LNPS Langzeit-Nanopartikelsammler (Langzeit-Nanopartikelsammler für die Elektronenmikroskopie LNPS)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 602.14.19

Schlüsselwörter (Deutsch)

Messgerät, Nanopartikeln, PM 0.1, Langzeit Monitoring, Partikelsammlereinheit, Luftreinhalteverordnung, LRV

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Monitoring und die Datenlage über die Art und Menge der in der Luft enthaltenen Nanopartikel (PM0.1) ist noch sehr gering. Durch eine gezielte Überwachung und Quellenidentifizierung von Nanopartikeln in der Luft können die Risiken für die Umwelt besser eingeschätzt und die Menschen vor schädlichen Einflüssen geschützt werden. Durch bessere Kenntnisse über das Vorkommen von Nanopartikeln in der Umwelt können weiter Transparenz geschaffen und neuartige Wirkungen, zum Beispiel von Mischagglomeraten, identifiziert werden. Mit den Erkenntnissen über das zeitliche Auftreten von Nanopartikeln lassen sich zudem entsprechende Massnahmen bereitstellen und eine bessere Überwachung der Luftqualität erzielen um so die Luftreinhalteverordnung (LRV) besser zu vollziehen.
Bestehende Partikelsammelgeräte wie der Partector von Naneos oder der TPS100 der RJ Lee Group sind für Kurzzeitprobenahmen an Abgasnachbehandlungssystemen konzipiert worden und eignen daher sich nicht für Langzeit Monitoring Aufgaben. Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es einen Langzeit-Nanopartikelsammler zu entwickeln um damit ein Monitoring des Vorkommens von Nanopartikeln über längere Zeiträume (Jahre) zu ermöglichen. Die beprobten Nanopartikel werden mittels Elektronenmikroskopie auf Ihre Morphologie und chemische Zusammensetzung analysiert.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 02.11.2018 an der Sitzung der Koko UT vom 29.11.2018 unter Auflagen genehmigt. Die Auflagen wurden vor Vertragsunterzeichnung erfüllt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1    Ein Prototyp der Partikelsammlereinheit, welcher die erforderlichen Strömungs- und Temperaturverhältnisse beherrscht, ist entwickelt und testbereit. Go/NoGo Meilenstein 1.

2    Der Verlauf der Partikelkonzentration kann mit dem im LNPS integrierten Partikelzähler verfolgt und die dabei abgeschiedenen Partikel im Labor mittels Elektronenmikroskopie gemessen werden und die Messdaten belegen die Eignung der Partikelsammlereinheit für kleine Strömungen. Go/NoGo Meilenstein 2.

3    Die Entwicklung des Temperaturmanagements im System kann die Kondensation von Wasser im Nanopartikelsammler verhindern. Das Temperaturmanagement stellt sicher, dass die kalte Seite der Messkammer immer über der Taupunkttemperatur der Luftprobe liegt und der verlangte Temperaturgradient zwischen der kalten und der warmen Seite der Messkammer optimal ist. Go/NoGo Meilenstein 3.

4    Ein funktionsfähiger Nanopartikelsammler ohne Benutzer Interface ist entwickelt und Mess-daten belegen die Funktionalität. Go/NoGo Meilenstein 4.

5    Ein serientauglicher Nanopartikelsammler mit Benutzer-Interface ist fertigentwickelt und wird im Minimum mit einem METAS zertifizierten SMPS getestet und kalibriert.

6    Ein serientauglicher Nanopartikelsammler mit Benutzer-Interface hat die CE-Zertifizierungen erhalten. Go/NoGo Meilenstein 5.   

7    Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

8    Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

9    Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Es soll ein CE zertifiziertes Messgerät zur Langzeitbestimmung von beliebigen Nanopartikeln (PM0.1) in der Luft mittels Elektronenmikroskopie entwickelt werden. In die Tests werden Partikel ab der Ordnungszahl 6 (Kohlenstoff) miteinbezogen, ohne Begrenzung nach oben, soweit die Partikel mittels Elektronenmikroskopie bestimmbar sind (keine Gase und Flüssigkeiten und keine leichtflüchtigen bei Raumtemperatur festen Verbindungen).

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Der Langzeit-Nanopartikelsammler (LNPS) sammelt mittels Thermophorese Nanopartikel aus der Luft auf einem TEM-Grid. Für die Abscheidung zu grosser Partikeln, welche die Analytik stören, wurde ein entsprechender Lufteinlass entwickelt. Damit werden nur einzelne Nanopartikel und kleinere Sekundärpartikel (Aggregate und Agglomerate) gesammelt. Der Luftdurchsatz wird über moderne Mikropumpen mit niedrigem Stromverbrauch erzeugt. LNPS ist so konzipiert, dass nur minimale Partikel-Diffusionsverluste auftreten, sodass sich auch Partikel von 5 nm Durchmesser erfassen lassen. Kondensation wird durch eine intelligente Beheizung vermieden. Die Probenahme kann an die Partikelkonzentration angepasst werden, Sammelintervalle von wenigen Tagen bis mehreren Monaten sind möglich. Der integrierte Partector (https://www.naneos.ch/) erfasst den zeitlichen Verlauf des Nanopartikelauftretens und erlaubt damit eine ereignisgesteuerte Probenahme. Da LNPS bis zu drei Sammelkammern, mit jeweils bis zu vier TEM-Grids aufnehmen kann, können gleichzeitig Parallelproben (Redundanz) und ereignisgesteuerte Proben erhoben werden. Die Betriebsparameter werden geloggt und können zur Online-Überwachung genutzt werden. Um die Funktionalität und die Anwendungsgrenzen zu testen, wurde nach geeigneten Analysengeräten gesucht. Als ideal haben sich Raster-TEM der neuesten Generation erwiesen. Für die effiziente Auswertung der TEM-Daten wurde ein Algorithmus zur Bildauswertung entwickelt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Der Langzeit-Nanopartikelsammler (LNPS) kann für Emissions- sowie für Immissionsprobenahmen verwendet werden. Für Betriebe, welche Nanomaterialien verwenden oder herstellen, kann der LNPS eine kostengünstige Überwachung für die Arbeitssicherheit bieten, weil die teure Analytik nur dann anfällt, wenn ein Ereignis (z.B. Störfall) aufgetreten ist. Aktuell gibt es kaum detaillierte Nanopartikeldaten für die Umwelt. Der Grund dafür ist der hohe Aufwand für die Probenahme und die zum Teil fehlende Analytik. Für die Immissionsüberwachung ist es mit dem LNPS erstmals möglich, kostengünstig Nanopartikelproben zu erheben, auf denen Einzelpartikelanalysen für die Morphologie und Chemie bis in den tiefen Nanometerbereich möglich ist. Diese Informationen sind wichtig für die Gesundheitsforschung, da ausser der Partikelanzahlkonzentration auch die chemische Zusammensetzung der Nanopartikel massgebend ist. Hierzu kann der LNPS einen wesentlichen Nutzen leisten.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Zusammen mit dem BAFU und der EMPA ist ein Einsatz des LNPS in der NABEL Messstation Zürich Kaserne geplant. Dort ist ein Partikelzähler neuester Generation in Betrieb. Die Parallelmessung mit dem LNPS soll die chemische Zusammensetzung der gezählten Nanopartikel ermöglichen. Zudem ermöglicht die parallele Messung ein quantitativer Vergleich. Das LNPS Entwicklungs-Team wurde bereits von der ZHAW und dem Swiss Tropical and Public Health Institute bezüglich eines LNPS-Einsatzes angefragt. Weitere Projekte zur Quantifizierung und Identifizierung von Nanopartikeln laufen an verschiedenen Orten in der EU. Das Ziel ist, den LNPS in diesen Forschungsinstitutionen bekannt zu machen resp. für Testmessungen einzusetzen. Für die Analytik wird ein Vertrag mit dem Nano Imaging Lab der Universität Basel angestrebt. (Eine lose Zusammenarbeit im Rahmen der LNPS-Entwicklung besteht bereits.) Darauf basierend soll eine integrale Dienstleistung aus Probenahe und TEM-Analytik angeboten werden.