DE3336962A1

DE3336962A1 - Vorrichtung zum staubnachweis

Info

Publication number: DE3336962A1
Application number: DE19833336962
Authority: DE
Inventors: Harold Gibson; Gordon Edinburgh Scottland Lynch; David East Lothian Scottland Mark; James Henry Vincent
Original assignee: Coal Industry Patents Ltd
Current assignee: Institute Of Occupational Medicine Ltd Edinburgh
Priority date: 1982-10-22
Filing date: 1983-10-11
Publication date: 1984-04-26
Also published as: FR2535050B1; GB2129335A; DE3336962C2; US4586389A; GB2129335B; FR2535050A1

Description

Coal Industry (Patents) Limited,
Hobart House, Grosvenor Place,
London SW1X 7AE, England

Vorrichtung zum Staubnachweis.

Die Erfindung betrifft Verbesserungen beim Staubnachweis und insbesondere ein Spektrometer für einatembares Staub-Aerosol.

Das Probenahmen von Staub in der Luft ist eine wichtige Hilfe, um die Arbeits- und Lebensbedingungen in der Umwelt zu verbessern. Im Laufe der Jahre wurden eine Anzahl von Vorrichtungen entwickelt, welche SJaub in der Luft prüfen und sammeln. Ein frühes erfolgreiches Beispiel war die "MRE Gravimetrie Dust'Sampler" der National Coal Board, welches von Casella vertrieben wurde, welches Staub aerodynamisch mittels Auswaschung auswählt, so daß feine Partikel auf einem Filter gesammelt und ausgewogen werden können, welche als einigermaßen repräsentativ für diejenigen erachtet werden, die im alveolären Bereich der Lunge abgelagert sind. Dieses Gerät wurde in weitem Umfang in der britischen Kohlenbergbauindustrie benutzt und machte es möglich, die Beziehung zwischen kumulativer Massenkonzentration von einatembarem Staub in der Minenluft und den

Risiken einer Entwicklung einer Staublunge in der Belegschaft aufzustellen. Andere Teilchen auswählende Geräte für im wesentlichen ähnliche Zwecke in der Bergwerks- und anderer Industrie wurden konstruiert und haben ähnliche Resultate erreicht, so daß der Schluß gezogen werden kann, daß

bei vielen staubbezogenen Krankheiten der Lunge die einatembare Komponente primär verantwortlich ist. Jedoch existieren Teilchen von 1uftbefördertem Staub, welche nach Einatmung nicht notwendigerweise die alveolären Regionen

der Lunge erreichen, vielmehr an anderer Stelle im Respirationstrakt abgelagert werden, beispielsweise im nasopharyngealen Bereich (Kopf bis hinunter zum und einschließlich des Kehlkopfs) oder in den tracheobron-chialen Gebieten (Luftröhre und bronchialer Zweig bis hinter zu den Endbronchiolen), wobei diese Ablagerungen ausreichend giftig oder unangenehm sind, um Krankheit hervorzurufen. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein tragbares Instrument zu schaffen, welches zunächst Luft in einer ähnliehen Weise wie der menschliche Körper während des Einatmens aufnimmt und dann die Fraktionierung des so aufgenommenen Staubs ermöglicht, um die gewünschten Ablagerungsfraktionen für weitere Studien zu geben, wobei das Instrument biologisch relevante Staubfraktionen liefert.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein tragbares Aerosol-Staub-SRfiktrometer mit einem Eingangsabschnitt mit einem Probenehmereingang für einatembaren Staub mit einer Eingangseffizienz für luftgetragenen Staub, welche derjenigen des menschlichen Kopfes während der Einatmung angenähert ist, eine Reinigungs-Sammlungs-Stufe, welche im wesentlichen alle Teilchen über 15 μ entfernt (welche nicht in der Lage sind, bis jenseits des Kehlkopfes vorzudringen) und einen Haupt-Sammlungs-Abschnitt mit einem Kaskadenimpaktor, weleher auf aerodynamische Weise Teilchen unterhalb 15 μ klassifiziert und Fraktionen hiervon auf einer Mehrzahl von Sammlungsflächen aufsammelt, ohne wesentliche Teilchenverluste aufgrund Schwerkraft oder Zusammenstoß mit Oberflächen des Impaktors, welche nicht dazu bestimmt sind, Sammlungsflächen darzustellen, sowie einer Pumpeneinrichtung zum Hindurchziehen von Luft oder anderem Gas durch den Eingang und die Sammlungsabschnitte.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Probenehmer-Eingang für den einatembaren Staub. Es wird allgemein nicht erkannt, daß vom menschlichen Körper beim Atmungsakt eine vorläufige aerodynamische Selektion der Staubpartikel in der Luft durchgeführt wird, und daß dies

in weitem Umfang abhängig ist von der aerodynamischen Größe der Teilchen. Beispielsweise wird die Probenaufnahme von Staub in der Regel auf einer Basis durchgeführt, bei der nicht versucht wird, zwischen Staubpartikeln zu unterscheiden, welche in der Regel nicht inhaliert werden, und solchen, welche inhaliert werden. Die Wichtigkeit dieses Umstands kann durch die Tatsache illustriert werden, daß, wenn man Teilchen von 30 μ Durchmesser betrachtet, nur ungefähr 40 bis 60 % derjenigen Teilchen durch die Nase und den Mund eingeatmet werden, welche auf einer "gesamter Staub"-Basis nachgewiesen werden. Selbst bei sehr kleinen aerodynamischen Durchmessern, wie beispielsweise 5 μ ist die Einatmungseffizienz im Bereich von ungefähr 85 bis 97 %. Um eine gute Betriebsweise des Probenaufnehmers für einatembaren Staub zu erreichen, erscheint es notwendig, daß die volumetrische Durchflußleistung ausreichend hoch ist, vorzugsweise mindestens 2 Liter pro Minute, und es sollte daher die Pumpeneinrichtung angepaßt werden, um die gewünschte Effizienzkurve der Probenentnahme über den 0-15 μ-Bereich der Teilchengröße zu erreichen, wenn der Probenaufnehmer für einatembaren Staub benutzt wird. Ein bevorzugter Probennehmer für einatembaren Staub ist eine Entwicklung der ORB, beschrieben von Ogden und Birkett in "Annals of Occupational Hygiene", Vol. 21, 1978, Seiten 41 - 50. Er weist im wesentlichen spherische Form auf mit einer Vielzahl von Eingangslöchern an der gleichen Höhe, vorzugsweise bei ungefähr 20° Breite. Vorzugsweise weist die Kugel einen flachen ringförmigen Streifen oder "Halo" auf, welcher an einer größeren Breite als die Eingangslöcher angeordnet ist, zweckmäßigerweise bei etwa 33° Breite. Die Konfigureation des bevorzugten Probennehmers für einatembaren Staub wird aus der beigefügten Zeichnung im Zusammenhang mit der entsprechenden Beschreibung deutlich.

Der Kaskadenimpaktor ist vorzugsweise eine Entwicklung eines Instruments, welches von Lundgren in "Journal of the Air Pollution Control Association" Vol. 17 No. 4, April 1967, Seite 225 beschrieben ist. Der Lundgren-Impaktor be-

nutzt beschichtete zirkuläre, trommelähnliche Kollektorflächen, mit dem besonders nützlichen Merkmal, daß aufgrund der Rotation der Trommel bei einer stetigen Geschwindigkeit eine chronologische Aufzeichnung des auf der Oberfläehe gesammelten Staubs möglich ist. Der Lundgren-Impaktor benutzt vier Kaskadenimpaktorstufen, wobei eine jede eine Düse umfaßt, welche einen länglichen Schlitz bildet, wobei eine Kollektortrommel nahe dem Schlitz angeordnet ist, so daß die aus dem Schlitz gelangende Luft auf die Kollektortrommel stößt. Grobe luftgetragene Teilchen tendieren dazu, sich an der Trommel abzulagern, während feine Teilchen dazu tendieren, um die Außenseite herum zu gelangen. Durch Verkleinerung der Breite des Schlitzes und Bewegung der Trommel näher zum Schlitz treffen kleine Teilchen auf die Kollektorfläche auf. Die Anmelderin hat jedoch herausgefunden, daß' trotz seines Vorteils der Lundgren-Impaktor, wie er i,n der Druckschrift dargestellt ist, erhebliche Verluste aufweist, welche den Wert der hiervon erhaltenen Informationen zerstört. Die Anmelderin glaubt, daß die BiI-dung von Turbulenzen bzw. Wirbeln, das Absinken aufgrund von Gravitationskräften und Trägheitsstöße von Teilchen mit internen Flächen, welche keine KoI lektor.f lachen sind (Wandverluste) die Verluste bewirken, welche erheblich sind, beispielsweise in der Größenordnung von 30 % für Teilchen von ungefähr 8 μ Durchmesser. Wandverluste können ganz erheblich reduziert werden durch sorgfältige innere Konstruktion, beispielsweise besteht im Falle der vorliegenden Erfindung das bevorzugte Verfahren darin, rotierende Trommelkollektorflächen zu benutzten, welche innerhalb eines geformten Blocks angeordnet sind, so daß ein ringförmiger Raum um jede Trommel entsteht, und die Eingangs-Durchf1ußleistung und die Dimensionen des ringförmigen Raums sind so gewählt, daß eine Luftgeschwindigkeit innerhalb des ringförmigen Raums erreicht wird, welche ausreichend groß ist, um eine schwerkraftsmäßige Ablagerung von Teilchen zu verhindern, jedoch nicht so groß, daß wesentlich weitere Stöße und Wandverluste erzeugt werden.

Vorzugsweise ist die Kollektorfläche einer jeden Kollektortrommel, einschließlich derjenigen der Reinigungs-Sammlungs-Stufe, mit einer klebrigen Substanz beschichtet, um Staubteilchen zurückzuhalten. Es gibt viele geeignete viskose Beschichtungen, obwohl ein Fett wie beispielsweise ein Vakuum-Fett bevorzugt wird. Um die Handhabung der Probennehmer für gesammelten Staub zu erleichtern, ist es bevorzugt, daß eine jede Kollektortrommel eine Kunststoffmembrane entfernbar tra'gt, welche in geeigneter Weise ein-

XO gefettet ist; die Membrane kann dann zu Studienzwecken entfernt werden. Die Trommeln sind, wie bereits vorgeschlagen wurde, vorzugsweise kontinuierlich und synchron angetrieben, und dies kann durch einen qualitativ hochwertigen, federgetriebenen Uhrwerkmechanismus mit einem entsprechenden Getriebe oder mittels eines elektrischen Motors erreicht werden. Die Getriebeübertragung kann veränderbar sein, um unterschiedliche Probeaufnahmezeiten zu ermöglichen.

Die Pumpeneinrichtung wird zweckmäßigerweise passend entsprechend der jeweiligen Aufgabe gewählt, und wenn das Instrument in gefährlichen Umgebungen verwendet werden soll, so wird es notwendig sein, Erfordernisse hinsichtlich der Funkendichte der Stromquelle und/oder andere Sicherheitsmaßnahmen zu berücksichtigen. Wie bereits angedeutet wurde, ist eine relativ hohe Volumendurchflußrate erwünscht, um eine effiziente Arbeitsweise des Probennehmer für einatembaren Staub sicherzustellen und um ausreichend hohe Gasgeschwindigkeiten für den Betrieb des Impaktors zu erreichen, sowie um ausreichende Staubablagerungen zum Ermöglichen ihrer gravimetrischen Wertung zu ermöglichen. Die jeweils tatsächlichen Durchflußgeschwindigkeiten hängen von den gewählten Dimensionen des Instruments als

Ganzes ab.
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Es wurde herausgefunden, daß der beschriebene Kaskadenimpaktor nicht in der Lage ist, Teilchen kleiner als ungefähr 1 μ zu sammeln, und wenn dieser einen signifikanten An-

teil der Teilchengrößenverteilung des Staubs bildet hinsichtlich ihrer Masse oder ihrer Toxizität, so wird vorzugsweise eine End-Sammelstufe, wie beispielsweise ein feiner Filter, vorgesehen, welcher in der Lage ist, Teilchen mit einer Größe unterhalb 1 μ zu sammeln. Man muß im Gedächtnis behalten, daß ein solcher Filter einen deutlichen Druckabfall verursacht und daher muß.eine stärkere Pumpeneinrichtung verwendet werden, um die gewünschte Durchflußleistung aufrechtzuerhalten.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Probennehmereingangs für einätembaren Staub,

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Kaskadenimpaktors mit einer Reinigungs-Sammlungsstufe und vier Haupt-Sammlungsstufen, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des zusammengebauten Spektromet'ers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist der Probennehmer-Eingang 1 für ein einätembaren Staub gezeigt, der in ein tragbares Aerosol-Staub-Spektrometer gemäß der Erfindung eingebaut wird. Der Probennehmer-Eingang weist einen ersten hohlen, halbkugelförmigen Abschnitt 2 auf und einen zweiten hohlen, halbkugelförmigen Abschnitt 3, welcher ein Ausgangs-Verbindungsrohr 4 aufweist. Die halbkugelförmigen Abschnitte sind Metallpreßstücke. Der erste Abschnitt trägt 32 voneinander beabstandete Eingangslöcher 5, welche unter einem Breitengrad von 20° angeordnet sind, und unter einem Breitengrad von 33° ist ein ringförmiger Rand oder Halo 6 vorgesehen. Es wurde herausgefunden, daß der Halo die Aufnahmecharakteristika des Eingangs bezüglich des einätembaren Staubs verbessert. Das Verbindungsrohr ist in eine Eingangsverbin-

dung 7 in der kombinierten Reinigungs-Sammlungs-Stufe und Kaskadenimpaktor gemäß Fig. 2 eingepaßt. _;

In Fig. 2 ist eine im allgemeinen mit der Bezugsziffer 8 bezeichnete Reinigungs-Sammlungs-Stufe am Kaskadenimpaktor, welcher im allgemeinen mit 9 bezeichnet ist, befestigt. Dies Sammlungsstufe besteht aus einem Metallblock 10, welcher so bearbeitet ist, daß er einen kreisförmigen Hohlraum 11 mit einem Schlitz 12 aufweist, welcher eine Verbindung mit dem Eingang 7 schafft. Der Block 10 ist an einem Ende mittels einer Metallbasisplatte 13 abgeschlossen, welche der Sammlungsstufe und dem Impaktor gemeinsam ist, und er weist eine Deckplatte 14 auf, durch welche hindurch sich eine Welle 15 erstreckt, welche einen Sammlungszylinder 16 und ein gezahntes Antriebsrad 17 trägt. Der Hohlraum weist einen Ausgangsschlitz 18 auf, welcher eine Verbindung mit dem Eingangsschlitz 19 der ersten Stufe des Kaskadenimpaktors schafft. Der Kaskadenimpaktor ist in analoger Weise konstruiert und weist vier Stufen auf; eine jede Stufe weist einen separaten Block 10a, 10b usw. auf, welche mit dem Block 10 der Reinigungs-Sammlungs-Stufe mittels Bolzen zusammengefügt sind. Dies wurde gemacht, um die Herstellung des Prototyps zu vereinfachen, und obwohl es möglich ist, die Reinigungsstufe und den Impaktor aus einem einzigen Block herzustellen, wurden keine Lecks entdeckt, wenn die Blöcke zusammengeschraubt waren, ohne daß Dichtscheiben verwendet wurden. Man wird bemerken, daß die Form der Hohlräume für die Impaktorstufen unterschiedlich ist, indem sie eine abgeflachte Kante aufweist, welche den Eingangs-

schlitz für eine jede Stufe aufweist. Die Schlitze sind progressiv enger ausgebildet, und die Sammlungszylinder sind progressiv näher bei den Schlitzen angeordnet, um progressiv kleinere Teilchen zu sammeln. Die Größe der Schlitze, die Position der Zylinder und die Luftgeschwindigkeit sind so gewählt, daß sich nominale Schnittgrößen (50^dae) von 12 μ (Stufe 1), 6 μ (Stufe 2), 3 μ (Stufe 3) und 1 μ. (Stufe 4) ergeben. Prinzipiell wäre es wünschenswert, eine größere Anzahl von Stufen im Impaktor zu haben,

aber zumindest beim Prototyp begrenzten Gerätefaktoren, wie beispielsweise die Größe und das Gewicht des gesamten Instruments, um ein einfaches Tragen in Untergrund-Kohlenminen zu ermöglichen, die Anzahl auf vier. Ein jeder Zylinder wird synchron über eine Getriebeanordnung mittels eines Uhrmotors 18 angetrieben.

Ein Ausgang 19 vom Impaktor ist über einen Plastikschlauch 20 mit großem Querschnitt zweckmäßigerweise über ein Meßgerät für die Durchflußleistung, wie beispielsweise einem "Rotameter" 21 mit einer Pumpe 22 verbunden. Eine geeignete Durchflußleistung von 10 l/min, für den Prototypen wurde unter Verwendung des eigensicheren Zentrifugalgebläse- und Batteriestrom-Packs des "TBF50" Staub-Probenaufnehmers, vertrieben von Mollider & Müller, Köln, Westdeutschland, erreicht.

Für den Gebrauch weist ein jeder Zylinder, einschließlich desjenigen der Reinigungsstufe, einen dünnen Polycarbonat-Film auf, welcher eine gleichförmige Beschichtung eines Silikonfetts trägt, wobei das Fett auch als Klebemittel dient, um den Film am Zylinder entfernbar zu befestigen. Nach einer Probenaufnahmezeit, beispielsweise einer 8-Stunden-Probenaufnahmezeit, bei der das Instrument in einer geeigneten Position angeordnet war, vorzugsweise ungefähr in der mittleren Kopfhöhe, werden die Filme zur Untersuchung entfernt.

Es können eine Anzahl unterschiedlicher Verfahren verwen-

det werden, um die erhaltenen Resultate in Form von Staubablagerungen auf dem Film zu analysieren. Diese Verfahren umfassen u. a. optische Mikroskopie (Bänder unterschiedlicher gefärbter Staubablagerungen können auf einfache Weise gesehen werden, welche Zeiten des Gesteinsschneidens im Gegensatz zu Kohleschneiden in Bergbauminen entsprechen), das direkte Wiegen, um die gesammelten Massen zu erhalten (obwohl, dies nicht sofort eine Information über die gesammelten Massen während kürzerer Zeitperioden innerhalb

der längeren Gesamtprobenaufnahmeperiode gibt) und, vorzugsweise, Strahlungs-Reflektions- oder Dämpungssysteme. In besonders vorteilhafter Weise werden die die Staubablagerungen tragenden Filme durch Abschwächung von niederenergetischem ß-Teilchen analysiert. Diese Technik ist bekannt, und sie benutzt zweckmäßigerweise eine Strahlungs-

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quelle wie beispielsweise C und einen ß-Teilchen-Detektor, beispielsweise einen, welcher von Nuclear Enterprises Limited vertrieben wird und welcher einen Anthrazen-Kristall-Szintillator benutzt. Die Filme können unter Verwendung einer geeigneten mechanischen Anordnung abgetastet werden, und es wird eine nützliche Information bezüglich der Staubablagerungen während der Probenentnahmezeit erhalten. Ein wichtiger Vorteil eines solchen Systems besteht darin, daß die Aufzeichnung der Dämpfung der ß-Teilchen auf einfache Weise aufbewahrt werden kann, wodurch eine anschließende Analyse zu einer sehr viel späteren Zeit möglich ist, und zur gleichen Zeit gibt die Klassifikation des Staubs auch die unterschiedlichen Probennahmefilme mittels des aerodynamischen Durchmesser alle notwendigen Daten für die epidemiologische Forschung.

Ein Prototyp des Instruments gsmäß der -vorliegenden Erfindung wurde im Laboratorium und später in zwei Untertage-Kohleminen mit ziemlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen erfolgreich getestet.

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Leerseite

Claims

D. Karl Γ\ ΠΛ\ΟΓ·°'Ρ|ΟΓ DKvJobln9en D-8023 München-Pullach, Wiener St*.^ Τ»Ι.Γ{Ο89) 7 g^ 3ύ Π; felex'5 2ΐ^ "Ϊ4Ζ öros d; Cables: «Patentibus» München Coal Industry (Patents) Limited, Hobart House, Grosvenor Place, London SW1X 7AE, England Y0u?l3en! Case 4523 dX10· Oktober 1983 ' Re/pr PATENTANSPRÜCHE

1.) Aerosol-Staub-Spektrometer mit einem Kaskadenimpaktor, "welcher luftgetragene Staubpartikel aerodynamisch klassifiziert und Fraktionen hiervon auf einer Mehrzahl von drehbaren Trommeln sammelt, welche Sammlungs-Oberflächen bilden, und mit einer Pumpe, um Luft oder andere Gase mit suspendiertem Staub durch das Spektrometer hindurchzuziehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft oder das Gas von einem Probennehmer-Eingang (1) aufgenommen wird, welcher annäherungsweise die gleiche Eingangseffizienz wie der menschliche Kopf aufweist, daß eine Reinigungs-Sammlungs-Stufe (8) vorgesehen ist, um Staubteilchen größer als 15 μ zu entfernen, und daß der Kaskadenimpaktor eine Anzahl von im wesentlichen zylindrischen Hohlräumen (11) aufweist, welche einen Eingangsschlitz (12) aufweisen, wobei innerhalb eines jeden Hohlraums ein drehbarer Trommelsammler (16) angeordnet ist, wobei die Durchflußleistung und der Durchgang für die Luft oder das Gas durch die Impaktorstufe so ist, daß der Verlust von Staubteilchen aufgrund von Schwerkraft oder aufgrund von Stoßen mit den Oberflächen, welche keine Sammlungsoberflächen sind,, minimiert wird.

2. Staub-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume des Impaktors eine abgeflachte Seite aufweisen, in der der Eingangsschlitz angeordnet ist.

3. Staub-Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probennehmer-Eingang (1) von einem im wesentlichen kugelförmigen hohlen Körper (2, 3) gebildet wird, welcher zumindest ein Eingangsloch (5) aufweist.

4. Staub-Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Körper eine Vielzahl von Eingangslöchern auf dem gleichen Breitengrad und eine externe ringförmige Lippe (6) aufweist, welche bei einem größeren Breitengrad als die Eingangslöcher angeordnet ist.

5. Staub-Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeloberflächen der drehbaren Trommel entfernbare Kunststofflime sind, welche mit einem klebrigen Material beschichtet sind, um Staubpartikel zurückzuhalten.

6. Staub-Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filterstufe stromabwärts des Kaskadenimpaktors vorgesehen ist, welche in der Lage ist, Staubteilchen mit einer Größe von kleiner als 1 μ zu entfernen.