monitores de lectura directa para microaerosoles y

Monitores de lectura directa para Monitores de lectura directa para MicroAerosoles y NanoaerosolesMicroAerosoles y Nanoaerosoles

Carlos SuárezVertex Technics S.L.

Escala [nm]Tipos:

Materiales

Iones Moléculas Macro Mol. MicropartículasMacropartículas Impurezas Tamizable

1 10 100 1,000 10,000 100,000

Luz

IonesMetal

Sacarosa

Virus

PolvoCarbón Activo

Pigmentos Color

Bacterias

Pelo HumanoAmianto

Ceniza Diesel

SMPS+C(DMA+CPC)

[nm]

SMPS+E(DMA+FCE)

Tipos de DetectoresEspectrómetros

Nefelómetros

Rango de tamaño de partículas

[µm]1 10 1000.10.010.001Escala [µm]

EsporasFúngicas

Nanopartículas - Tamaño1 Nanómetro 1 Metro

Avellanas

Distribución de partículas: Eliminación de aerosoles mediante sedimentación y difusión

¿Cuánto tiempo permanece la partícula en el aire? ¡Depende de la sedimentación de partículas y la velocidad de difusión!

-una partícula de 10 µm cae en 1 seg. aprox. 5 mm-una partícula de 1 µm cae en 1 seg. aprox. 0,3 mm-una partícula de 0,1 µm cae en 1 seg. aprox. 0,05 mm-una partícula de 0,01 µm cae en 1 seg. aprox. 0,003 mm

0,001

0,01

0,1

1

10

0,01 0,1 1 10diameter [µm]

sedi

men

tatio

n ve

loci

ty[m

m/s

]

sedimentación

difusión

Permanencia Permanencia en suspensien suspensióónn

MONITORES PARA MICROPARTÍCULAS

¿En qué casos el muestreo puede no ser la mejor solución?

• Concentraciones bajas

• Resultados a tiempo real

• Diferenciación de fracciones

Situación legal, ejemplos para polvo exterior e interior (ambientes de trabajo, IAQ)

7 2777 101

675

362

80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

back-ground

rural city highway garage flat pub

PM

10 [

µg/

m³]

Valores límiteen España:

Inhalable: 10 mg/m3

Respirable: 3 mg/m3

Sílice: 0,1 mg/m3

Interiores

No hay valores límite pero sí

recomendados

(UNE171330-2: PM10<50µg/m³)

ExterioresValor límite paraPM10 (año): 40µg/m³PM10 (día): 50µg/m³(50µg/m³ permitido sólo 35 días/año!)

Deposición de polvo en cuerpo humano

El aerosol inhalado es introducido como fracción INHALABLEINHALABLE

Partículas más finas son introducidas como fracción TORTORÁÁCICACICA

La porción de polvo fino que pasa los filtros y permanece en los pulmones es la

ALVEALVEÓÓLICALICA

x

y

y

Partículas aerosol

Volumen detección

Señal de un grupode partículas

Fuente de luz

Detector

Muestra in

Dos métodos de monitorización (1)Nefelometría

Nefelómetros - Modo activo

Se usa el IOM en la entrada para polvo inhalable

SAMPLER

Sensor de LuzFiltro

Entrada cassette IOMRejilla cassette IOM

Tapa final

A la bomba

Calibración Nefelómetros

Cómo calcular un factor de escala:

El TWA obtenido por gravimetría en el filtro usado en la monitorización se compara con el TWA que indica el display.

Mediante un simple cálculo se obtiene el factor de ESCALE para unaatmósfera tipo:

Resultado TWA filtroResultado TWA monitor

5 mg/m5 mg/m3 2,5 mg/m2,5 mg/m3

..TWA

Dos métodos de monitorización (2)

Espectrometría

* Lecturas instantáneas y análisis de tendencias* Pequeño y fácil de portar * Nos facilita el espectro total de polvo

* No se necesitan largos muestreos* No cabezal de muestreo extra * No doble monitorización para alcanzar la fracción fina* No muestra desconocida (se puede reconocer en un filtro)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100

aerodynamic particle diameter [µm]

perc

enta

ge o

f tot

alai

rbor

ne p

artic

les

[%]

alveólica inhalabletorácica

Distribución de tamaño según curva de polvo de acuerdo con laEN 481 Polvo en el lugar de trabajo

Diámetroaerodin ámico

µm.

Inhalable(%)

Torácico(%)

Alve ólico(%)

PM-10(%)

PM-2,5(%)

0,0 100 100 100 100 100

1,0 97,1 97,1 97,1 100 99,5

2,0 94,3 94,3 91,4 94,2 85,5

2,5 48,0

3,0 91,7 91,7 73,9 92,2 6,7

4,0 89,3 89,0 50,0 89,3 0

5,0 87,0 85,4 30,0 85,7 -

6,0 84,9 80,5 16,8 81,2 -

7,0 82,9 74,2 9,0 75,9 -

8,0 80,9 66,6 4,8 69,7 -

9,0 79,1 58,3 2,5 62,8 -

10,0 77,4 50,0 1,3 55,1 -

11,0 75,8 42,1 0,7 46,5 -

12,0 74,3 34,9 0,4 37,1 -

13,0 72,9 28,6 0,2 26,9 -

14,0 71,6 23,2 0,2 15,9 -

15,0 70,3 18,7 0,1 4,1 -

16,0 69,1 15,0 0 0 -

18,0 67,0 9,5 - - -

20,0 65,1 5,9 - - -

25,0 61,2 1,8 - - -

30,0 58,3 0,6 - - -

Efi

cien

cia

de

Rec

ole

cció

nd

e p

artí

cula

sen

air

e en

%

(Extr

aido

de

la E

N 4

81

, la

EN

123

41

y l

a E

PA

)

y

90°

x

yzPartículas aerosol

Focalización aerosol

Volumen detección

¡Señal de una partícula simple!

Fuente de luz

Detector

Muestra in

Trampa luz

Dos métodos de monitorización (2)Espectrometría

Recogida en filtro

Bomba

Láser

Entrada de Aire de Muestreo

Filtro partículasRayo Láser Medición

Filtro-PTFE

Trampa de luz

Camisa aire

¿Cómo se guarda la Optica dentro de la cámara de medición protegida de la contaminación?

Aire Salida

Método Dual, espectrómetro y filtro gravimétrico(Patente Grimm)

Difracción de luz en tiempo real paradistribución en número de partículasy tamaño

Muestreo de partículas en filtro paraanálisis gravimétrico para determinarla masa específica de las partículas

(1) Portafiltro, abiertocon filtro PTFE 47mm (2)

Tecnología dual

aerosol focusingaerosol focusing

Especificaciones Espectrómetros

EspecificacionesRango de polvo [µg/m³]Rango Tamaño [µm]Tamaño canales [µm]

0.1…>100 0000.25…>3215-31 canales de contaje16-32 canales de masa0,23/0,25/0,28/0,3/0,35/0,4/0,45/0,5/0,58/0,65/0,7/0,8/1/1,3/

1,6/2/2,5/3/3,5/4/5/6,5/7,5/8,5/10/12,5/15/17,5/20/25/30/32

Caudal de muestreo: 1,2 lpmContaje de Partículas: hasta 2 000 000 p/lDuración Batería: hasta 8 h.

F Nº Partículas/litro, o Masa de Partículas en µg/m³, para todos los canales

F Fracciones de masa en µg/m³, simultáneamente según EN 481 (inhalable, torácico, respirable) y EPA (PM10, PM2.5, PM1)

Ejemplos de Aplicación: Calidad de Aire en interiores

Landeskrankenhaus Salzburg, Lungenabteilung, 2006

NORMA UNE 171330-2

• Partículas en suspensión PM10.• Número de Partículas.

Ejemplos de aplicación: monitorización con unidad de alarma, ej. Producción, demolición

Espectrómetro con unidad de alarma acústica y visual, control de T y HR, y armario ambiental de fibra de vidrio.

Espectrómetro con alarma acústicay visual, si se excede el umbral de polvo.

Ejemplos de aplicación: Perfil vertical de aerosolesurbanos (Milán, Italia)

Espectrómetro 1.108 para perfilvertical con un globo

With permission of Luca Ferrero,Milano Bicocca University, Italy,presented at EAC, Salzburg 2007

¿Cómo se asegura esta calidad?

GRIMMGRIMM

Control de Calidad y Calibración1. Control de calidad mecánico

Control de Calidad y Calibración2. Tamaño

TAMAÑO Selectivo con diferentes bolas de Latex

monodispersas

3. Masa de aerosol

MASA Selectiva, con polvo Dolomita polidisperso

3b MASA-Estand de Calibración

• Correlación a una unidad madre• Usuarios verificación utilizando un filtro integrado

Ventajas de los Espectrómetros LASER

15-31 Canales de diferente tamaño

ConcentracionesConcentraciones en en nnúúmeromero y y masamasa• Capaz de llegar a concentraciones de más de 2

Millones p/lt.

• Detecta concentraciones de hasta 0,1 µg/m3.

• Resultados simultáneos al mismo tiempo

• Análisis simple mediante un filtro integrado

• Accesso para T, ∆ Presión, CO y CO2

• Incluye filtro de recolección de polvo

• También para muestreo isocinético

• Batería de 8h

• Utilizable con Modem

GRIMM AEROSOLGRIMM AEROSOLHighHigh--end instrumentation from the heart of Europeend instrumentation from the heart of Europe

Medición de Nanopartículas

La Nanopartículas están sujetas a difusión

0

20

40

60

80

100

1 10 100 1000 10000

Diametro [nm]

Efic

ienc

ia [

%]

Laminar

Turbulent

Ejemplo:Long. tubo: 2mDiam. Int.: 1 cmCaudal: 1,5 lpmPresión: 1000 mbarTemp: 20°CPendiente 45°

Weingartner 2008

SedimentaciónDifusión

Las pérdidas por difusión dependen mucho del tamaño de partícula y de la longitud del tubo – Pero NO del diámetro del tubo!

Las Nanopartículas coagulan a altas concentraciones

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

1,0E+09

1,0E+10

1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 1,0E+06 1,0E+08

Tiempo [s]

Con

cent

raci

ón [1

/cm

^3]

1hora

1mes

1 día

1s 1min 1 año

Diámetro: 100 nm

Ejemplo de Weingartner 2008

El Rango de Concentración de un CPC Grimm : 0 – 107 Partículas / cm3

Concentraciones típicas de Nanopartículas

⇒ Esencialmente no hay límite de detección (para partículas > 5 nm) ya que puede hacerse una dilución

~ 1010Gases de un Motor Diesel:

80,000 – 150,000Puesto Trabajo contaminado:

15,000 – 80,000Aire Interior (con fumadores o aspiradoras):

5,000 – 15,000Aire Interior (sin fumadores):

Concentración[Partículas / cm3]Localización

Número típico de partículas y distribución de masa

Cuentas vs. Masa

1 10 100 1,000 10,000

10Å 100Å 1,000Å

[nm]

1 µm 10 µm

número:10,000 P/ccm

masa:5 µg/ccm

5*10-6 µg/ccm

Concentración

3

6PPPdm

πρ=

Cuentas vs. Masa

Contaje y Distribución de Tamaño de Nanopartículas en Aire

Contaje de Nanopartículas en aire – Dos MétodosComo la intensidad de difracción disminuye con la sexta potencia del tamaño de partícula,los sistemas de difracción óptica de luz no pueden detectar partículas de menos de 0,1 µm.

Contador de Partículas Condensadas (CPC)

Electrómetro de Copa de Faraday (FCE)

Tamaño de Nanopartículas en Aire

Analizador de Movilidad Diferencial (DMA)

Grimm SMPS+CScanning Mobility Particle Sizer + CPC(4 – 1100 nm)

Grimm SMPS+EScanning Mobility Particle Sizer + FCE(< 1 – > 1100 nm )

Distribución de Tamaño de Partículas

SMPS+C : CPC + DMA + Software

SMPS+E : FCE + DMA + DMA-Controller + Software

CondensaciCondensacióón de Nn de Núúcleo para hacerla mcleo para hacerla máás grandes grande!!

Las partículas son demasiado pequeñas para difracción de luz

Contador – CPC

Problema I

Solución

Contador de Partículas Condensadas

Saturador (35°C)

Fotodiodo

Rayo Laser

ExtracciónCondensado

Condensador(10°C)

Tanque Butanol

Salida

Ambiente

Nanopartículas engrosadas

Aire Muestra

Nanopartículas

1. Las nanopartículas se agrandan vía condensación de núcleos.

2. Saturador calefactado dónde se enriquece con Butanol.

3. La muestra se enfría luego en el Condensador para dar núcleos de condensación.

4. Las gotas resultantes se detectan vía difracción óptica de luz.

Sólo las gotas mayores que el diámetro de Kelvin crecen hasta un tamaño detectable

Gotas pequeñas se encogenGrandes gotas crecen

Diámetro Kelvin :SRT

MDkelvin

ln

4

ρσ= M: Peso molecular

Dkelv = Diámetro KelvinR: Constante de gasT: Temperaturaσ: Tensión superficialρ: densidadS: Supersaturación

El tamaño de las partículas detectables más pequeñas se puede ajustar ajustando la temperatura de condensación del Saturador

Medición Nano-Partículas:

Problema I : Partículas son demasiado pequeñas para difracción de luz

¿Cómo determinar el tamaño de partícula?

Medidor - DMA

Solución

Problema II

Analizador de Movilidad Diferencial Analizador de Movilidad Diferencial -- DMADMA

El Analizador de Movilidad Diferencial (DMA) se usa para clasificar Partículas Ultrafinas según su tamaño

Tipo Vienna U-DMA (diseñado por el Prof. Georg Reischl, Exp. Physics, Univ. Vienna, 2004):

Electrodo InternoEntrada „Camisa de Aire“

Entrada Aire MuestraElectrodo Externo

Neutralizador

Impactador

Cambio de Voltaje =>Medición distribución tamaño

+Ranura

Barra Central

Alto Voltaje

Cilindro Exterior

Laminador

AM241

Neutralizador

Impactador

CPCCPC

DMA puede usarse para medir la distribución de tamañode las partículas ultrafinas („SMPS+C“)

e-

El impactador extrae partículas grandes del aire muestra

Las partículas pequeñas siguen las lineas de flujo

Las partículas grandes impactan debido a su inercia

Las partículas más grandes del rango de tamaño deseado dificultarían el cálculo de las distribuciones de tamaño a partir de los datos medidos

El Neutralizador establece un equilibrio en la distribución de carga en las partículas

Intensidad: 3,7 MBq; ~100 µCi

241Am => rayos alfa => moléculas aire ionizadas => partículas cargadas

Lámina metálica de 241Am

++

-- Partícula Alpha

+

Lámina metálica241Am

Molécula de aire ionizada

Partícula cargada

Molécula de aire neutra

Garantí

a:20

0 año

s!

44

Valores para el equilibrio en la distribución de carga

Probabilidad de Carga tras el Neutralizador (carga bipolar) en %:

30+ 2

203+ 1

4092± 0

305- 1

70- 2

100 nm10 nmCarga

• Las partículas pequeñas tienen baja probabilidad de cargarse y no llevan nunca más de 1 carga.

• Las partículas grandes frecuentemente llevan más de 1 carga.

45

1 x e-

1 x e-

3 x e-

En un campo eléctrico, las partículas pequeñas se mueven másrápido que las grandes igualmente cargadas

Cam

isa aireC

amisa aire

3.0 l/min

3.0 l/min

Aire m

uestraA

ire muestra

0.3 l/min

0.3 l/min

electrodoelectrodo

electrodoelectrodo

aerosol Aire limpio

Velocidad inversamente

proporcional al diámetro

de la partícula

VOLTAJE = TAMAÑO

46

Partículas negativas casi monodispersas

(monomóviles).

Aire Muestra

Camisa Aire

Cada canal de las mediciones del DMA corresponde a un cierto rango de movilidades

+

-

La corrección se hace mediante el software del SMPS+C

Cada canal de las mediciones del DMA corresponde a un cierto rango de movilidades

5,5 nm• 5,8 V:

350 nm• 10000 V:DMA-M

11 nm• 5,8V:

1083 nm• 10000 V:DMA-L

Contadores Individuales de Nanopartículas

Contador de Partículas por Condensación (CPC)

A destacar•Cuenta partículas de hasta 4,5nm•Actualizaciones a tiempo real (1 Hz)•Gran rango de concentración de hasta 107/cm3

•Portátil con batería integrada•Fácil de usar•Entradas analógicas adicionales para sensores climáticos

•Tanque de butanol integrado

Aplicaciones•Estudios de aerosoles móviles•Monitorización de procesos de Nanotecnología

•Estudios de efectos sobre la salud• Investigación básica de aerosoles•Testeo de filtros•Estudios de crecimiento de partículas•Estudios medioambientales y climáticos•Estudios de Inhalación y Exposición•Estudios de humos de máquinas

Para mediciones a largo plazo ofrecemos nuestros CPCs con bombas externas duraderas.

Contadores de Nanopartículas

SMPS+C = CPC + DMA + SoftwareAñadiendo un DMA el usuario puede actualizar el CPC a un Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS+C) de alta resolución que registra distribución de tamaños entre 5 y 1100 nm.

WRAS = SMPS+C + OPC + SoftwareAñadiendo un contador optico de párticulas el sistema se expande a un WRAS –Espectrómetro de Aerosoles de gran rango (Wide Range Aerosol Spectrometer) que monitorizará todas las partículas existentes en aire.

Hay también disponibles versiones de rack de 19” del CPC, el SMPS+C, y el WRAS para instalaciones estacionarias utilizadas típicamente en redes medioambientales, estaciones de monitorización atmoférica, y tests de automoción.

Contadores de Nanopartículas

Scanning Mobility Particle Sizer + FCE

FCE (Electrómetro de Copa de Faraday)

Aplicaciones� Calibración de CPC: FCE es la unidad de referencia oficial!� Investigaciones de Nucleación (formación de partículas primarias

a partir de fase gas)–> investigación climática y atmosférica

� Clasificación de nanopartículas y macromoléculas (proteinas etc.)� e.g. Para procesos químicos o farmacéuticos

La alternativa – SMPS+E

52

Copa Faraday

La corriente medida se usa para calcular concentraciones a partir de las probabilidades de carga conocidas.Esta es la referencia oficial!

Filtro

Aire de aclarado

Aire de Muestra con particulas cargadas

Aislamiento

El electrómetro de Copa Faraday (FCE) mide la corrienteeléctrica transportada por el caudal de aerosol

– no se necesitan líquidos o calibración!

V = R x I

Contadores de Partículas para Alta ConcentraciónSMPS+E = DMA + FCE + Software

Ventajas:

• Contaje absoluto y rápido con T10-90 = 88ms por canal• No hay límite de tamaño (< 0.8 – 700 nm)• Enorme rango de concentración (600 p/cm3 a 100,000,000 p/cm3)• Rango de presión de 400 a 1.100 hPa

Comparación de SMPS+C y SMPS+E

+ No usa fluidos de trabajo.

- FCE es sólo útil con DMA+ CPC útil como contador

+ Mediciones más rápidas.- Mediciones más lentas (min)

+ Método oficial de referencia- Calibración necesaria.

+ Detecta Partículas > 0,8 nm.- Detecta sólo partículas > 5 nm.

- La corriente debe ser mayor de 2 fA+ Básicamente sín límite de detección.

SMPS+ESMPS+C

Definición de concentración standard de número de partículas*:

Se pueden definir diferentes instrumentos o métodos como standard de referencia (según ISO TC24/SC4):a) altas concentraciones y partículas por debajo de 100nm => FCEb) Bajas concentraciones y partículas por encima de 100nm=> OPC

Condensation Particle Counter

Optical Particle Counter

10 nm 100 nm 1000 nm

Aerosol

Electrometer

1 cm -3

10 cm -3

100 cm -3

1000 cm -3

10000 cm -3

1 nm Par

ticle

Con

cent

ratio

n

Particle Size

*según ISO/TC 24(en preparación) yUN-ECE GRPE-PMP-17-4

Calibración - Standards

¡El primer Detector de Nanopartículas Portátilpara monitorización de la Exposición!

ACCESORIO PORTACCESORIO PORTÁÁTIL PARA CONTAJE NANO TIL PARA CONTAJE NANO

““NanoCheckNanoCheck”™”™

NanoCheckTM

• Contaje continuo de Nanopartículas desde 400 hasta 30 nm.

• Diámetro Medio de partículasde la distribución NANO.

Principio de funcionamiento del NanoCheckTM

3 partes:• Cargador de difusión unipolar.• Medidor de Conductividad.• Electrómetro de Copa de Faraday.

24 cms.

77cm

scm

s

Resultados en NanoCheckTM

Pantallazo del software Grimm

con 1.300 & 1.109

… más diámetro medio, humedad y concentración

de nanopartículas

31 canales desde el espectrómetro…

Calibración Primaria

Calibración Secundaria

Comparando los contajes del test-CPC con los contajes del Electrómetro de Copa de Faraday

Particle generator DMAFlow splitter

CPC (Test unit)

FCE (Reference)

Comparando los contajes del test-CPC con los contajes de la referencia-CPC.

Calibración Primaria y Secundaria

- Calibración unidad con unidadvarianza ≤ 5%

-Chequeo a fondo de parametrose.g. caudales, temperaturas

- Chequeo mecánico a fondoe.g. fluidos, cámara de muestra

- Chequeo a fondo de las ópticase.g. láser, lentes

Se verifican inicialmente más de 110 check pointsEn cada instrumento !

Calibración enGRIMM

Preguntas frecuentesEl cliente quiere medir el comportamiento de aglomeración de partículas de plata (rango 3-150 nm) que él mismo genera. ¿Qué recomendamos?

Respuesta: SMPS+E con M-DMA

El cliente quiere estudira influencias de diferentes fuentes (ej. Polvo de tráfico, ...) en medio ambiente y también usar los datos como documentación. ¿Qué recomendamos?

Respuesta: SMPS+C con U-DMA y OPC también armario & sensores medioamb.

El cliente quiere monitorizar el lugar de trabajo dónde se fabrican las NPs y quiere un sistema de aviso en caso de accidentes.¿Qué recomendamos?

Respuesta: CPC

¡Gracias por su atención!

carlos.suarez@vertex.eswww.vertex.es