monitores de lectura directa para microaerosoles y
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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
