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Measurement of Airborne Particles
No full textAbstract only:\ud
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This chapter examines instrumental methods for the determination of particle physical properties. The main properties which are considered include particle mass and number concentrations, number and mass size distribution, and to a lesser extent, particle surface area. \ud
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Some of the methods discussed require sample collection on a medium, for further analyses and determination of the property under investigation. An example of this is the collection of particles on a filter, from the sampled airflow, for further gravimetric determination of particle mass or chemical composition. In cases like this only the mechanisms and instrumentation for capturing the particles are discussed, not the further analytical methods for microscopic, gravimetric, chemical or biological analyses. Methods for chemical and biological characterization of particles are discussed in more detail in chapters 3.1 and 2.4. \ud
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Many of the methods available for characterization of particle physical properties yield real-time data and do not require capture of the analyzed particles. Such methods are particularly desirable for indoor investigations as they usually enable shorter measurement times and provide information relating to time variation of the properties investigated. \ud
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However, a shortcoming of some of these methods is that they do not directly measure the property of interest, but recalculate its value based on another measured property. For example, an optical instrument does not measure particle mass, and if the reading of the instrument indicates mg m-3, without previous calibration of the instrument for the specific measured aerosol, the quantity measured must be regarded as a very crude approximation. \ud
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To ensure the proper application of instruments and to avoid misinterpretation of the results it is thus important to understand the principles of operation of the instruments used for particle characterization; their advantages and shortcomings for specific applications; as well as the properties which are measured directly and those which are determined indirectly, . \ud
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This chapter briefly discusses principles of operation of the most common methods for characterization of particle physical properties and provides an overview of measurement \ud
devices and methods and their features, for indoor measurements
Indoor air: Contemporary sources, exposures and global implications
No full textRecent 'Global Burden of Disease' studies have provided quantitative evidence of the significant role air pollution plays as a human health risk factor (Lim et al., The Lancet, 380: 2224–2260, 2012). Tobacco smoke, including second hand smoke, household air pollution from solid fuels and ambient particulate matter are among the top risks, leading to lower life expectancy around the world. \ud
Indoor air constitutes an environment particularly rich in different types of pollutants, originating from indoor sources, as well as penetrating from outdoors, mixing, interacting or growing (when considering microbes) under the protective enclosure of the building envelope. Therefore, it is not a simple task to follow the dynamics of the processes occurring there, or to quantify the outcomes of the processes in terms of pollutant concentrations and other characteristics. This is further complicated by limitations such as building access for the purpose of air quality monitoring, or the instrumentation which can be used indoors, because of their possible interference with the occupants comfort (due to their large size, noise generated or amount of air drawn). \ud
European studies apportioned contributions of indoor versus outdoor sources of indoor air contaminants in 26 European countries and quantified IAQ associated DALYs (Disability-Adjusted Life Years) in those countries (Jantunen et al., Promoting actions for healthy indoor air (IAIAQ), European Commission Directorate General for Health and Consumers, Luxembourg, 2011). At the same time, there has been an increase in research efforts around the world to better understand the sources, composition, dynamics and impacts of indoor air pollution. Particular focus has been directed towards the contemporary sources, novel pollutants and new detection methods. The importance of exposure assessment and personal exposure, the majority of which occurs in various indoor micro¬environments, has also been realized. Overall, this emerging knowledge has been providing input for global assessments of indoor environments, the impact of indoor pollutants and their science based management and control. \ud
It was a major outcome of recent international conferences that interdisciplinarity and especially a better colla¬boration between exposure and indoor sciences would be of high benefit for the health related evaluation of environmental stress factors and pollutants. A very good example is the combination of biomonitoring and indoor air, particle and dust analysis to study the exposure routes of semi volatile organic compounds (SVOCs). We have adopted the idea of combining the forces of exposure and indoor sciences for this Special Issue, identified new and challenging topics and have attracted colleagues who are top researchers in their field to provide their inputs.\ud
The Special Issue includes papers, which collectively present advances in current research topics and in our view, build the bridge between indoor and exposure sciences
Children’s well-being at schools: Impact of climatic conditions and air pollution
Full text linkHuman civilization is currently facing two particular challenges: population growth with a strong trend towards urbanization and climate change. The latter is now no longer seriously questioned. The primary concern is to limit anthropogenic climate change and to adapt our societies to its effects. Schools are a key part of the structure of our societies. If future gen-erations are to take control of the manifold global problems, we have to offer our children the best possible infrastructure for their education: not only in terms of the didactic concepts, but also with regard to the climatic conditions in the school environment. Between the ages of 6 and 19, children spend up to eight hours a day in classrooms. The conditions are, however, often inacceptable and regardless of the geographic situation, all the current studies all report similar problems: classrooms being too small for the high number of school children, poor ventilation concepts, considerable outdoor air pollution and strong sources of indoor air pollution.\ud
There have been discussions about a beneficial and healthy air quality in classrooms for many years now and in recent years extensive studies have been carried out worldwide. The problems have been clearly outlined on a scientific level and there are prudent and feasible concepts to improve the situation. The growing number of publications also highlights the importance of this subject. High carbon dioxide concentrations in classrooms, which indicate poor ventilation conditions, and the increasing particle matter in urban outdoor air have, in particular, been identified as primary causes of poor indoor air quality in schools. Despite this, the conditions in most schools continue to be in need of improvement. There are many reasons for this. In some cases, the local administrative bodies do not have the budgets re-quired to address such concerns, in other cases regulations and laws stand in contradiction to the demands for better indoor air quality, and sometimes the problems are simply ignored.\ud
This review summarizes the current results and knowledge gained from the scientific litera-ture on air quality in classrooms. Possible scenarios for the future are discussed and guideline values proposed which can serve to help authorities, government organizations and commissions improve the situation on a global level
Sensory evaluation of emissions from consumer and building products using GC-olfactometry, perceived intensity and hedonic tone
Full text linkGerüche haben seit jeher eine enge Verbindung zu Attraktivitätsempfinden, Emotionen und Erinnerungen. Darüber hinaus können sie das Wohlbefinden in Innenräumen beeinflussen. Vor allem unangenehme oder produktuntypische Gerüche führen häufig zu Belästigungen und Besorgnis über mögliche negative gesundheitliche Auswirkungen. Um Geruchsursachen aufzuklären und unerwünschte Produktgerüche zu minimieren, wird die Analyse und Bewertung von Gerüchen zunehmend bedeutender.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden diverse kommerziell erhältliche beduftete und unbeduftete Konsumgüter und Bauprodukte auf Emissionen flüchtiger organischer Komponenten untersucht und sensorisch bewertet. Die Unterscheidung von geruchsaktiven und -inaktiven Substanzen erfolgte neben der TD-GC-MS mittels TD-GC-O. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen konnten Empfehlungen für die Anwendung und Eignung der GC-O in diesem Bereich gegeben werden.
Mittels der Kombination aus GC-MS und GC-O wurden über 300 Geruchssubstanzen (durchschnittlich 34 Substanzen pro Produkt) bei 44 untersuchten Duftprodukten identifiziert, was die große Vielfalt verwendeter Duftstoffe verdeutlicht. Die sensorische Analyse eignete sich als Ergänzung der GC-MS Methode, um Geruchsverbindungen im Spurenbereich und ausgewählte Zielsubstanzen zu detektieren. Dies war zum Beispiel bei der Suche nach Allergenen von Bedeutung. Beide Verfahren wurden zudem verwendet, um die geruchsverursachenden Substanzen von Produkten mit einem Störgeruch zu charakterisieren.
Einen wesentlichen Teil der Arbeit bildete die Kombination der GC-O und GC-MS mit der sensorischen Bauproduktbewertung nach DIN ISO 16000-28. Neben der Identifikation der Einzelverbindungen waren die hedonische Wirkung und die empfundene Intensität sowie der Aufbau eines Aceton-Vergleichsmaßstabes zum Probandentraining relevant. In diesem Zusammenhang wurden die Strömungsverhältnisse des Aceton/Luft-Gemisches im Bewertungstrichter simuliert, da Strömungsgeschwindigkeit und Trichtergeometrie wichtige Aspekte bei der Geruchsbewertung darstellen. Der Einfluss dieser Parameter wirkte sich sowohl auf die Beurteilung am Vergleichsmaßstab als auch auf die Ergebnisse der empfundenen Intensität und der hedonischen Wirkung der einzelnen Produkte aus.
Die verwendeten sensorischen Verfahren (GC-O, empfundene Intensität und Hedonik) erwiesen sich in Kombination mit der TD-GC-MS Analytik als wertvolle Verfahren zur Geruchsaufklärung und -bewertung für Produktoptimierungsprozesse.Odours have always been strongly linked to attractiveness, emotions and memories. Furthermore, they can influence the well-being in indoor environments. In particular, unpleasant or untypical product odours can often become an annoyance or lead to anxiety about negative health effects. The analysis and evaluation of odours is increasingly important for identifying odour sources and minimizing unwanted product odours.
In this thesis, different commercially available scented and unscented consumer goods and building products were tested for their emissions of volatile organic compounds and odorous substances. The differentiation between odour-active and -inactive substances was done using TD-GC-MS analysis and by means of TD-GC-O. Based on the results of the investigations, recommendations for the utilization and applicability of the GC-O method in this field were given.
With the combination of GC-MS and GC-O, it was possible to identify over 300 odour substances (34 odorants on average per product) in 44 investigated scented products. That shows the large diversity of substances used for scenting. The sensory method was found to be a suitable supplement to GC-MS analysis for detecting traces and selected odorous target compounds. This was, for example, relevant for the detection of allergens. Both methods were also used to characterize the odour-causing substances of products with an off-odour.
A major part of this work was the combination of GC-O and GC-MS with the sensory assessment of building products according to DIN ISO 16000-28. In addition to the identification of single substances the evaluations of the hedonic tone, perceived intensity and the construction of the acetone comparative device for the panel training were of significance. In this regard, the air-flow of the acetone/air mixtures through the diffusors was simulated, because the flow velocity and the diffusor geometry are important factors for the odour evaluation. The influence of these parameters had an impact on the assessment using the comparative scale as well as on the results of the perceived intensity and hedonic tone of the individual products.
The applied sensory methods (GC-O, perceived intensity and hedonic tone), in combination with TD-GC-MS, proved to be valuable methods for the identification of odorants and the odour evaluation in product optimization processes
Investigation, further development and adaption of process analytical tools for the detection of contamination in the case of the recycling of waste wood
Full text linkUm der steigenden Nachfrage nach Holz zu begegnen, bedarf es der Erschließung neuer Rohstoffquellen. Eine Maßnahme stellt die Verwertung stofflich unzureichend genutzter Ressourcen, z. B. in Form des Sekundärrohstoffs Altholz dar. Um beim Recycling eine Verschleppung von Schadstoffen zu vermeiden, müssen Verunreinigungen frühzeitig erkannt und abgetrennt werden. Zur Detektion von Kontaminationen wurden zwei Techniken der instrumentellen chemischen Analytik untersucht: die Ionenmobilitätsspektrometrie im „asymmetrischen Hochfeld“ (FAIMS) und die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS). Beide Methoden wurden auf ihre Tauglichkeit im Prozess der Altholzaufbereitung untersucht, weiterentwickelt und adaptiert. Dadurch konnte die Analysenzeit im Vergleich zu konventionellen Verfahren deutlich reduziert werden, so dass erstmals eine umfassende Materialüberwachung möglich war. Es konnte z.B. in Echtzeit mit Holzschutzmitteln behandeltes Holz von unbehandeltem unterschieden werden, trotz variierender Holzart und Feuchtigkeit. Diese grundlegende Differenzierung ist die essentielle Voraussetzung für eine Klassifizierung von Stoffströmen. So wurde sie zur Steuerung einer Sortieranlage kleinindustriellen Maßstabs verwendet, mit der es gelang, den Schadstoffgehalt von Altholz signifikant zu reduzieren. Außerdem wurde anhand quantitativer Messungen gezeigt, dass es prinzipiell möglich ist, gesetzliche Grenzwerte im Prozess kontinuierlich zu kontrollieren. Die Schnellerkennungsverfahren konnten zudem zur Unterscheidung von Materialien appliziert werden. Auf diese Weise ließen sich Störstoffe in Altholz zuverlässig detektieren und mit Hilfe dieser Information anschließend pneumatisch abtrennen. Das Ziel war es, das enthaltene nicht kontaminierte Holz zu gewinnen, welches dann z.B. zur Herstellung neuer Holzwerkstoffe stofflich genutzt werden kann. Diese Vorgehensweise ist der energetischen Nutzung nicht nur aus ökologischer, sondern auch aus ökonomischer Sicht vorzuziehen. Selbst für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (WPC) konnte eine Differenzierung und Sortierung, entsprechend des enthaltenen Kunststofftyps, demonstriert werden. Dies ist Voraussetzung für die hochwertige stoffliche Verwertung und konnte hier erstmals umgesetzt werden. Insgesamt wurden mit dieser Arbeit wichtige Voraussetzungen geschaffen, um den Anteil stofflich genutzten Altholzes zu erhöhen. Damit kann im nächsten Schritt die großindustrielle Umsetzung mit dem gesamten Störstoffspektrum untersucht werden.To encounter the increased demand for wood, new sources of raw material are required. Due to limited natural resources, commodities of secondary origin should be exploited, such as recovered wood. Up to now, waste wood has been insufficiently used. To avoid an unwanted cross contamination or carry-over into the recycling of timber products, these substances have to be detected and ejected previously. Two detection methods for chemical analysis were applied: field asymmetric ion mobility spectrometry (FAIMS) and near-infrared spectroscopy (NIRS). Both techniques were investigated regarding to their practical suitability, improved and finally adapted to the waste wood cleaning process. Thus, the time for analysis could be significantly reduced in comparison to conventional procedures. Consequently, comprehensive and continuous checking of the material was made feasible for the first time. For example, wood chips treated with preservatives could be distinguished from untreated wood chips in real-time, despite varying wood species and moisture. This basic distinction is the essential requirement for classification of material streams in processes. Therefore, it was used to control an automated sorting machine of semi-industrial scale, with which the pollutant level of waste wood fractions could be clearly decreased. Additionally, quantitative measurements showed that the monitoring at legal thresholds is possible. Moreover, the fast detecting methods were successfully applied in distinguishing wood from different materials such as color coatings or plastics. Therefore, foreign particles were identified and separated by means of pneumatic nozzles. The aim was to gain the uncontaminated fractions to produce new timber products. This strategy is not only worth striving for because of ecological, but also because of economic reasons and should partially substitute popular incineration. Even for wood-plastic composites (WPC) a distinction and a sorting according to the type of plastic could be established. This is an important requirement for a high-quality substantial utilization of WPC and could be implemented on a technical scale the first time. All in all, important methodical prerequisites were accomplished in this work to increase the amount of substantially used waste wood. The next step should involve the application of the fast analytical methods in a real waste wood sorting process in the industry with the whole range of potential contamination
Preparation of hydrophobic and antimicrobial polymers based on furfurylated polyurethanes and functionalized maleimides
Full text linkIn dieser Arbeit wird die Synthese von funktionalisierbaren Polyurethanen über ein [4+2]-Cycloadditionsystem von Maleimiden und Furanen beschrieben. Die Arbeit gliedert sich in drei wesentliche Punkte auf: Die Synthese von furfurylierten linearen Polyurethanen, die Synthese funktionalisierter Maleimide und die Kombination der zuvor genannten Bausteine zur Synthese eines funktionalisierten Polyurethans. Die Polyurethane wurden aus Kombinationen von 1,6-Hexandiisocyanat, 4,4'-Methylendiphenyldiisocyanat und Isophorondiisocyanat, Polyethylenglykol 400 (PEG 400) und furanhaltigen Diolverbindungen synthestisiert. Die furanhaltigen Diole wurden über eine Michael-Addition erhalten. Anschließende Untersuchungen gaben erste Einblicke in die resultierenden Materialeigenschaften der Polyurethane. Spezifisch funktionelle Maleimide sind durch eine zweistufige Synthesemethode zugänglich. Im ersten Schritt wird Maleinsäureanhydrid mit primären Aminen umgesetzt, um die entsprechenden Maleinsäureamide zu erhalten. Die Bildung des 5-gliedrigen Maleimidrings erfolgte durch eine säurekatalysierte intramolekulare Kondensation. Um entsprechende hydrophobe Funktionalitäten zu erhalten wird eine Mischung von Fettaminen eingesetzt. Für antimikrobielle Bausteine wurde Sulfanilamid als Amin eingesetzt. Darüber hinaus wurde für eine größere Variabilität der Bausteine die Umsetzung weiterer Amine untersucht. Für eine anschließende [4+2]-Cycloaddition wurden die furanfunktionalisierten Polyurethane und N Alkylmaleinimide, als auch Sulfanilamidmaleimid miteinander umgesetzt. Die kovalente Bindung der hydrophoben Maleimide an die furanhaltigen Polyurethane wurde mittels 1H-NMR-Spektroskopie nachgewiesen. Kontaktwinkel- und Oberflächenenergiemessungen zeigten die hydrophoben Eigenschaften des funktionalisierten Polymers. Die Verwendung von sulfonamidbasierten Maleimid ermöglichte die Einführung antimikrobieller Eigenschaften. Die kovalente Anbindung wurde durch 1H-NMR-Messungen bestätigt und mittels Schimmeltests erfolgte der Nachweis einer fungiziden Wirkung. Die beschriebene Technik ist für die Entwicklung neuer funktionalisierter Polymere interessant und ermöglicht die Anpassung von Oberflächeneigenschaften in einem weiten Bereich. Diese Polymere können in Oberflächenbeschichtungen, 3D-Druckmaterialien, Matrixmaterialien und Klebstoffen Anwendung finden.This work describes the synthesis of functionalizable polyurethanes via a [4+2]-cycloaddition system of maleimides and furans. The work is divided into three main points: The synthesis of furfurylated linear polyurethanes, the synthesis of functionalized maleimides and the combination of the above mentioned building blocks to synthesize a functionalized polyurethane. The polyurethanes were synthesized from combinations of 1,6-hexane diisocyanate, 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate and isophorone diisocyanate, polyethylene glycol 400 (PEG 400) and furan-containing diol compounds. The furan-containing diols were obtained via a Michael addition. Subsequent investigations gave first insights into the resulting material properties of the polyurethanes. Specific functional maleimides are accessible by a two-step synthesis method. In the first step maleic anhydride is reacted with primary amines to obtain the corresponding maleimides. The formation of the 5-membered maleimide ring was achieved by an acid-catalyzed intramolecular condensation. A mixture of fatty amines is used to obtain corresponding hydrophobic functionalities. For antimicrobial building blocks sulfanilamide was used as amine. In addition, the conversion of further amines was investigated to achieve greater variability of the building blocks. For a subsequent [4+2]cycloaddition, the furan-functionalised polyurethanes and N alkylmaleinimides, as well as sulfanilamide maleimide were reacted with each other. The covalent bonding of the hydrophobic maleimides to the furan-containing polyurethanes was detected by 1H-NMR spectroscopy. Contact angle and surface energy measurements showed the hydrophobic properties of the functionalised polymer. The use of sulfonamide-based maleimide allowed the introduction of antimicrobial properties. The covalent binding was confirmed by 1H-NMR measurements and a fungicidal effect was demonstrated by mould tests. The described technique is interesting for the development of new functionalised polymers and allows the adaptation of surface properties in a wide range. These polymers can be used in surface coatings, 3D printing materials, matrix materials and adhesives
Characterization of emissions from vehicle interior components using chemometric methods
Full text linkDie Qualität der Innenraumluft ist seit vielen Jahren ein wichtiges Thema für die Gesundheit und das Wohlbefinden des Menschen. Neben den Innenräumen in Häusern spielt auch der Fahrzeuginnenraum eine Rolle, da sich ein Großteil der Menschen fast täglich in einem Auto aufhält. Der Fahrzeuginnenraum umfasst auf kleinem Raum viele verschiedene Bauteile aus unterschiedlichsten Materialien. Durch äußere Einflüsse wie eine hohe Temperatur, können eine Vielzahl an flüchtigen Verbindungen aus den Bauteilen in den Innenraum emittieren. Ziel dieser Arbeit ist es, für die untersuchten Fahrzeuginnenraumbauteile ein spezifisches Emissionsspektrum zu erhalten und den Einfluss auf die Emissionen im Fahrzeuginnenraum zu erklären. Zur Bestimmung der Emissionen werden sowohl Prüfkammer- als auch Fahrzeugmessungen durchgeführt. Eine Bewertung der Messergebnisse erfolgt mit Hilfe der chemometrischen Methoden hierarchische Clusteranalyse und Hauptkomponentenanalyse. Somit können Zusammenhänge gezeigt und Hauptkomponenten identifiziert werden, die den größten Einfluss auf die Gesamtemissionen haben. Emissionsmessungen der einzelnen Bauteile in Prüfkammern liefern die jeweiligen bauteilspezifischen Ergebnisse. Zusätzlich werden Baugruppenmessungen durchgeführt, bei denen mehrere Bauteile zusammen in einer Prüfkammer gemessen werden. Diese Durchführung schließt die Lücke zur Gesamtfahrzeugmessung. Mit Hilfe der hierarchischen Clusteranalyse und der Hauptkomponentenanalyse, können dann Zusammenhänge zwischen den einzelnen Bauteilen und dem Fahrzeug hergestellt werden. Die dargestellten Dendogramme sowie die Score- und Loading-Plots zeigen sowohl die Ähnlichkeiten zwischen den Bauteilen und dem Fahrzeug als auch die verantwortlichen Variablen der Korrelation.The quality of indoor air has been an important issue for human health and well-being for many years. Since the majority of poeple spend a lot of time in a car every day, the vehicle´s interior is almost as important as the house´s interior. The vehicle´s interior contains in a small space many different components made of a wide variety of materials. Due to external influences such as high temperature a large number of volatile compounds can be emitted from the components into the interior. The aim of this work is to obtain a specific emission spectrum for the investigated vehicle interior components and to explain the influence on the emissions in the vehicle interior. To determine the emissions both, test chamber and vehicle measurements are carried out. In order to assess the measurement results the chemometric methods hierarchical cluster analysis and principal component analysis are applied. Thus, correlations can be shown and main components that have the greatest influence on the overall emissions can be identified. Emission measurements of the individual components in test chambers provide the respective component-specific results. In addition, measurements of moduls are carried out by measuring several components together in one test chamber. This implementation closes the gap with the overall vehicle measurement. With the help of the hierarchical cluster analysis and the main component analysis, connections between the individual components and the vehicle can be established. The shown dendograms as well as the score and loading plots provide both the similarities between the components and the vehicle as well as the responsible variables of the correlation
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