Projectson Aerosols and Health
Erik Swietlicki
PhD students:Erik Nilsson, Jakob Löndahl,
Pontus Roldin
Div. of Nuclear Physics, Lund University, P.O. Box 118, SE-22100 Lund, Sweden
Projektledare:Erik Swietlicki (KF-LTH)
Finansiering (2008-2010): 4.5 MSEK
Hälsoeffekter av fina aerosolpartiklar i utomhusluft – En metod för mätning och modellering av dosen till
andningsvägarna
FORMAS
•Sambandet PM exponering – dos till andingsvägarna
•Laboratoriestudier – utomhusmiljöer
•Variabilitet mellan individer (kan vi förklara denna?)
•Deponering av partiklar hos barn/ungdomar, låga temperaturer
•Konstruera en modell för dosuppskattningar i olika situationer
Medsökande:Per Wollmer (UMAS)Mats Bohgard (EAT-LTH)Joakim Pagels (EAT-LTH)
Drier
Pneumotachograph
Inhale tank 10 L
Exhale tank 2 or 5 L
2-way valve
Particle size-distribution measurement (SMPS)
Aerosol inlet
Heated area
Outlet
Lung Deposition Measurements
RESPI instrument
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n frac
tion
Rest, saltExercise, saltRest, oilExercise, oil
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n frac
tion
Rest, saltExercise, saltRest, oilExercise, oil
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n frac
tion
Rest, saltExercise, saltRest, oilExercise, oil
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n frac
tion
Rest, saltExercise, saltRest, oilExercise, oil
Particle Lung DepositionHydrophobic Oil and Hygroscopic NaCl Aerosols, Healthy Adults
Intersubject variability (oil, rest)
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n frac
tion
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n Fra
ctio
n
HydrophobicTrafficEfficient combustionLow temp. combustion
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n Fra
ctio
n
HydrophobicTrafficEfficient combustionLow temp. combustion
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n Fra
ctio
n
HydrophobicTrafficEfficient combustionLow temp. combustion
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
10 100 1000Dry mobility diameter (nm)
Dep
ositio
n Fra
ctio
n
HydrophobicTrafficEfficient combustionLow temp. combustion
Deponerad partikelfraktion – Vedrök (SNAP)
Partiklar från biomassförbränning och trafik
Deponerad andel ≈ 0.2
Deponerad andel > 0.5
Number(x109)
Surface(mm2)
Mass(µg)
Efficient combustion
7.2 170 3.0
Low temperature combustion
2.4 180 6.7
Traffic 6200 18800 14.3
Flera studier visar bättre korrelation mellan hälsoeffekter och partikelantal eller partikelyta än gentemot massa!
Deponerad partikelfraktion (dos)Jämförelse
Partiklar från vedrök – trafik
Dos vid samma exponering: 100 µg/m3 (1h)
Tvärdisciplinärt samarbetsprojekt mellan:Tvärdisciplinärt samarbetsprojekt mellan:
Avd för kärnfysik, Lunds Tekniska HögskolaAvd för kärnfysik, Lunds Tekniska HögskolaErik Swietlicki (projektledare)Erik Swietlicki (projektledare), Jakob Löndahl m.fl., Jakob Löndahl m.fl.
Ergonomi och aerosolteknologi, Lunds Tekniska HögskolaErgonomi och aerosolteknologi, Lunds Tekniska Högskola Joakim Pagels,Joakim Pagels, Mats Bohgard m.fl.Mats Bohgard m.fl.
Lung- och allergiklinikens forsknings avdelning, Lung- och allergiklinikens forsknings avdelning, Norrlands universitets sjukhus, UmeåNorrlands universitets sjukhus, Umeå
Thomas Sandström, Anders Blomberg m.fl.Thomas Sandström, Anders Blomberg m.fl.
Energiteknik och Termisk Processkemi Energiteknik och Termisk Processkemi (ETPC), Umeå universitetETPC), Umeå universitet Christoffer BomanChristoffer Boman
Deponering i andningsvägarna av partiklar Deponering i andningsvägarna av partiklar från motoravgaserfrån motoravgaser
Finansierat av EMFO under 2007-08Finansierat av EMFO under 2007-08
Projektets syfte och mål
Detta projekt avser att
• fastställa sambandet mellan de fysikaliska egenskaperna hos partiklar (storlek, form, hygroskopicitet) från dieselavgaser och deras storleksupplösta depositionsmönster i andningsvägarna (dos med avseende på antal, yta och massa). Depositionsmönstret skall även knytas till försökspersonernas lungfysiologi och andningsmönster.
• fastställa sambandet mellan exponering för partiklar från dieselavgaser och den faktiska dosen till andningsvägarna hos friska försökspersoner och personer, för partikelemissioner från en ny dieselmotor under olika körbetingelser inklusive European Transient Cycle.
• relatera de observerade organspecifika och systemiska reaktioner på dieselavgaser till dosen av partiklar till andningsvägarna som försökspersonerna erhållit, i stället för deras exponering. Detta förväntas ge tydligare samband mellan exponering-dos-effekt. Tonvikten ligger på hjärt-kärl och lungeffekter av dieselavgaserna.
Utspädning direkt efter avgasröret bestämmer storleksfördelningen för partiklar i
dieselavgaser
(Kittelson, 2003)
(From Kittelson, 2003)
Typiska storleksfördelningar för partiklar i dieselavgaser uppmätta i trafikmiljöer
(Kittelson, 2003)
Lungdeposition av dieselpartiklar – RESPI Förbehandling av agglomerat
Heat and humidification
Heated area
Fuktning och uppvärmning(simulerar lungan)
Agglomererade dieselpartiklar
Mätning av storleksfördelning
Heat and humidification
Lungdeposition av dieselpartiklar – RESPI Förbehandling av agglomerat
Fuktning och uppvärmning(simulerar lungan)
Uppställning för att mäta förluster och storleksförändring i fuktningssystemet
Mätning av storleksfördelning
Exponering för dieselavagaser – SMP UmeåSpädsystem
Beslut fattades våren 2007 rörande ombyggnad av den befintliga utspädningsutrustningen vid SMP (Umeå).
Ombyggnaden utfördes under sommaren 2007.
Tester utfördes under hösten 2007.
Tanken är att efterlikna samplingsförhållanden som i andra studier visat sig ge tydliga nukleeringspartiklar, d v s
•10-12 ggr initial spädning med 25-30 gradig luft •därefter en uppehållstid nånstans mellan 0.5-3 s
Mer likt utspädningsförhållanden i ”verkliga livet”i trafikmiljöer.
Exponering för dieselavagaser – SMP UmeåSpädsystem
Motor
ca 400-500 grCNOx
"Åldringskammare" (1-3 s)
T
T
ca 150 grC
Ox.kat+PM filter
Till expokammare Ca 150 m3/h = 10 ggr oms/hSpädluft
(Hepa+kolfilter)
Spädning 1 Överloppsrör ca 1:10-15
Expo alt 1(med rening)
Expo alt 2 (utan rening)
Spädnng 2ca 1:5
NOx
NOx
Generering av dieselavgaser - SMP Umeå
Exponeringskammare för dieselavgaser SMP Umeå
Storleksfördelningar med nytt spädsystem
Efter åtgärdat haveriScan 15-30: Nära efter 2 spädning
Scan 36+37: I kammaren (30 s i rör + 6 min oms i kammaren)
0.3-0.5*106 #/cm3, 300-700 ug/m3 (enl SMPS)Mer unimodalt i kammaren; ca 90
1.E+03
1.E+04
1.E+05
1.E+06
1.E+07
1 10 100 1000
15
17
19
22
23
25
26
28
29
30
36
37
Inuti exponeringskammaren
Exponering av försökspersonerRESPI-mätningar och aerosolkarakterisering
Tidsplanering – Exponeringsförsök (2008)Lungdeponeringsmätningarna sker i juni 2008 i Umeå.
• Karakterisering av aerosolen, kontrollexperiment• Mätning på försökspersoner
Aerosoltyper (Lungdepositionsmätningar)• ETC-cykeln och tomgång• Nya motorn• Nya spädsystemet• Friska personer
Dessutom görs mätning med en referensaerosol (DEHS-olja) som vi har använt i alla tidigare studier. Detta ger möjlighet både att jämföra olika grupper och att relatera dieseldeponeringen till en aerosol med känt beteende.
Aerosolkarakterisering av dieselpartiklar
Aerosolkarakteriseringen omfattar
• Hygroskopisk tillväxt (H-TDMA)• Storleksfördelning,submikront (SMPS, RESPI)• Fraktal struktur hos sotagglomeraten (förbehandlingssystemet)• TEM mikroskopi• Flyktighet vid förhöjda temperaturer (V-TDMA)• Grundämnessammansättning (PIXE)• Totalkol, organiskt och elementärt kol (termo-optisk metod)• PM10 (TEOM)
Denna aerosolkarakterisering är snarlik den i SNAP-projektet för vedrök.
Sammanfattning
•Nytt spädsystem för att efterlikna ”verkligheten”
•Omfattande aerosolkarakterisering
•Unika lungdepositionsmätningar på dieselpartiklar
•Resultaten kan användas för att beräkna dos i stället för exponering
Deponering i andningsvägarna av partiklar Deponering i andningsvägarna av partiklar från motoravgaserfrån motoravgaser
Finansierat av EMFO under 2007-08Finansierat av EMFO under 2007-08