On the Determination of Reactive Compounds in Aerosols

• Many sources of airborne contaminants have always been present in various work environments. With the development of thermosetting plastic systems, the use of reactive chemical compounds was greatly increased and thus also the risk of exposure to reactive and potentially hazardous compounds. Exposure can occur in many situations, not only at the workplace where the raw materials are handled. The finished products may emit unreacted or excess compounds, like in furniture made of particleboard with phenol-formaldehyde resin that may emit formaldehyde for a long time. Another emission source can arise when some thermosetting plastics like polyurethane and phenol-formaldehyde-urea resins are heated, intentionally or by accident. Many different types of isocyanates in a complex mixture are released at such occasions. In an effort to characterise those emissions in more detail, a new analytical method for the derivatisation and analysis of isocyanates was developed. The new derivatisation reagent, di-n-butylamine, was found to be suitable for the determination of many types of isocyanates even when complicated mixtures of air pollutants were present in the work environment. However, it was found that the used standard sampler, the midget impinger, had almost negligible collection efficiency for particles with an aerodynamic diameter smaller than 1.5 µm. In the work operations where polyurethane products were heated and decomposed, leading to the emission of isocyanate-containing aerosols, the particles were found to be mainly in the sub-micron range and thus not collected by the impinger sampler. In car repair shops, very high concentrations of airborne isocyanates found to be emitted at common work operations as welding and cutting in polyurethane painted vehicles. As an initial solution, a glass-fibre filter was connected in series after the impinger to collect the particles that otherwise would have escaped sampling. The relatively volatile reagent dibutylamine proved to be well suited for this sampling technique as the reagent evaporates from the sampling liquid and impregnates particles collected on the filter. In air samples taken with this method in car repair shops, very high concentrations of isocyanates were found to be emitted during operations such as welding and cutting in vehicles. In order to avoid undesirable reactions that can take place between the studied compound and other compounds present in the work environment, it is desirable to supply the reagent at the earliest possible moment in the sampling process. The ideal might be to supply the reagent to the sample even before collection. Using the aerosol particles as condensation nuclei for a condensing reagent vapour, this can be done. A new method to supply a large excess of liquid reagent to particles in an aerosol before collection of the particles was presented. This new type of sampler may become useful in the investigation of the actual chemical composition of reactive air contaminants at workplaces.

• Popular Abstract in Swedish Denna avhandling inom forskarutbildningsämnet arbetsmiljöteknik beskriver nyutvecklade provtagnings- och analysmetoder för att undersöka hur reaktionsbenägna luftföroreningar uppkommer och sprids i arbetsmiljön. Antalet människor som drabbas av allergier har ökat de senaste årtiondena. Många av de mekanismer som ger upphov till allergier och överkänslighetsreaktioner kan relateras till exponeringen för reaktiva ämnen. Med användningen av härdplaster har förekomsten av reaktiva ämnen i arbetsmiljön ökat påtagligt. Några exempel på dessa ämnen är formaldehyd som kan avges från möbler och byggmaterial, epoxider och akrylater som finns i vissa lacker och limmer samt isocyanater som bildas då vissa härdplaster utsätts för värme och vid tillverkningen av polyuretanprodukter. Användningen av polyuretan (förkortas ofta PU eller PUR) är mycket stor i samhället. Användningen i världen har stigit till över 8 miljoner ton per år (1999) och ökar med 5 % om året. En av många former av PUR är mjukt skum, som används t ex i madrasser och som möbelstoppning. Några andra vanligt förekommande användningsområden för PUR är billack, isoleringsskum, lim och skosulor. Vid uppvärmning av polyuretanproduker över 150-200°C bildas ofta flera olika typer av reaktiva och giftiga isocyanater. För att kartlägga och övervaka luftföroreningar tas luftprover med olika metoder. De kan till exempel samlas in i ett lösningsmedel, på ett filter eller på en adsorbent. Gemensamt för metoderna är att de omedelbart måste överföra det reaktiva ämne som skall analyseras till en stabil form, annars kommer detta att reagera med t ex luftfuktighet eller andra ämnen i provtagningsluften till okända ämnen/reaktionsprodukter som gör det svårt att utföra analysen på ett systematiskt och säkert sätt. Att snabbt och säkert föra över ämnet som skall analyseras till en stabil form som lämpar sig för de analysmetoder som finns tillgängliga är alltså en nyckelfråga. Den teknik som oftast används kallas derivatisering. Tekniken innebär att det ämne som skall analyseras reagerar med ett tillsatt ämne (reagens) till en stabil förening (derivat) som är väl lämpad för den analysteknik som man skall använda. I artikel I har möjligheterna att använda di-n-butylamin (DBA) för analys av isocyanater med vätskekromatografi och UV-detektion eller masspektrometri (LC-UV / LC-MS) undersökts. Det nya reagenset lämpar sig särskilt väl för provtagning i miljöer med komplex föroreningssituation, där ämnen som kan störa derivatiseringsprocessen och många olika typer av isocyanater kan förekomma. Eftersom reagenset skall tillföras den reaktiva förening som skall analyseras så tidigt som möjligt, är det vanligt att reagenset tillförs direkt på filtret eller i lösningsmedlet (vid provtagning i impingerflaska eller gastvättflaska). Detta fungerar oftast bra för luftföroreningar i gasfas. Är däremot föroreningen fördelad mellan både gas och partiklar uppstår en rad problem, till exempel att reagenset har svårt att nå in i partiklar, speciellt om dessa är insamlade på ett filter. I den provtagare som ofta används då reaktiva ämnen i aerosolform skall provtas, impingerflaskan, leds provtagningsluften genom en lösning med reagens, varvid det är tänkt att partiklar skall impaktera i botten på flaskan och gaser skall absorberas av vätskan. I artikel II visas att impingerflaskan inte samlar in partiklar som är mindre än 1 µm på ett effektivt sätt. I artikeln rekommenderas att man använder ett filter efter impingerprovtagaren för att samla in de partiklar som passerar denna. Ett exempel på situationer då emission av reaktiva ämnen sker är när produkter innehållande polyuretan värms till över 150-200°C. Då kommer plasten att brytas ned av värmen, varvid isocyanater kommer att emitteras. De bildade isocyanaterna kommer, beroende på sina fysikaliska egenskaper, att fördelas mellan gas och partiklar i luften. I artikel III har olika typer av mjukt polyuretanskum utsatts för värme och den aerosol som bildats har analyserats med avseende på partikel-storleksfördelning och isocyanatinnehåll. Resultaten visar att en inte obetydlig del av den isocyanatmonomer som analyserats, toluendiisocyanat (TDI), återfinns i partikelfasen. Artikel IV beskriver situationen på bilplåtslageriverkstäder, där man slipar, kapar och svetsar i lackerad bilplåt. Eftersom en billack ofta innehåller polyuretan och flera underredsmassor också är av polyuretan kommer de att vid upphettning avge isocyanater. Höga halter av många olika typer av isocyanater i både gas- och partikelform upptäcktes med hjälp av impinger-filterprovtagning och masspektrometrisk analys. Även relativt "milda" arbeten som slipning av bilplåt gav upphov till isocyanatemissioner. Inte bara de isocyanater som ursprungligen fanns i lacken, utan även nya lättflyktiga monoisocyanater som metylisocyanat emitterades vid uppvärmning. I denna artikel har också impinger-filterprovtagarens effektivitet närmare undersökts. För att gå vidare med metodiken att provta reaktiva ämnen i aerosoler, testades i artikel V en ny metod att tillföra reagens till partiklarna i aerosolen före insamlingen av dem. Genom att använda denna teknik kan man undvika att påverka den kemiska sammansättningen i partiklarna innan de ämnen som skall analyseras är derivatiserade, samtidigt som man ökar storleken på partiklarna så de kan samlas in med t ex impingerprovtagare. Den nya metoden kan komma att bli användbar när den faktiska kemiska sammansättningen av reaktiva luftföroreningar i arbetsmiljön skall undersökas.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Produktionsteknik, arbetsvetenskap och ergonomi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics (hsv//eng)

Nyckelord

Environmental technology

industrial hygiene

isocyanates

particles

sampling

aerosols

pollution control

Miljöteknik

kontroll av utsläpp

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)