Faculté des sciences

Sources and characteristics of fine and ultrafine particles in ambient air

Lorenzo, Ronny ; Grobéty, Bernard (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2007 ; Nr. 1556.

Le sujet de cette thèse de doctorat couvre de nombreux aspects de la science des aérosols. Ainsi les différentes études de ce travail abordent des domaines variés dont le point commun est le thème global des aérosols de l’environnement. Une de ces études a été consacrée à l’identification et la quantification des particules émises par le trafic ferroviaire (chapitre 2). Pour... Plus

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    Résumé
    Le sujet de cette thèse de doctorat couvre de nombreux aspects de la science des aérosols. Ainsi les différentes études de ce travail abordent des domaines variés dont le point commun est le thème global des aérosols de l’environnement. Une de ces études a été consacrée à l’identification et la quantification des particules émises par le trafic ferroviaire (chapitre 2). Pour cela, des échantillons de PM10 ont été récoltés à proximité d’une ligne de chemin de fer à fort trafic au moyen d’un équipement d’échantillonnage avec enregistrement de la direction et de la vitesse du vent comportant au total cinq unités de prélèvement. Les prélèvements effectués à des distances 10 m, 36 m et 120 m perpendiculairement à la voie de chemin de fer ont permis une identification et une distinction des particules émises par le trafic ferroviaire de celles provenant de la pollution de fond. La morphologie et la composition chimique de plus de 11’000 particules individuelles ont été analysées par microscopie électronique à balayage contrôlée par ordinateur (Computer Controlled Scanning Electron Microscopy CCSEM) Sur la base de leur composition chimique, les particules ont été distribuées en cinq classes et attribuées à leurs sources. La masse des particules individuelles a été déterminée en multipliant leur volume, calculé sur la base de leur morphologie, par une densité attribuée spécifiquement à chaque classe de particules. La densité des différentes classes de particules a été dérivée de leur composition chimique. Pour estimer la contribution du trafic ferroviaire aux émissions de PM10, la masse des PM10 à 120 m des voies (pollution de fond non influencée par les voies de chemin de fer) a été soustraite de la masse des PM10 à 10 m des voies. Les émissions de particules des chemins de fer sont dominées par les particules de ‘fer’ qui contribuent pour 2.9 μg m-3 ou 67% aux PM10 émises par ceux-ci. Par ailleurs, les particules d’aluminium et de calcium contribuent elles aussi aux PM10 émises par les chemins de fer (1.0 μg m-3 ou 23% pour les particules d’aluminium’ et 0.4 μg m-3 ou 10% pour celles de ‘calcium’). Ces particules sont attribuables à l’abrasion du ballast et à la remise en suspension de poussières minérales Les résultats de mesures gravimétriques à long terme sur la contribution du fer à la masse totale des particules émises par les chemins de fer d’une étude précédente sur le même site sont en bonne concordance avec les données recueilles dans cette étude. Dans un projet destiné à étudier l’adéquation des dispositifs d’échantillonnage thermophorétiques à la détermination des distributions quantitatives de la taille des particules et de leurs concentrations numériques basées sur l’analyse microscopique de particules isolées, l’intérêt s’est reporté des particules PM10 aux particules PM0.5 (chapitre 3). Pour cela, un précipitateur thermophorétique à plaques parallèles a été étalonné et caractérisé pour la collecte des particules atmosphériques ultrafines. La représentativité des échantillons a été vérifiée dans une série d’expériences. Les résultats montrent que pour les particules d’un diamètre de 15 nm à 300 nm le précipitateur fonctionne indépendamment de la taille, de la forme et de la composition des particules et qu’ainsi ses échantillons sont parfaitement représentatifs de l’aérosol original Un modèle numérique de la déposition thermophorétique a été développé et adapté aux spécifications du précipitateur. Ce modèle a été utilisé pour déterminer la densité numérique et la distribution de la taille des particules de plusieurs aérosols d’étalonnage en utilisant l’analyse au microscope électronique à transmission (TEM) des échantillons prélevés par échantillonnage thermophorétique comme paramètres d’entrée. Les résultats concordent fort bien avec les mesures en ligne des aérosols d’étalonnage. Ce projet démontre que le dispositif d’échantillonnage thermophorétique peut être utilisé pour déterminer la distribution quantitative de la taille et la concentration numérique de particules ultrafines basée sur l’analyse microscopique de particules isolées. L’accent de la troisième étude porte sur l’hygiène et l’environnement du travail. Une combinaison d’instruments de mesure en ligne et de dispositifs d’échantillonnage pour l’analyse subséquente hors ligne d’aérosols fins (<600 nm) et ultrafins (<100 nm) pour l’évaluation complète d’un environnement de travail est proposée et a été testée dans un atelier de soudage (chapitre 4). Les mesures en ligne mettent en évidence une variation importante des taux de production de particules au cours du soudage et une augmentation considérable des concentrations numériques de fond des particules fines au cours de la journée. La comparaison de deux postes de travail situés dans le même atelier révèle des concentrations numériques comparables mais des différences significatives dans la distribution de la taille des particules. L’analyse de particules isolées sur le microscope électronique à transmission (TEM) permet de définir trois types de particules différents. Alors qu’elles diffèrent par leur morphologie, l’analyse aux rayons X dispersive en énergie et par des méthodes cristallographiques montre que les particules de ces deux types sont toutes formées du même matériau de base. La stratégie de mesure proposée dans cette étude permet une évaluation complète des conditions d’exposition auxquelles sont soumis les employés. Les données sur les concentrations numériques, les caractéristiques des particules et la composition de leur surface devraient être utilisées dans des études toxicologiques pour arriver à une meilleure compréhension des conséquences sur le plan de l’hygiène du travail des doses d’exposition importantes.
    Zusammenfassung
    Das Thema dieser Doktorarbeit umfasst diverse Aspekte der Aerosol Wissenschaften. Entsprechend weit gestreut sind die Erkenntnisse, die aus den Projekten gewonnen werden konnten, die im Verlaufe der letzten drei Jahre unter dem Mantel der Aerosole in der Aussenluft durchgeführt wurden. Das Ziel einer der Studien war die Identifizierung und Quantifizierung der Partikel die durch den Eisenbahnverkehr erzeugt werden (Kapitel 2). Zu diesem Zweck wurden PM10 Proben entlang einer stark frequentierten Eisenbahnlinie gesammelt. Die fünf dazu verwendeten Sammler wurden simultan mittels einer Windsteuerung kontrolliert. Messstandorte senkrecht zum Verlauf der Eisenbahnlinie in Abständen von 10 m, 36 m und 120 m zu den Geleisen, ermöglichten eine Differenzierung zwischen partikulärer Hintergrundbelastung und durch die Eisenbahn erzeugten Partikeln. Morphologie und chemische Zusammensetzung von 11‘000 individuellen Partikeln wurde mittels Computer gesteuerter Raster-Elektronenmikroskopie analysiert. Basierend auf chemischer Zusammensetzung werden fünf Partikelklassen definiert und Quellen zugeordnet. Die Masse der individuellen Partikel wird durch Multiplikation ihres Volumens - berechnet auf Basis ihrer Morphologie - mit der klassenspezifischen Dichte ermittelt. Die Dichte der Klassen ist von der ihnen zugrunde liegenden chemischen Definition abgeleitet. Um den Beitrag der Eisenbahnlinien an die lokale PM10 Belastung abzuschätzen, wird die für den 120 m Standort ermittelte Masse von Wert des 10 m Standortes abgezogen. Dies geschieht unter der Annahme, dass der 120 m Standort nicht mehr von der Eisenbahn beeinflusst wird und somit einer Hintergrundstation entspricht. Die Emissionen der Eisenbahnlinien werden durch Eisenpartikel dominiert welche einen Beitrag von 2.9 μg m-3 an die eisenbahnbezogene PM10 Masse leisten, was 67% entspricht. Zusätzliche Beiträge leisten Partikel der 'Aluminium' (1.0 μg m-3 oder 23%) und der 'Calcium' Klasse (0.4 μg m-3 oder 10%). Beide Partikelklassen werden der Abnützung des Kiesbettes und der Resuspendierung von mineralischem Feinstaub zugeschrieben. Gravimetrisch ermittelte Resultate des Eisengehaltes der eisenbahnbezogenen PM10 Belastung, die im Rahmen einer vorgängig an den selben Messstandorten durchgeführten Langzeitstudie erarbeitet wurden, stehen in guter Übereinstimmung mit den Werten der hier vorgestellten Studie. In einem Projekt zur Erforschung des Potentiales von thermophoretischen Sammelgeräten zur quantitativen Bestimmung von Partikel Grössenverteilungen und Anzahlkonzentrationen, verschob sich der Fokus der Arbeiten von PM10 zu PM0.5 (Kapitel 3). Zu diesem Zweck wurde ein thermophoretischer Sammler mit zwei parallelen Platten zum Sammeln von atmosphärischen Partikeln für die Analyse mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) kalibriert und charakterisiert. Die Repräsentativität der Proben wurde anhand einer Reihe von Experimenten verifiziert. Die Resultate zeigen, dass der Sammler für Partikel mit Durchmesser zwischen 15 nm und 300 nm unabhängig von Partikelgrösse, -form und -zusammensetzung arbeitet. Dies bedeutet, dass die Proben eine getreue Wiedergabe des originalen Aerosols darstellen. Es wurde ein numerisches Modell zur Beschreibung der Thermophorese entwickelt und auf die Spezifikationen des Sammlers angepasst. Das Modell wurde dazu verwendet, um aus den Resultaten der TEM Analyse von mit dem Sammler gezogenen Proben die Partikel Anzahlkonzentrationen und Grössenverteilungen der verwendeten Kalibrationsaerosole zu berechnen. Die so ermittelten Resultate stimmen sehr gut mit den gleichzeitig durchgeführten online Messungen der Kalibrationsaerosole überein. Dieses Projekt demonstriert somit, dass thermophoretische Sammler dazu verwendet werden können um quantitative Grössenverteilungen und Anzahlkonzentrationen von ultrafeinen Aerosolen mittels mikroskopischer Einzelpartikelanalyse zu ermitteln. In einer dritten Studie wurde das Augenmerk auf arbeitsmedizinische Aspekte und Arbeitsplätze gerichtet. Es wurde eine Kombination von online Geräten und Probensammlern für feine (<600 nm) und ultrafeine (<100 nm) Aerosole für eine vollständige Einschätzung einer Arbeitsumgebung vorgeschlagen und bei Schweissarbeiten getestet (Kapitel 4). Die online Messungen zeigen, dass die Produktionsraten für Partikel während des Schweissens stark variieren können. Ausserdem ist ein signifikanter Anstieg der Konzentration von feinen Partikeln im Verlaufe eines Tages festzustellen. Messungen an zwei verschiedenen Arbeitsplätzen förderten vergleichbare Anzahlkonzentrationen bei deutlich unterschiedlichen Grössenverteilungen zutage. Durch Einzelpartikelanalysen mit einem TEM konnten drei unterschiedliche Typen von Primärpartikeln nachgewiesen werden. Obwohl die Typen aufgrund ihrer Morphologie unterschieden werden können, deuten energiedispersive Röntgenanalysen und kristallographische Untersuchungsmethoden darauf hin, dass alle aus demselben Grundmaterial bestehen. Die in dieser Studie vorgeschlagene Messstrategie ermöglicht eine vollständige Evaluation der Exposition der Arbeiter zu feinen und ultrafeinen Aerosolen. Die hierin ermittelten Anzahlkonzentrationen, Partikelcharakteristika und Oberflächenbeschaffenheiten sollten in künftigen toxikologischen Studien als Rahmenbedingungen genutzt werden. Denn nur so können zusätzliche Erkenntnisse bezüglich der arbeitsmedizinischen Konsequenzen von relevanten Expositionsdosen gewonnen werden.
    Summary
    The topic of this PhD thesis covers a variety of aspects of aerosol science. Accordingly, the projects contributing to the accomplishments of this work are manifold and connected only by the enveloping topic of ambient aerosols. The goal of one of the studies was to identify and quantify particles emitted from railway traffic (chapter 2). For that purpose PM10 samples were collected near a busy railway line using a wind direction and speed controlled sampling equipment consisting of five devices. Measurements taken perpendicular to the railway lines at 10 m, 36 m and 120 m distance enable an identification and separation of particles caused by the railway traffic from background particles. Morphology and chemistry of more than 11’000 individual particles were analysed by computer controlled scanning electron microscopy (CCSEM). Based on chemical composition five particle classes are defined and assigned to their sources. The mass of the individual particles is determined by multiplying their volumes, calculated based on their morphology with a density assigned specifically to each particle class. The density of the particle classes is derived from their chemical composition. To estimate the PM10 contributions of the railway lines, the mass of PM10 at 120 m (background, not influenced by the railway lines) is subtracted from the mass of PM10 at 10 m. The emissions of the railway lines are dominated by ‘iron’ particles, which contribute 2.9 μg m-3 or 67% to the railway related PM10. In addition, ‘aluminium’ and ‘calcium’ particles contribute also to the railway related PM10 (1.0 μg m-3 or 23% for the ‘aluminium’ and 0.4 μg m-3 or 10% for the ‘calcium’ particles). These particles are assigned to abrasion of the gravel bed and re-suspension of mineral dust. Long-term gravimetric results of the contribution of iron to the mass of railway related PM10 from a study performed earlier at the same site are in good agreement with the data gained from this study. In a project to explore the potential of thermophoretic sampling devices to derive quantitative particle size distributions and number concentrations of aerosols based on microscopic single particle analysis, the focus moved from PM10 to PM0.5 (chapter 3). For that purpose a plateto- plate thermophoretic precipitator to collect ultrafine atmospheric particles for TEM (transmission electron microscopy) analysis has been calibrated and characterised. The representativeness of the samples has been verified in a series of experiments. Results show that for particles with diameter of 15 nm to 300 nm the precipitator works independent of size, shape and composition of the particles and, therefore, its samples accurately represent the original aerosol. A numerical model of the thermophoretic deposition properties has been developed and tailored to the specifications of the precipitator. The model has been used to derive the particle number density and size distribution of several calibration aerosols using the TEM analysis of the samples taken with the thermophoretic precipitator as input parameters. The results agree very well with the online measurements of the calibration aerosols. This project demonstrates that a thermophoretic sampling device can be used to derive quantitative particle size distributions and number concentrations of ultrafine particles based on microscopic single particle analysis. In a third study the emphasis was set on occupational health and working environments. A combination of online instruments and sampling devices for the subsequent offline analysis of fine (<600 nm) and ultrafine (<100 nm) aerosols for a complete assessment of a working environment is proposed and tested at a welding shop (chapter 4). Online measurements show highly variable particle production rates during welding and a considerable increase in background number concentrations of fine particles during the day. The comparison of two work places within the same facility reveals comparable particle number concentrations but significantly differing size distributions. Through single particle analysis on a TEM three different types of primary particles are defined. While they can be distinguished by their morphology, energy dispersive X-ray analysis and crystallographic methods (selected area electron diffraction, SAED) indicate that the different types of primary particles all consist of the same base material. The measurement strategy suggested in this study allows a complete evaluation of the exposure conditions met by the employees. The data on number concentrations, particle characteristics and surface composition should be used as guidelines for toxicological studies to gain further insight on the consequences of relevant exposure doses for occupational health.