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Sichere Arbeit

Nanopartikel im Schweißrauch - Merkmale unterschiedlicher Schweißverfahren

NANOTECHNIK

Messungen von ultrafeinen Aerosolen beim Schweißen sind zurzeit nur mit teuren Geräten durchführbar. Anhand einiger Messreihen versuchten ExpertInnen der ÖSBS, der Österreichischen Staub-(Silikose-)Bekämpfungsstelle, mögliche Analogien zu konventionellen Schweißrauchmessungen am Arbeitsplatz darzustellen.

Während eines Schweißprozesses werden Schadstoffe in Form von Aerosolen frei. Diese Aerosole sind unstabile kolloide Systeme, die sich durch einen hohen Dichteunterschied einer kontinuierlichen Gasphase (zumeist Luft) und einer darin dispers verteilten Phase (kolloider Anteil, partikelförmiger Feststoff oder Flüssigkeit) auszeichnen.

Am Arbeitsplatz können Stäube, Rauche und Nebel als Aerosole vorkommen.

  • Staub: disperse Verteilung feiner fester Stoffe in Luft
  • Rauch: disperse Verteilung feinster fester Stoffe in Luft
  • Nebel: disperse Verteilung flüssiger Stoffe in Luft

Abhängig vom Schweißverfahren, vom zu schweißenden Grundwerkstoff und vom Werkstoff des Schweißhilfsstoffes entstehen Luftschadstoffe, die je nach Größe, Konzentration, chemischer Zusammensetzung, Biobeständigkeit und Expositionsdauer die Gesundheit der ArbeitnehmerInnen in unterschiedlichem Ausmaß gefährden können [1]. Im arbeitsmedizinisch-toxikologisch relevanten Größenbereich der Aerosole, charakterisiert durch einen aerodynamischen Äquivalentdurchmesser von 0,5 µm < dae < 100 µm, sind zur Standardisierung von Probenahmegeräten drei Abscheidefunktionen in der ÖNORM EN 481 [2] definiert.

Sie beruhen auf experimentellen Daten für die in die verschiedenen Bereiche der Atmungsorgane gelangenden Anteile des Aerosols. Die einatembare (E) und die alveolengängige (A) Staubfraktion sind dabei - im Gegensatz zur thoraxgängigen Fraktion (T) - gesundheitlich relevant und auch mit Grenzwerten belegt. Die für Rauche, insbesondere für Schweißrauche, relevante alveolengängige Fraktion ist mit einer Trennkurve mit 50-prozentigem Abscheidegrad der Messsonde bei dae= 4 µm beschrieben. Der derzeit in Österreich gültige Grenzwert beträgt 5 mg/m3.

Neben diesen Charakteristika eines Aerosols spielt im Hinblick auf das gesundheitsschädliche Potenzial auch die Größenverteilung der einzelnen Teilchen eine entscheidende Rolle. Insbesondere die ultrafeinen Anteile stehen hier in Verdacht, eine hohe Wirksamkeit aufzuweisen [3].

Im Größenbereich der ultrafeinen Aerosole (U) (Mobilitäts-Äquivalentdurchmesser < 100 nm) ist die Brownsche Molekularbewegung gegenüber der Sedimentation durch die Schwerkraft der beherrschende Transportmechanismus, von dem letztlich die Depositionsmechanismen im Atemtrakt abhängen [4]. Das und der Umstand der großen spezifischen Oberfläche einer hohen Anzahl sehr kleiner Teilchen bestimmen unter anderem neben Oberfläche, Form, Löslichkeit, Oberflächenreaktivität, Ladung und Kristallstruktur die Wirkungsweise von Teilchenkollektiven dieser Größenordnung [5]. Da in diesen Größenbereichen die Masse der Teilchen keine signifikante Rolle spielt, wurde die Teilchenzahl in [N/cm3] bzw. deren Verteilungsdichte als wesentliche Messgrößen definiert [6,7]. Zur Zeit existieren aufgrund nicht ausreichender medizinischer Erkenntnisse noch keine verbindlichen Expositionsgrenzwerte.

Messsysteme

Zur Erfassung der ultrafeinen Schweißrauchpartikel wurden mit einem Fast Mobility Particle Sizer Spektrometer (FMPS) zeit- wie auch größenaufgelöst die Partikelanzahlkonzentrationen im Bereich zwischen 5,6 und 560 nm in insgesamt 32 Größenkanälen (16 Kanäle pro Dekade) bestimmt. Die Partikelerfassung erfolgt dabei durch rauscharme Elektrometer, wodurch die Messung des gesamten Partikelspektrums sehr rasch mit einer Zeitauflösung von nur einer Sekunde ermöglicht wird. Somit können Partikelereignisse und Änderungen in der Partikelgrößenverteilung in Echtzeit visualisiert werden - anders als bei einem üblichen SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), bei dem konzeptbedingt die Dauer eines Messdurchgangs über das volle Partikelspektrum signifikant länger ist (Minutenbereich).

In einer Abbildung wird exemplarisch ein solcher Scan über rund zehn Minuten gezeigt, wobei hier mit einer zehnfachen Verdünnungsstufe und einer internen Zeitauflösung von zwei Sekunden gearbeitet wurde. Zu erkennen ist zunächst im Größenbereich von etwa 10 bis 300 nm eine durch Heftarbeiten im Arbeitsbereich auftretende geringe Untergrundbelastung. Aufgrund der hohen Zeitauflösung des Messsystems werden auch schnelle Änderungen erfasst; ab zirka 12.06 Uhr ist der Beginn der eigentlichen Schweißarbeiten mit einem etwa zehnfachen Maximalwert der Partikelkonzentration klar erkennbar.

Da in den untersuchten Betrieben zum Teil mit relativ hohen Partikelanzahlkonzentrationen zu rechnen war, wurde mit einem Verdünnungssystem der Firma Palas (Verdünnungsfaktor meist 10) die Konzentration des Aerosols herabgesetzt, ohne dadurch die ursprüngliche Partikelgrößenverteilung zu beeinflussen. Dies wird dadurch erreicht, dass eine definierte Menge Reinluft mit einer definieren Menge Aerosol homogen durchmischt wird. Aerosol und Reinluftmenge stehen dabei in einem vorgegebenen festen Verhältnis. In der Auswertung wurde die eingesetzte Verdünnungsstufe entsprechend berücksichtigt.

Im arbeitsmedizinisch üblichen bzw. relevanten Größenbereich der Partikel (A, E) kam mit Probenahmegeräten SG 10 der Firma GSA ein langjährig bewährtes System für gravimetrische Gefahrenstoffmessungen am Arbeitsplatz zum Einsatz; es weist einen geregelten Volumenstrom von 10 l/min auf, der über Drehschieberpumpen realisiert wird. Die dazugehörigen Probenahmeköpfe wurden von BGIA - Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, St. Augustin, gemäß ÖNORM EN 481 [2] entwickelt. Da sich mit diesem Messsystem nur Mittelwerte über die gesamte Probenahmedauer ermitteln lassen, wurde zusätzlich ein Laseraerosolspektrometer der Firma Grimm zur zeitaufgelösten Erfassung der luftgetragenen Partikel im Größenbereich von 0,3 m bis 20 m in 15 Größenkanälen eingesetzt. Diese Daten kalibrierte man mittels gravimetrischer Messung.

Messprogramm

Im Rahmen dieses Projektes wurde mit zahlreichen Betrieben in ganz Österreich Kontakt aufgenommen, um einen möglichst breiten Querschnitt tatsächlich vorherrschender Produktionsbedingungen abzudecken. Vonseiten der unterstützenden Betriebe wurden uns dankenswerterweise Messungen in einem möglichst praxisnahen Umfeld ermöglicht. Die Beprobungen erfolgten im Zeitraum eines Jahres in verschiedensten metallverarbeitenden Betrieben, in denen im Produktionsablauf ständig Schweißarbeiten vorgenommen werden. Durchgeführt wurden sowohl personengetragene Messungen der A-Fraktion als auch stationäre Messungen der A- und E-Fraktion sowie der Ultrafeinpartikel direkt im unmittelbaren Arbeitsbereich. Bei den personengetragenen Messungen positionierte man die Probenahmeköpfe direkt am Arbeitnehmer, und zwar unter dem Schweißerhelm. Da personengetragene Messungen mit dem FMPS und dem Laseraerosolspektrometer aufgrund der Gerätegröße nicht möglich waren, erfolgte deren Durchführung stationär, immer ortsident, d. h. im unmittelbaren Arbeitsbereich (in rund 0,7 Metern Abstand vom Arbeitnehmer). Somit ließ sich eine weitgehende Vergleichbarkeit für alle betrachteten Probenahmen erreichen.

Ergebnisse der Untersuchungen

Insgesamt wurden 20 Probenahmen durchgeführt, wobei sich die Messungen auf das MAG-Verfahren (Metall-Aktivgas) und das WIG-Verfahren (Wolfram-Inertgas) beschränkten. Dabei wurde darauf geachtet, dass möglichst keine starken Luftströmungen, wie etwa durch offene Fenster und Türen oder durch Absaugvorrichtungen, die Beprobungen beeinflussten. Die effektive Schweißzeit bzw. die Schmelzleistung variierte von Probenahme zu Probenahme entsprechend den Gegebenheiten der Praxis.  Für den Größenbereich der ultrafeinen Partikel zeigen Auswertungen jeweils eine gemittelte Kurve der Anzahlverteilungsdichten für das WIG- bzw. MAG-Schweißverfahren. Dabei lässt sich erkennen, dass beim MAGSchweißen insgesamt wie auch über die einzelnen Größenkanäle mehr Partikel entstehen als beim WIG-Schweißen. Weiters zeigt sich eine Abhängigkeit des Medianes (Dp(N/2)) vom Schweißverfahren. Für WIG-Schweißen liegt der gemittelte Median der Partikelanzahl bei ca. 52 nm, für MAG-Schweißen bei ca. 125 nm. Ähnlich ergibt sich der Zusammenhang für den Mode (Dp(nmax): Für WIG-Schweißen konnte dieser bei ca. 32 nm, für MAG-Schweißen bei ca. 112 nm bestimmt werden.
Weitere Auswertungen zeigen die Höhe der totalen Ultrafeinpartikelkonzentration im Verhältnis zur Massekonzentration der jeweiligen A-Fraktion. Beim WIG-Verfahren liegen die ermittelten Verhältniszahlen im Bereich von rund 3 bis 6 x 105 Nanopartikel pro mg Schweißrauch, beim MAG-Schweißen bei 0,5 bis 3 x 105. Die Streuung zeigt sich für beide Verfahren in einem ähnlich schmalen Bereich, wobei die Werte beim MAG-Verfahren durchgängig geringer sind als jene beim WIG-Verfahren.

Diskussion

Interessant war die Frage, inwieweit Ergebnisse durch die herkömmlichen und bewährten Probenahmesysteme für Schweißrauch am Arbeitsplatz auf Messungen im Ultrafeinbereich übertragen werden können? Bekannt ist bereits, dass im Bereich der herkömmlichen Arbeitsplatzmessungen beim WIG-Verfahren eine deutlich geringere Massenkonzentration (Faktor 4 bis >15) an Schweißrauch (siehe u.a. [1]) als beim MAG-Verfahren auftritt. Dieser Trend bestätigt sich auch im Bereich der ultrafeinen Teilchen, wobei die Anzahl und daher auch die Masse der ultrafeinen Teilchen beim WIG-Verfahren unter jenen beim MAG-Verfahren liegen. Betrachtet man nun die gebildeten Verhältniszahlen aus totaler Ultrafeinpartikelkonzentration zur Massekonzentration der jeweiligen A-Fraktion, ergibt sich trotz geringerer absoluter Partikelzahl - aufgrund der insgesamt geringeren Staubmasse - beim WIG-Schweißen eine im Mittel höhere Verhältniszahl. Für das WIG-Schweißen konnte ein Verhältnis von 4,1 x 105 Nanopartikel pro mg A-Fraktion, beim MAG-Verfahren ein Mittel von 1,8 x 105 gefunden werden. Diese Verhältnisse lassen in Kombination mit den mittleren Medianen und mittleren Moden eine zumindest schematische Beschreibung der Nanopartikelfraktion zu.

Ausblick

Die hier durchgeführte Messreihe zeigt, dass es durchaus möglich scheint, eine Abschätzung der Ultrafeinpartikelkonzentration aufgrund üblicher arbeitsmedizinischer Schweißrauchmessungen durchzuführen. Bewusst wurde der Versuch unternommen, keine Laborbedingungen nachzustellen, sondern den Bedingungen der Praxis gerecht zu werden.

Zum jetzigen Erkenntnisstand sollten aufgrund einiger Unschärfen - wie etwa Messungenauigkeiten der einzelnen Messsysteme [8] oder schwankender Probenahmebedingungen - Worst-Case-Werte angenommen werden.

Insbesondere scheint zurzeit die Annahme der oberen ermittelten Verhältniszahlen von 6 x 105 für WIG- bzw. 3 x 105 Nanopartikel pro mg Schweißrauch für MAG-Schweißungen am sinnvollsten.
Die hier vorliegenden Ergebnisse sollten durch weitere Messungen statistisch erhärtet werden, um schärfere Wechselbeziehungen definieren zu können. Ebenso ist dabei die Möglichkeit der Übertragbarkeit der stationären Messungen auf personengetragene Probenahmen eingehend zu prüfen. 

Literatur

[1] Neiss, N.: Schadstoffe bei verschiedenen Schweißverfahren. Atemwegs- und Lungenkrankheiten - Jahrgang 36, Nr. 1, (2010).
[2] ÖNORM EN 481 (1993) Arbeitsplatzatmosphäre - Festlegung der Teilchengrößenverteilung zur Messung luftgetragener Partikel. Österr. Normungsinstitut, 1021 Wien
[3] Miller, F. J.: Dosimetry of particles in laboratory animals and humans in relationship to issues surrounding lung overload and human health risk assessment. Inhal Toxicol. No 1-2, (2000).
[4] Neuberger, M.; Moshammer, H.: Nanopartikel: bekannte und neue Umweltgefahren. Atemwegs- und Lungenkrankheiten - Jahrgang 36, Nr. 1, (2010).
[5] Schulte, P. et al.: Sharpening the focus on occupational safety and health in nanotechnology. Scand. J. Work Environ. Health. No. 6, (2008).
[6] ISO/TR 27628: Workplace atmospheres - Ultrafine, nanoparticle and nano-structured aerosols - Inhalation exposure characterization and assessment (2007).
[7] Riediger, G.; Möhlmann, C.: Ultrafeine Aerosole an Arbeitsplätzen - Konventionen und Beispiele aus der Praxis. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft Nr. 10, (2001).
[8] Mölter, L.; Kessler, P.: Grundlagen der Partikelgrößen- und Partikelanzahlbestimmung in der Außenluft mit zählenden Messverfahren. Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft Nr. 7/8, (2004). 

Dank für die Unterstützung ergeht an:

Alu Pfeiffer GmbH, 7411 Markt Allhau
APL Apparatebau GmbH, 6361 Hopfgarten
Baihofer Wilhelm GmbH, 5310 Mondsee
BFI Bildungszentrum, 8580 Köflach
BIS Industrietechnik Salzburg GmbH, 5020 Salzburg
Bombardier Transportation GmbH & Co KG, 1210 Wien
Felder KG Maschinenbau, 6060 Hall in Tirol
Ganser Maschinen GmbH, 4171 Sankt Peter am Wimberg
Grabner Stahl- und Fahrzeugbau GmbH, 8230 Hartberg
Gronbach Austria GmbH&Co KG, 6342 Niederndorf
Kostwein Schweißtechnik GmbH, 9100 Völkermarkt
Kristl Seibt & Co GmbH, 8053 Graz
Magna Presstec AG, 8160 Weiz
Metall - Kunst und Design GmbH, 9813 Möllbrücke
SZF - Schulungszentrum Fohnsdorf, 8753 Fohnsdorf
Volta Edelstahl GmbH, 6923 Lauterach

DI Daniel Jaschouz, DI Gerhard Wetzelberger
ÖSBS - Österreichische Staub- (Silikose-)Bekämpfungsstelle
Technische Abteilung
Einödmayergasse 8-12
8700 Leoben

Zusammenfassung

Inwieweit kann von konventionellen Schweißrauchmessungen auf eine Exposition durch ultrafeine Partikel geschlossen werden? Messreihen für WIG- und MAG-Schweißverfahren sollen mögliche Zusammenhänge und Relationen aufzeigen. Unter praxisnahen Bedingungen wurden in verschiedenen Betrieben Untersuchungen durchgeführt. Dabei kamen zeitgleich unterschiedliche Messsysteme zum Einsatz. Mittels Fast Mobility Particle Sizer Spektrometer (FMPS), Laseraerosolspektrometer und gravimetrischer Probenahme wurde größen- wie auch zeitaufgelöst die Schweißrauchkonzentrationen ermittelt. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Abschätzung der totalen Partikelanzahlkonzentration der ultrafeinen Partikel aufgrund der konventionellen Schweißrauchmessungen möglich ist.

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