Nanoparticle manufacture ambient air chemical and physical survey as a tool for accidental and chronic risk assessment

Nowadays, nanotechnology lets foresee many opportunities and benefits for new materials with significantly improved properties as well as revolutionary applications in large industrial flelds. Analysts have estimated that the size of the market was 900 million Euro in 2005 and will be 11 billion Euro in 2010. However, nanomaterial industrial stakeholders are currently encountering potential problems with hazard control in their production plants. Release of nanoparticles in air can lead to violent chemical reactions and even explosions because of their small size and energetic properties, and hence high chemical reactivity. Another major safery concern is the impact of manufacturing nanoparticles on the environment and more specifically on the health of workers and of neighbouring populations. Thus, a key issue consists of controlling the release of nanoparticles with chemical or physical toxicological impacts under the ambient background

Détection de particules micrométriques en suspension dans l'air par technique LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)

International audienceLes aérosols peuvent être définis comme des particules solides ou liquides en suspension dans un gaz avec des diamètres s'échelonnant du nanomètre jusqu'à plusieurs micromètres. La génération d'aérosols dans les procédés industriels peut représenter une menace pour les travailleurs comme pour l'environnement. La possible émission, sous forme de particules de tailles micrométriques/submicroniques, de métaux lourds issus des rejets canalisés d'industries (telles que les fonderies ou les incinérateurs) ou bien encore de pelotes de nanotubes de carbone sur leur lieu de production, en sont deux exemples. Les rejets de métaux lourds dans l'atmosphère sont essentiellement d'origine anthropique et produits par des industries impliquant notamment des procédés de combustion comme les incinérateurs et les fonderies. Compte tenu des effets nocifs avérés des métaux lourds sur l'homme et l'environnement, les rejets sont encadrés par des réglementations (arrêtés du 02 février 1998 et du 20 septembre 2002). L'évolution de celles-ci, toujours plus stricte, nécessite le développement d'outils adaptés et notamment, d'une instrumentation de terrain permettant l'analyse in-situ en automatique avec une résolution temporelle adéquate. Les travaux présentés ici sont focalisés sur la quantification en temps réel de la fraction particulaire dans une gamme de tailles s'échelonnant de 1 à 10 µm. Depuis leur découverte, les nanotubes de carbone (NTC) suscitent un intérêt croissant eu égard aux très nombreuses applications possibles dans de nombreux domaines industriels. Les nombreuses applications potentielles des NTC soulèvent l'enthousiasme mais également des inquiétudes. Les possible effets que pourraient avoir les NTC sur la santé humaine sont très mal connus et les recherches sur ces sujets toujours en cours. Leur morphologie en forme de fibre est inquiétante car elle rappelle celle de l'amiante. Au risque lié à la morphologie des NTC s'ajoute celui de la toxicité chimique des éléments contenus dans les nanotubes de carbone, souvent des éléments de catalyse. Sur les lieux de production, la voie aérienne est la source la plus probable de contamination. Bien que les procédés de production soient sécurisés, une possible fuite n'est jamais à écarter. De plus, le risque d'exposition existe à plusieurs étapes de production, tels que le conditionnement du produit final par exemple. Il est donc nécessaire de disposer d'outils de terrain permettant d'accéder à la taille et à la morphologie mais aussi à la composition chimique des particules émises. Il existe à l'heure actuelle peu d'instruments permettant, in-situ et en temps réel, de détecter l'émission de particules et de mesurer les concentrations émises selon leur nature chimique élémentaire. La technique LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) ou spectroscopie de plasma induit par laser semble adaptée à une telle problématique. C'est pourquoi elle a été appliquée dans les deux cas susmentionné

The second ACTRIS inter-comparison (2016) for Aerosol Chemical Speciation Monitors (ACSM) : Calibration protocols and instrument performance evaluations

AbstractThis work describes results obtained from the 2016 Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) intercomparison exercise performed at the Aerosol Chemical Monitor Calibration Center (ACMCC, France). Fifteen quadrupole ACSMs (Q_ACSM) from the European Research Infrastructure for the observation of Aerosols, Clouds and Trace gases (ACTRIS) network were calibrated using a new procedure that acquires calibration data under the same operating conditions as those used during sampling and hence gets information representative of instrument performance. The new calibration procedure notably resulted in a decrease in the spread of the measured sulfate mass concentrations, improving the reproducibility of inorganic species measurements between ACSMs as well as the consistency with co-located independent instruments. Tested calibration procedures also allowed for the investigation of artifacts in individual instruments, such as the overestimation of m/z 44 from organic aerosol. This effect was quantified by the m/z (mass-to-charge) 44 to nitrate ratio measured during ammonium nitrate calibrations, with values ranging from 0.03 to 0.26, showing that it can be significant for some instruments. The fragmentation table correction previously proposed to account for this artifact was applied to the measurements acquired during this study. For some instruments (those with high artifacts), this fragmentation table adjustment led to an ?overcorrection? of the f44 (m/z 44/Org) signal. This correction based on measurements made with pure NH4NO3, assumes that the magnitude of the artifact is independent of chemical composition. Using data acquired at different NH4NO3 mixing ratios (from solutions of NH4NO3 and (NH4)2SO4) we observe that the magnitude of the artifact varies as a function of composition. Here we applied an updated correction, dependent on the ambient NO3 mass fraction, which resulted in an improved agreement in organic signal among instruments. This work illustrates the benefits of integrating new calibration procedures and artifact corrections, but also highlights the benefits of these intercomparison exercises to continue to improve our knowledge of how these instruments operate, and assist us in interpreting atmospheric chemistry.Peer reviewe

Détection des nanoparticules manufacturées sur les places de travail

International audienceDepuis plusieurs années, la production et l'utilisation de nanoparticules manufacturées à l'échelle industrielle sont en plein essor. A l'échelle nanométrique, les matériaux développent des propriétés physico-chimiques nouvelles, très utiles dans de nombreux secteurs industriels (pharmacie, électronique, matériaux ...). Cet engouement industriel soulève quelques interrogations relatives à la sécurité sur les lieux de travail. En effet, si les propriétés physico-chimiques de tels objets sont accrues, il en est de même concernant leur toxicité [1] et leur capacité à s'enflammer [2]. Ainsi, les risques sanitaires et accidentels potentiels liés à la manipulation des nanoparticules manufacturées (production, transport, stockage) sur les places de travail représentent un sujet d'actualité faisant écho jusque dans la sphère publique [3]. Bien que les procédés de fabrication soient de plus en plus sûrs, les risques d'émission liés à des fuites, des mises en suspension accidentelles ou encore à la manipulation de poudres manufacturées sont mal connus. Cette lacune s'explique notamment par le fait qu'il est difficile d'effectuer des mesures des concentrations de nanoparticules manufacturées en ambiance de travai

Ambient air - Standard gravimetric measurement method for the determination of the PM10 or PM2,5 mass concentration of suspended particulate matter: Norme européenne EN 12341

participation au groupe de travail européen CEN WG15 concepteur de la norme européenne + validation de la traduction en français du document original anglaisMéthode de mesure de la concentration massique des fractions réglementées de matière particulaire en suspension (PM10 & PM2.5) par prélèvement sur filtre suivi d'une pesée en laboratoire sous conditions contrôlée

GUIDE POUR LE CONTROLE DES PARAMETRES CRITIQUES POUR LA MESURE DES ANALYSEURS AUTOMATIQUES DE PM

L’objectif du présent document est de compléter les exigences de la norme NF EN 16450 « Air ambiant - Systèmes automatisés de mesurage (AMS) de la concentration de matière particulaire (PM10 ; PM2,5) » d’avril 2017 concernant le contrôle des paramètres dits « critiques » (c’est-à-dire ayant une influence majeure sur le résultat de mesure). La norme privilégie la température ambiante, la pression ambiante, l’humidité relative ambiante et le débit total de prélèvement. Il s’agit essentiellement de recommandations (voire de points de vigilance essentiels) pour chaque type d’appareil de mesure automatique (AMS) utilisé par les Associations Agréées pour la Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA) pour la surveillance réglementaire des particules en suspension

EVALUATION DES DEBITMETRES DISPONIBLES SUR LE MARCHE POUR LE CONTROLE DES AMS PM

La norme NF EN 16450 « Air ambiant - Systèmes automatisés de mesurage (AMS) de la concentration de matière particulaire (PM10 ; PM2,5) » est parue le 29 avril 2017. Elle fixe les exigences techniques relatives aux AMS (Systèmes de Mesures Automatiques de particules dans l’air ambiant). Les AMS de type TEOM-FDMS (microbalance), jauges béta (jauges radiométriques) et FIDAS (indicateur optique) sont déclarés conformes pour la surveillance réglementaire de la qualité de l’air, car ils respectent les exigences de cette norme.Les paramètres température, pression, humidité relative (T, P, HR) et débit de ces AMS sont considérés comme « critiques » au sens de la norme NF EN 16450. En effet, ils impactent les volumes d’air prélevés donc la concentration massique mesurée de particules. En l’absence de plus de précisions sur la méthodologie à mettre en oeuvre pour la mesure de ces paramètres dans cette norme, le Laboratoire Central de Surveillance de la Qualité de l’Air (LCSQA) souhaite élaborer des protocoles d’utilisation adaptés pour le contrôle sur site de ces paramètres.Le débit ayant été identifié comme le paramètre le plus « critique », cette note est dédiée à l’évaluation des débitmètres disponibles sur le marché ; ceux-ci ont été identifiés lors d’un recensement réalisé en 2016 par le LCSQA (Ineris et IMT LILLE- DOUAI) auprès des Associations agréées de la Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA) et des fabricants/distributeurs. Pour ce faire, des tests ont été menés en 2018 en laboratoire et sur site par le LCSQA sur des débitmètres usuellement utilisés en AASQA afin d’identifier les causes possibles d’erreur de mesure de débit lors de leur mise en oeuvre

Détection en temps réel de nanoparticules par spectroscopie de plasma induit par laser

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been employed to detect sodium chloride and metallic particles with sizes ranging from 40 nm up to 1 μm produced by two different particle generators. The LIBS technique combined with a Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) was evaluated as a potential candidate for workplace surveillance in industries producing nanoparticle-based materials. Though research is still currently underway to secure nanoparticle production processes, the risk of accidental release is not to be neglected. Consequently, there is an urgent need for the manufacturers to have at their command a tool enabling leak detection in situ and in real time so as to protect workers from potential exposure. In this context, experiments dedicated to laser-induced plasma particle interaction were performed. To begin with, spectral images of the laser-induced plasma vaporizing particles were recorded to visualize the spatio-temporal evolution of the atomized matter and to infer the best confi guration for plasma light collection, taking into account our experimental set-up specifi city. Then, on this basis, time-resolved spectroscopic measurements were performed to make a fi rst assumption of the LIBS potentialities. The influence on the LIBS signal of parameters such as chemical nature of particles, their concentrations, laser wavelength, laser energy, kind of background gas was investigated and temporal optimization of the LIBS signal recording settings was achieved. Eventually, repeatability and limits of detection were assessed and discussed.Les potentialités du système LIBS ont été évaluées en termes de détection de nanoparticules au voisinage des procédés de production. Pour optimiser l’enregistrement du signal LIBS des expériences d’imagerie ont été réalisées. Puis l’évolution temporelle du signal LIBS a été étudié en fonction de divers paramètres expérimentaux, tels que la nature du gaz ambiant, la longueur d’onde et l’énergie laser afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeux dans le plasma et d’optimiser les paramètres d’enregistrement temporels du signal. Suite à ces optimisations, les premières limites de détection du système LIBS ont été évaluées et comparées aux valeurs limites d’exposition des travailleurs

Application du laser à la caractérisation des nanoparticules dans l‘air

If pollution by gaseous compounds is nowadays evaluated more and more accurately, that relating to particles remains difficult to quantify in a precise manner because their characteristic parameters are much more complex than those of gaseous pollutants. Indeed, monitoring of temporal evolution of the mass concentration in the ambient air or in the workplace proves to be an insufficient tool to predict the environmental or toxic impact. Thus, nanoparticle leak detection in the workplace cannot be addressed using instrumentation based on mass concentration metric. Thus, in the framework of the European Nanosafe 2 project, we have developed new methodologies in order to characterise or detect manufactured nanoparticles. This instrumentation was able to produce on-line size resolved chemical identification of nanoparticles in air, where physical characterisation was obtained using electrical mobility analysis (DMA) and chemical identification was obtained using laser induced plasma spectroscopy (LIBS or LIPS). Performance analyses have shown a detection limit of several μg.m-3 for 40nm nanoparticles associated with really good reproducibility and without humidity dependency. Moreover, the Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technique was also evaluated as a quality process monitoring tool. LIBS was employed for on-line and real time process monitoring during nanoparticle production by laser pyrolysis, where on-line and real time monitoring systems could greatly enhance the process optimisation and accordingly improve its performance. For this purpose, experiments aiming at demonstrating the feasibility of an on-line monitoring system for silicon carbide nanoparticle production using the LIBS technique were carried out. Nanosecond laser pulses were focused into a cell through which part of the nanoparticle flux diverted from the production process was flowed for LIBS analysis purposes. The nanoparticles were vaporised within the laser induced plasma created in argon used as background gas in the process. Temporally resolved emission spectroscopy measurements were performed in order to control nanoparticle stoichiometry. Finally, promising results were obtained and on-line Si/CX stoichiometry was successfully observed.La technique LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) consiste à focaliser de brèves impulsions lasers (femtosecondes, nanosecondes) à la surface de solides, de liquides ou bien encore dans des gaz afin de transformer la matière présente en un plasma de volume sub-millimétrique. Cela permet d’analyser ensuite la composition élémentaire originelle à partir du spectre émis par les atomes de ce plasma. Cette technique est développée à l’INERIS pour la détection des nanoparticules présentes dans l’air ou préservées sur des substrats. Si la fraction gazeuse des polluants est de mieux en mieux évaluée, la fraction particulaire reste difficile à caractériser car les paramètres à mesurer sont complexes. En effet, la concentration massique et son évolution temporelle s’avèrent être des indicateurs très insuffisants. D’autres caractéristiques des particules doivent être prises en compte : - leur composition chimique ainsi que les éventuels composés adsorbés à leur surface dont certains peuvent être toxiques (mutagènes, cancérigènes…) ; - leur distribution de taille afin de quantifier les fractions inhalées ; - leur spatialisation et leur évolution dans la colonne atmosphérique. Pour répondre à ce besoin de caractérisation, de nouvelles méthodologies physico-chimiques ont été mises en place, puis validées lors de campagnes de mesurages spécifiques. Elles ciblent les nanoparticules car leur production et leur utilisation sont en développement exponentiel depuis la découverte des propriétés particulièrement intéressantes des matériaux à l'échelle nanométrique, alors que leurs effets potentiels sur la santé font craindre une toxicité accrue de ces dernières par rapport aux particules de même composition chimique mais de taille supérieure. Dans ce contexte, la technique LIBS, centrée sur l’identification des espèces chimiques, a été développée dans une configuration permettant un couplage avec les dispositifs de mesure du nombre et de la taille des particules. En pratique, les dispositifs expérimentaux ont pu faire appel à l’instrumentation SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). L’INERIS s’est engagé dans ce développement, au plan européen comme partenaire majeur de Nanosafe 2, au plan régional dans le cadre d’une convention entre l’INERIS et la Région Picardie et enfin dans le cadre du programme spécifique NANORIS financé par le ministère de l’écologie, du Développement et de l’Aménagement durables. Des développements ont été réalisés dans des domaines très divers

Détection des polluants métalliques particulaires dans les eaux par spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS : Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)

International audienceA l'échelle européenne comme sur le plan national, les pollutions de l'air et des eaux sont des préoccupations majeures. Dans le but de mieux protéger et d'améliorer la qualité des eaux, la communauté européenne s'est dotée d'une directive cadre sur l'eau (DCE). Celle-ci vise d'ici 2015 à veiller à la non-dégradation et au maintien d'un bon état général des eaux. La directive vise une liste de polluants et parmi ceux-ci, les métaux lourds. Elle ne fait pas encore mention des nanoparticules manufacturées considérées comme polluants émergents. Néanmoins, ces dernières doivent être surveillées. Aujourd'hui l'INERIS engage des actions de recherches axées sur la métrologie de l'environnement dans le but de contribuer à l'amélioration de la mesure des concentrations de polluants dans les eaux, avec comme applications le monitoring environnemental, le contrôle des effluents d'un procédé industriel, etc. Réduire la pollution implique le suivi de ces polluants à l'état particulaire avec des outils adéquats. Les contraintes imposées par des réglementations de plus en plus strictes sur les métaux lourds et l'émergence de nouveaux polluants (nanoparticules) impliquent le développement de nouveaux outils aptes à répondre aux problématiques de mesurage posées et permettant une analyse in-situ, automatique et en temps réel. La technique LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) a été retenue pour la conception de cet outil. Elle permet l'identification chimique élémentaire de l'eau in situ et en temps réel. Elle permet également la détermination de la concentration en masse du polluant aussi bien à l'état dissout qu'à l'état particulair