“Nano”-Aktivitäten in SachsenDr. D. Kühnel
Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ)Department für Bioanalytische Ökotoxikologie
In Zusammenarbeit mit:
Dr. Volkmar RichterDr. Tobias Meißner
Fraunhofer IKTS, Dresden
Nanotechnologie - traditioneller Arbeitsschutz für innovative Materialien?BAuA Dresden, 19.04.2012
Foto: Armin Springer (TU Dresden)
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Nachhaltige Innovation/Entwicklung
„Entwicklung zukunftsfähig zu machen, heißt, dass die gegenwärtige Generation ihre Bedürfnisse befriedigt, ohne die Fähigkeit der zukünftigen Generation zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse befriedigen zu können.„
(UN-Bericht „Unsere gemeinsame Zukunft“, „Brundtland-Bericht“, 1987)
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Materialforschung und Toxikologie
… müssen Hand in Hand arbeiten
Technische Forschung mit Risiko-/ Vorsorgestudien begleiten!
Auswahl von Themen des IKTS mit Nano-Bezug (Stand 2009)1. nanoRoad – EU INDUSTRIE2. Transnanopowder - EU3. Nanoceram – EU4. NanoValid - EU5. nanoHM – BMBF Nano geht in die Produktion INDUSTRIE6. NanOnLine (Nanopartikelcharakterisierung) - BMBF Nano geht in die Produktion7. KoLiWIn - LIB2015, (gerichtete CNT für Lithiumionenbatterie) – BMBF8. INOS – BMBF WING (nanoCare) VORSORGE9. DaNa - BMBF WING nanoCare10. Fe-nanoSIT – BMBF nanoNature UMWELT11. NADINE (Nano Diamant für die Desinfektion) – BMBF nanoNature12. Sprühgefriergranulierung – DFG INDUSTRIE13. Tailored Optics - FhG-WISA INDUSTRIE14. NAME - Neue anorganische Membranen (Filtration) - FhG WISA15. MALION (gerichtete CNT für Superkondensatoren) - FhG-Projekt16. CarNAk (CNT für die Aktuatorik) - FhG MAVO17. Nanofilter – Bundeswehr SICHERHEIT18. Dieselrusspartikelfilter – AiF INDUSTRIE19. Nano-ZrO2 - Industrie20. Transparente Keramik - Industrie21. CEFIC/OECD Sponsorship Program VORSORGE
Ertragsentwicklung 2005 – 2010 (in T Euro)
Starker Anstieg der Erträge seit 2005, getragen durch die Funktionskeramik: EnergietechnikSteuerungstechnik
SensorikAktronik
Miniaturisierung von Komponenten und Systemen basierend auf neuen Werkstoffen
Intensive Förderung durch das Land Sachsen
Das Fraunhofer IKTS - Ertragsentwicklung
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Fraunhofer Allianz NanotechnologieVerbund von Fraunhofer-Instituten, die sich mit der „Nano-technologie“ unter technischen Aspekten befassen
Viele ProjekteKooperation mit Partner aus dem Verbund „Life-science“ zu Fragen des ArbeitsschutzesFhG-interne Regeln von Dr. Lambotte (vormals FhG)
http://www.nano.fraunhofer.de/index.html
BMBF-Projekt nanoHM nanoskalige Partikel
Programm: Nano geht in die Produktion (BMBF)
Partner: Hermann C. Starck, GoslarKennametal, EssenCemeCon AG, WürselenFCT, Rauenstein (Thüringen)ASMEC GmbH, DresdenBMW, MünchenFraunhofer IKTS, DresdenFraunhofer IST, Braunschweig
Laufdauer: 2008-2011
Ergebnis: Nanoskaliges Hartmetall mit überragenden EigenschaftenSteigerung der Werkzeugstandzeit
Gesundheitsrisiken werden nicht durch die Nanoskaligkeit des Wolframcarbids, sondern die bekannte Toxizität des Cobalts geprägt!
Härte als Funktion der Korngröße
Projekt „Tailored Optics“ nanoskalige Partikel„Nano-Präzision“
• Ziel: Direktformung von optischen Komponenten durch Pressen
• Voraussetzung: Defektfreies ultrafeines oder nanoskaliges Hartmetall
Hohe OberflächenqualitätExtreme Präzision beim Schleifen (nm)
• Anwendung: Lasertechnik
• Partner: Fh IWU ChemnitzFh IPT AachenFh IOJ JenaFh IWM Freiburg
Nanoporöse Membranen nanoskalige Poren
Fertigung von Filtern mit „exakter“ Porengröße von ca. 20 nm für die Wasserreinigung oder 1 nm für die Gastrennung mit hoher PermeabilitätPartikel können > 100 nm sein
Retina Implantat als Sehhilfe (BMBF-Projekt) CNT
Multisensorarray, Retina-Implantat
Elektrophoretische CNT-Beschichtung
Quelle: Retina-Implantat
Retina-Implantate zur Wiedergewinnung der SehkraftEinsatz von BaytubesBayerMaterialScienceVerdichtung durch AbscheidungBindung an Unterlage Baytubes gelten
als gesundheitlich unbedenklichVerarbeitung in Flüssigkeit in geringen MengenRückgewinnung von Lebens-qualität
ZIM-Projekt (AiF) für die Atemgasanalytik
Entzündungen führen zur Bildung von H2O2
Ziel: H2O2-Nachweis
Weg: Sensorbeschichtung, Aunano und Preußisch-Blau-Partikel
Carbonfaser-Beschichtung
H2O2-NachweismodulFILT GmbH
Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien
Electrode manufacturingslurry mixing,coatingdrying
+ -Li-Ion IKTS
Raw materials
powderelectrode foil….
Stack construction
calenderingslitting/ cutting
stacking
Cell assemblyjoint tabs, terminalselectrolyte filling
sealingEoL conditioningformationagingEoL testing
Lösungsmittel-dämpfe Laserab-
gase
Abgase Lösungsmittel-dämpfe
Aerosole
Fertigungskosten sind wesentliche Hürde für Einführung der Lithium-Technik
Material Spezische Ober-fläche nach BET [m²/g]
Partikelgröße d50,0Aerosolmessung [nm]
Lithium-Eisenphosphat 15,2 140
Graphit 1720 140
Ruß 60,8 165
Materialien in der Lithium-Ionen-Batterieherstellung
Kathode:Al-Folie, Aktivmaterial, Carbon Blackorg. Binder
Anode:Cu-Folie, Graphit, Carbon Blackorg. Binder
Elektrolyt:Org. LösungsmittelLi-haltiges Leitsalz
Hohe spezifische Oberfläche von Graphit Steigerung Performance Anodenseite
Erhöhte Reaktivität auch in biologischer Umgebung
Aerosole bisher im Submikrometerbereich Trend zu nanoskaligen Materialien
Toxikologische Bewertung erfordert die Erfassung physikalischer Eigenschaften der Stoffe
Materialien in der Lithium-Ionen-Batterieherstellung
Material Spezische Oberfläche nach BET [m²/g]
Partikelgröße d50,0Aerosolmessung [nm]
Lithium-Eisenphosphat 15,2 140
Graphit 1720 140
Ruß (Carbon Black) 60,8 165
LiFePO4
1 µm
Aerosolmessung zur Abschätzung des inhalativen Risikopotenzials
Aerosolmessungen
0
50
100
0 100 200 300 400 500 600 700
Q0(
x) %
Partikelgröße x [nm]
Lithium-Eisenphosphat (LFP)
Anzahlsummenfunktion
D50,0 = 140 nm
50% aller gemessen Partikel sind < 140 nm und können in die Alveolen gelangen
Schutzmaßnahmen
Technische Schutzmaßnahmen
Geschlossene Anlage Quellenabsaugung Lüftungsmaßnahmen
•Abzug Arbeiten nach Möglichkeit bei geschlossenen bzw. heruntergefahren Frontschieber, um Heraustragen von Partikeln zu vermeiden•Vermeiden von zu hohen Einströmungsgeschwindigkeiten in den Abzug•Geringer mechanischer Energieeintrag
Persönliche Schutzmaßnahmen (z. B. Atemschutz)
Weitere Sauberkeit am Arbeitsplatz Vermeidung von Hautkontakt (Tragen von Handschuhen) Ermittlung der Staubkonzentrationen am Arbeitsplatz Biologisches Screening für belastete Mitarbeiter
Herausforderungen an Lufttechnik
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EU-Projekt: NanoValid
„Development of reference methods for hazard identification, risk assessment and LCA of engineered nanomaterials“
30 Partner + 1 (US-EPA)19 Länder (4 außerhalb Europas)Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und Fraunhofer IKTS
BAuA und BAM ebenfalls Partner
Laufzeit: Nov. 2011 – Okt. 2015
Entwicklung von Referenzmethoden für technische Nanomaterialien
www.nanovalid.eu
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EU-Projekt: NanoValid
Strategien zur Risikobewertung von Nanomaterialien
Studien zur Aufnahme in Umweltorganismen (Exposition)
Charakterisierung
Fall-Studien (z.B. unbeabsichtigte Freisetzung bei Unfällen)
Entwicklung von Standardprotokollen
Trainings-Aktivitäten, Workshops
www.nanovalid.eu
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Eisenbasierte Nanopartikel und Nano-kompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern (Fe-Nanosit)
Laufzeit Mai 2010 – April 2013
Nanomaterialien zur Grund- und Abwasserreinigung
Materialoptimierung: Katalyse, Stabilität, Reaktivität, Mobilität
eingehende Untersuchungen zur Toxikologie und Aufnahme in
Organismen
Nanosit
55,8 26
RCl + 2e- +H+
R-H + Cl-
Activated Carbon + Fe0
2e-Fe2+
Carbo-Iron®
Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung
Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung
Kontrolle
10 mg/l Carbo-Iron®Keine Partikel-Aufnahme in Gewebe, keine toxischen Effekte in Organismen
0.0010.010.1
0
10
20
30
40
50
1 10 100%
Ste
rblic
hkei
t
Konzentration Carbo-Iron®
Nanomaterialien zur Grundwasserreinigung
• Erster Einsatz an einem verschmutzten Standort April 2012
• Handlungsempfehlungen “Handhabungsempfehlungen und Arbeitsschutzmaßnahmen für den Umgang mit den Partikeln“
• sowohl für Herstellung als auch für zukünftige Anwender(Herstellung der Injektionslösung aus Pulver, Durchführung der Injektion)
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INOS (Abgeschlossenes Projekt: Laufzeit Jan. 2006 – April 2009)
Untersuchung von möglichen toxischen Wirkungen von technischen Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt
In vitro Versuche mit humanen und Fischzellen
Aufnahmeverhalten
Genexpressionsstudien
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Particle Safety Laboratory (PSL)
unterstützt den sicheren Umgang mit Partikeln durchAnalysen und Beratung
1. Physikalisch-chemische Analyse und Charakterisierung
2. Charakterisierung der zellulären Aufnahme und hochauflösende mikroskopische Untersuchungen
3. Untersuchung der Zelltoxizität, Ökotoxikologie und molekularen Wirkungsmechanismen
Literaturstudien
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"NanoCare: Auswirkungen synthetischer Nanomaterialien auf den Menschen"
„Erfassung, Bewertung und breitenwirksame Darstellung von gesellschaftlich relevanten Daten und Erkenntnissen zu Nanomaterialien“
"NanoNature: Nanotechnologien für den Umweltschutz - Nutzen und Auswirkungen"
www.nanopartikel.info