A hegesztési füstök kutatásának újabb eredményei Berlinger Balázs

Átírás

1 A hegesztési füstök kutatásának újabb eredményei Berlinger Balázs National Institute of Occupational Health Oslo, Norvégia

2 Hegesztés A fémmegmunkáló ipari szektor (970 milliárd éves forgalommal) az EU bevételeinek 8%-át adja. A hegesztés a legfontosabb alkalmazott technika ebben a szektorban; dolgozót foglalkoztat teljes munkaidőben, 5,5 milliót pedig a munkaideje egy részében európai cégnél része a technológiának

3 A hegesztési füstök egészségkárosító hatásai Légzőrendszert érintő megbetegedések: krónikus tüdőgyulladás, foglalkozási asztma, fémláz, krónikus bronchitis, pneumokoniózis, fibrózis, légúti fertőzések, tüdőfunkcióban beállt változások, tüdőrák Szívbetegség ( ischemic heart disease ) Pszichiátriai és neurológiai hatások ( manganism ) 3

4 A hegesztési füstök kutatásának fő irányai Mintavételi és analitikai módszerek fejlesztése A hegesztési füstök fizikai és kémiai tulajdonságainak feltérképezése Anyagvizsgálat Füst részecskék vizsgálata Biológiai hatások megértéséhez szükséges kutatások Speciáció Biológiai hozzáférhetőség ( bioaccessibility ), biológiai elérhetőség ( bioavailability ) (Oldhatóság) 4

5 Hegesztési füst expozíció A hegesztés során keletkező hegesztési füst mennyisége és összetétele számos tényezőtől függ Munkadarab és annak felületkezelése Hegesztőeljárás Gázhegesztés Sugárhegesztés Ívhegesztés [11] Fogyóelektródás, önvédő ívhegesztés» [111] Fogyóelektródás ívhegesztés bevont elektródával (kézi ívhegesztés) [13] Fogyóelektródás, védőgázos ívhegesztés» [131] Fogyóelektródás, semleges védőgázos ívhegesztés (MIG hegesztés)» [135] Fogyóelektródás, aktív védőgázos ívhegesztés (MAG hegesztés) [14] Nem fogyóelektródás, védőgázos ívhegesztés» [141] Volfrámelektródás, semleges védőgázos ívhegesztés (TIG hegesztés) Elektróda összetétele és átmérője Huzaganyag összetétele és átmérője Hegesztési paraméterek (áramerősség, huzalelőtolási sebesség, stb.) Oxidációt gátoló anyagok (elektródatöltet, elektódabevonat) Alkalmazott védőgáz 5

6 A HEGESZTÉSI FÜSTÖK TULAJDONSÁGAI 6

7 Összetétel % Eljárás Cu - - 0, ,5 0,2 0,5 <0,1 0,1 Fe 46,0 24,6 57,0 38,1 10,8 0,2 4,4 20,3 18,5 8,6 K - 12,5-0,3 18, ,1 20,3 22,2 Mn 4,0 4,6 7,8 11,1 6,2-6,0 7,7 7,0 5,2 Cr ,6-1,3 6,4 3,1 4,9 Si 7,5 2,8 3,3 5,1 4, Mg ,4-0,1 0,1 0,1 Na 6,3 3,3-8,9 10,4-0,9 0,4 6,0 4,6 Ni ,75-0,5 3,5 0,6 1,1 Ti 0, , ,1 0,1 1,1 1,5 Al - 0, ,0 0,3 0,7 0,5 1,0 Ca - 20, ,4 - F - 19, ,

8 dn/dlog(dmob)[1/cm3] Hegesztési füst részecskék szám szerinti méreteloszlása Peak particle concentrations of each weld 1.80E E E+06 TIG (stainless steel) MIG Mixed TIG&MIG 1.20E E E E+05 TIG (aluminum) TIG&MMA MMA Mixed TIG&MMA (simultaneous) 4.00E E E mobility diameter [nm] 8

9 deposition A részecskék légúti ülepedése total extrathoracic bronchi bronchioli (Kreyling, 2004) alveoli particle diameter (µm) ICRP 66 (1994), MPP Dep (2000) particle density: 1 g cm -3 respiratory flow rate: 300 cm 3 s -1 breathing at rest cycle period : 5 s 9

10 Hegesztési füst részecskék tömeg szerinti méreteloszlása 1. 10

11 Tömegfrakció, % Tömegfrakció, % Hegesztési füst részecskék tömeg szerinti méreteloszlása MMA < 250 nm µm µm µm µm Aerodimamikai átmérő TIG < 250 nm µm µm µm µm Aerodinamikai átmérő 11

12 Hegesztési füst részecskék morfológiája 12

13 Primer hegesztési füst részecskék szám szerinti méreteloszlása 13

14 Hegesztési füst részecskék kémiai összetétele 14

15 A hegesztési füstök munkahelyi mintavétele Személyi mintavétel az munkahelyi expozícióbecsléshez Mintavételi felszerelés Mintavételi szivattyú (2 4 l/min) Műanyag cső (Teflon, Tygon) Mintavételi feltét (kazetta) A mintavételi feltétet minden esetben a dolgozó légzési zónájában helyezzük el, amennyiben lehetséges a hegesztőmaszkon belül. Amennyiben ez nem kivitelezhető a kabát vagy ing hajtókáján rögzítjük. A mintavélei szivattyúkat különböző térfogatáramokkal működtetjük mintavételi kazettától függően (2 4 l/min). A mintavételek időtartama Teljes műszak / 8 óra A munkafázis alatt 15

16 Részecskefrakciók BELÉLEGEZHETŐ FRAKCIÓ - A belélegezhető (vagy inhalábilis) frakció a munkahelyi aeroszoloknak az a tömegfrakciója, amelyet az egyén az orron és szájon át belélegez. A belélegezhető frakció a légmozgás sebességétől, irányától, a légzés gyakoriságától és egyéb tényezőktől (pl. attól, hogy levegővétel az orron és/vagy a szájon át történik) függ. RESPIRÁBILIS FRAKCIÓ - A respirábilis frakció megközelítőleg azonos a munkahelyi aeroszolok azon tömegfrakciójával, amely bejut a tüdő alveolusaiba (gázcserélő tartományába). (MSZ EN 481) 16

17 Mintavételi feltétek Belélegezhető frakció IOM (2,0 l/min) CIS/GSP (3,5 l/min) Button (4 l/min) Teljes por SC (2,0 l/min) Millipore (2,0 l/min) Respirábilis frakció HD ciklon (2,2 l/min) 17

18 Biológiai hozzáférhetőség (Bioaccessibility) Egy anyag biológiailag hozzáférhető része az anyagnak az a mennyisége ami az emberi szervezetben oldható, ezáltal hozzáférhető az abszorpció során. (Ruby et. al., 1999) 18

19 Oldhatóság MnCl 2 MnO 2 MnSO 4 Mn 3 O 4 Rats Striatum Striatum Striatum Testicles Striatum Testicles 1.22 mg Mn/kg 1x/week intratracheally for 4 weeks* Increase 200% Increase 35% 3 mg Mn/m 3 (respirable) daily for 14 days** Increase 6-7x Increase 2.5x Increase 2-3x No increase * Roels et al., 1997; ** Dorman et al.,

20 Célkitűzés A hegesztési füstök biológiai hozzáférhetősége Olyan oldószer kiválasztása amellyel a hegesztési füstök biológiai hozzáférhetősége meghatározható. Analitikai módszer kidolgozása a későbbi tanulmányokhoz. Megvalósítás 3 oldószer (víz, Gamble s solution, Hatch s solution) Hőmérséklet (20 C, 37 C) Kioldási idő (0.5, 1, 2, 4, 8, 16, 24 óra) 20

21 Tüdőfolyadék szimuláló oldatok (Lung fluid simulants) Oldat ph Összetevők (1 dm 3 nt. vízben) Gamble oldat 7,4 Magnézium-klorid-hexahidrát (0,2033 g), nátrium-klorid (6,0193 g), kálium-klorid (0,2982 g), dibázikus-nátriumfoszfát (0,1420 g), nátrium-szulfát (0,0710 g), kalciumklorid-dihidrát (0,3676 g), nátrium-acetát-trihidrát (0,9526 g), nátrium-bikarbonát (2,6043 g), nátrium-citrát-dehidrát (0,0970 g) Hatch oldat 7,4 Kalcium-klorid (0,2251 g), magnézium-klorid-hexahidrát (0,21 g), magnézium-szulfát (0,0342 g), kálium-klorid (0,37 g), kálium-dihidrogén-foszfát (0,03 g), nátrium-bikarbonát (2,27 g), nátrium-klorid (7,0 g), dibázikus-nátrium-foszfát (0,1196 g), D-glükóz (1,0 g), foszfatidilkolin (10 g), α- tocoferol (0,001 g), húgysav (0,025 g), szérumalbumin (10 g), lizozim (2,5 g), apo-transzferrin (0,2 g), aszkorbinsav (0,05 g), glutation (0,05 g) 21

22 Mintavétel Multiport air sampler (`Sputnik`) 114 párhuzamos hegesztési füst minta ( m 5%) 25 mm átmérőjű Millipore mintavételi kazetta 5,0 µm pórusátmérőjű PVC membránszűrő 22

23 Mintaelőkészítés 50 ml-es VectaSpin 20 TM polipropilén (PP) centrifugacső 25 ml-es szűrőbetét 0.2 µm-es nylon membránszűrő 10 ml oldat Szűrés centrifugális erő felhasználásával (3000 rev min -1 ) Szűrés hatásfoka > 99.99% 5 nm átmérőjű részecskékre is! Szűrés utáni minta tartósítás salétromsav hozzáadásával VectaSpin 23

24 % Eredmények A hegesztési füstök elemei összetétele Percentage of elements TIG MIG MMA 5 0 Ag Al Ca Cr Cu Fe K Li Mg Mn Mo Na Ni Pb Si Sn Ti V Zn Zr Elements 24

25 Eredmények Oldhatóság A kioldási kísérletek eredményi azt mutatták, hogy az egyes hegesztési füstben jelenlévő fémek oldhatósága nagyon eltérő lehet a hegesztési technikától, a kioldáshoz használt oldattól és a kioldás időtartamától függően. 25

26 26

27 27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 % Mn A mangán oldatóságának változása az idő függvényében (Hatch oldat) TIG MIG MMA dissolution time, h 36

37 % Cr A króm oldatóságának változása az idő függvényében (Hatch oldat) TIG MIG MMA dissolution time, h 37

38 A tanulmány eredményeinek összefoglalása A hegesztési füstben jelenlévő fémek oldhatósága nagyon eltérő lehet a hegesztési technikától, a kioldáshoz használt oldattól és a kioldás időtartamától függően. Melyik oldat a legalkalmasabb a hegesztési füstök (és más munkahelyi aeroszolok) biológiailag hozzáférhető frakciójának meghatározására? Hatch oldat, mivel ennek az összetétele áll legközelebb a valódi tüdőfolyadékéhoz. Kioldási idő megválasztása A hegesztési füstök fő összetevőinek (Fe, Mn, Cr, Ni) koncentrációja 24 óra után volt a legnagyobb a Hatch oldatban. A részecskék 90%-ának kiürülése a tüdőből 24 órán belül megtörténik. (Semmler-Behnke et. al., 2007) * Berlinger B, Ellingsen DG, Náray M, Záray G, Thomassen Y: A study of the bio-accessibility of welding fumes, Journal of Environmental Monitoring, 10, 2008,

39 Analitikai módszer munkahelyi aeroszol minták biológiailag hozzáférhető frakciójának meghatározására 1. Bio-accessible (Hatch soluble) fraction: Leaching in 50 ml volume VectaSpin 20 TM polypropylene (PP) centrifuge tubes with 25 ml filter cup inserts equipped with 0.45 µm Nylon membranes adding 10 ml of Hatch s solution to the PVC filter sample placing the centrifuge tubes into a laboratory oven set to 37 o C for 24 hours filtering by centrifugation adding 2 ml 65 % HNO 3 and 100 µl internal standard solution (10 mg/l In, Tl, Sc, Ga and Ge) to 1 ml leachate laboratory oven at 90 o C for 90 minutes filling up with deionized (DI) water to 14 ml in a 15 ml volume PP tube analysis by an ELEMENT2 HR-ICP-MS instrument 2. Non-soluble fraction: Two-step acid digestion procedure in Milestone SV-140 Teflon autoclaves adding 2 ml 65 % HNO 3 and 100 µl internal standard solution (140 mg/l Be) to the filter cup insert laboratory oven set to 120 o C for 120 minutes (open vessel) adding a mixture of 1.5 ml 37 % HCl, 0.5 ml 65 % HNO 3 and 0.2 ml 40 % HF laboratory oven at 120 o C for 150 minutes (closed vessel) filling up with DI water to 14 ml in a 15 ml volume PP tube analysis by a Perkin Elmer Optima 7300 DV ICP-OES instrument 39

40 TANULMÁNY A HEGESZTÉSI FÜSTÖK IDEGRENDSZERRE GYAKOROLT HATÁSAIRÓL (A STUDY OF THE NERVOUS SYSTEM IN WELDERS) 40

41 Overall study design 2002/2003 Re-examined 2008/2009 Added 2008/ welders 96 referents 63 welders 65 referents 74 welders 72 referents 27 patients 17 patients 17 patients +24 PD 41

42 Overview of the study Iron status 42

43 Background and exposure variables among all welders and all referents Welders (N=137) Referents (N=137) Mean Range Mean Range p Age (yrs.) Weight (kg) Education (yrs.) <0.001 Alcohol (g/year) S-CDT (%) 0.71 <DL <DL Coffee (cups/day) Current Smokers (%) Yrs. Welding Geometric mean 43

44 The geometric mean (GM) concentrations of Mn and Fe in the workroom air in 137 welders according to solubility in Hatch solution # Mn Fe GM Range GM Range Hatch sol (µg/m 3 ) 22 <DL <DL-183 Hatch insol (µg/m 3 ) Total (µg/m 3 ) No air samples in seven subjects; # Hatch sol : soluble in Hatch solution, Hatch insol : insoluble in Hatch solution 44

45 The geometric mean concentrations of Mn and Fe in whole blood, serum and urine among current welders and referents Welders Referents N=137 N=137 Mean Range Mean Range B-Mn (µg/l) a S-Mn (µg/l) a S-Fe (mg/l) a U-Mn (µg/g creatinine) a <DL-3.1 U-Fe (µg/g creatinine) a p<

46 Összefüggések: U-Mn/B-Mn/S-Mn og H sol Mn 46

47 Króm vizeletben - króm levegőben U-Cr H nonsol Cr / H sol Cr R 2 = R 2 =

48 Magyar nyelvű irodalom Berlinger B, Pallósi J, Náray M, Záray G: Hegesztési füstök kémiai analízise, Anyagvizsgálók Lapja, 16(3), 2006 Berlinger B, Náray M: Hegesztési füst mintavétel, Hegesztés-technika, 17(2), 2006, Berlinger B, Náray M: A hegesztési füstök meghatározási lehetőségei, Hegesztés-technika, 17(3), 2006, Berlinger B, Tumbász M, Náray M: Fémek oldhatóságának kérdése hegesztési füst vizsgálatokban, Anyagvizsgálók Lapja, 20(1), 2010 Berlinger B: A hegesztési füstök egészségre gyakorolt hatásai Hegesztés-technika (megjelenés alatt) 48