein Verbesserungsbedarf besteht. Die RV müssen daher zunächst auf die Methodenverbesserung und -validierung abzielen und nicht auf Leistungstests. Das Labormanagement und die praktische Durchführung der Prüfung sind in vielen Laboratorien verbesserungsbedürftig. Der Begriff „Erfahrung der Prüfer“ ist kritisch zu sehen: Eine „lange Erfahrung mit vielen Prüfungen“ ist nicht unbedingt ein Garant für richtige Ergebnisse.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.
Prävention beginnt im Prüflabor, wenn Chemikalien auf ihre gefährlichen Eigenschaften getestet werden. Dazu sind Prüfmethoden entwickelt und veröffentlicht worden, die heute weltweit Anwendung finden. Auf die Validität der Prüfmethode und richtige Durchführung der Prüfung im Laboratorium müssen sich Sicherheitsfachkräfte, Transporteure oder Händler verlassen können. Anhand der in den letzten 10 Jahren im Rahmen des CEQAT-DGHS von BAM und PTB durchgeführten Ringversuche (RV) wird gezeigt, dass bei allen bisher untersuchten Prüfmethoden ein Verbesserungsbedarf besteht. Die RV müssen daher zunächst auf die Methodenverbesserung und -validierung abzielen und nicht auf Leistungstests. Das Labormanagement und die praktische Durchführung der Prüfung sind in vielen Laboratorien verbesserungsbedürftig. Der Begriff „Erfahrung der Prüfer“ ist kritisch zu sehen: Eine „lange Erfahrung mit vielen Prüfungen“ ist nicht unbedingt ein Garant für richtige Ergebnisse. Bei der Prüfung der gefährlichen Eigenschaften von Chemikalien sind Referenzmaterialen auf Grund der Instabilität in der Regel nicht verfügbar. Für Prüflaboratorien sind RV daher eine Alternative bei der Qualitätssicherung. RV sind jedoch aufwendig und können nur in relativ großen Zeitabständen durchgeführt werden. Es sind deshalb Verfahren zur Verifizierung z. B. der in den Laboratorien verwendeten Prüfapparaturen zu entwickeln. Die Entwicklung von Verifizierungsverfahren wird am Bespiel der Prüfmethode UN Test N.5 demonstriert.
CEQAT-DGHS Interlaboratory Test Programme for Chemical Safety - Need of Test Methods Validation
(2019)
Safety experts, manufacturers, suppliers, importers, employers or consumers must be able to rely on the validity of safety-related test methods and on correct test results and assessments in the laboratory. Via the eChemPortal lots of data from the REACH registration dossiers are available. However, the quality and correctness of the information remains in the responsibility of the data submitter. Unfortunately, we found more or less appropriate information on physicochemical properties and concluded that more quality or adequacy of any data submitted will be needed.
Interlaboratory tests play a decisive role in assessing the reliability of test results. Interlaboratory tests on different test methods have been performed by Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in collaboration with the QuoData GmbH during the last 10 years. Significant differences between the results of the participating laboratories were observed in all interlaboratory tests. The deviations of the test results were not caused only by laboratory faults but also by deficiencies of the test method.
In view of the interlaboratory test results the following conclusions can be drawn:
• To avoid any discrepancy on classification and labelling of chemicals it should become state of the art to use validated test methods and the results accompanied by the measurement uncertainty.
• A need for improvement is demonstrated for all examined test methods. Thus, interlaboratory tests shall initially aim at the development, improvement and validation of the test methods and not on proficiency tests.
• The laboratory management and the practical execution of the tests need to be improved in many laboratories.
• The term "experience of the examiner" must be seen critically: A "long experience with many tests" is not necessarily a guarantee for correct results.
Smouldering fires and explosions arising from self-ignition of coal dust deposits represent a serious hazard for human being, environment and industry. It is essential for plant operators to know the conditions (temperature, duration and quantity) at which storage will be safe. In this work, self-ignition behaviour of three bituminous coal dusts in large scales are theoretically studied, based on the experimental data via a standardized hot-basket apparatus. A comprehensive 2-D transient model is developed, using a 2nd-order reaction kinetics considering both coal and oxygen consumptions, to investigate self-ignition parameters of coal dust accumulations. The numerical model shows a less conservative prediction compared with the steady-state methods. The computational self-ignition temperature and ignition delay time show a satisfaction agreement with lab-scale experimental results. In addition, the influences of ambient temperature and moisture content are analysed. The result shows that the moisture content delays the ignition and a small variation of the ambient temperature nearby the critical condition will lead to a large difference of the ignition delay time.
Industrial fires and explosions initiating from self-ignition of combustible porous dust deposits represent a serious hazard for human beings, environment and industry. Understanding the fundamental basis of combustible dust ignition behaviours at different geometries is of importance to prevent and mitigate the accidental risks. A correlation of self-ignition temperatures (SITs) measured by hot-oven tests and minimum ignition temperatures of dust layers (MITLs) determined by hot-plate tests has been established previously. However, this analogy approach based on Frank-Kamenetzkii model is limited by ignoring the influence of oxygen diffusion. In this work, an improved method is developed by implementing a correction factor for the pre-exponential factor caused by the boundary geometry. This method is testified by comparing with experimental data, previous analogy method and numerical simulation. Results show that our proposed method performs a better predictability of MITLs and simplicity. The improved analogy method indicates that the different boundary geometries of a dust deposit significantly impact the apparent pre-exponential factor, while have an ignorable influence on the activation energy, which is also verified by numerical investigations. Furthermore, the numerical model with the corrected kinetic parameters provides a satisfactory explanation compared with experimental observations regarding to temperature and concentration evolutions of dust layers.