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