Vergleich und Bewertung der Verfahren zur Bestimmung amorpher Kieselsäuren in Stäuben an Arbeitsplätzen in Deutschland und USA

Status:

abgeschlossen 12/2020

Zielsetzung:

Bei amorphen Kieselsäuren handelt es sich um wichtige Rohstoffe, die in unterschiedlichsten Bereichen Anwendung finden. Aufgrund der Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten an unterschiedlichsten Arbeitsplätzen und der teilweise silkoseähnlichen Wirkung wurden für amorphe Kieselsäuren Arbeitsplatzgrenzwerte eingeführt. Zur Überprüfung der Einhaltung der festgelegten Arbeitsplatzgrenzwerte wurden sowohl im Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) als auch am National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) Methoden zur Bestimmung amorpher Kieselsäuren in Stäuben von Arbeitsplätzen entwickelt. Bei dem am IFA entwickelten Bestimmungsverfahren wurden die amorphen Kieselsäuren infrarotspektroskopisch analysiert. Die von NIOSH entwickelte Methode beruht auf einer indirekten röntgendiffraktometrischen Bestimmung als Cristobalit. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich amorphe Kieselsäuren durch Glühen in Cristobalit umwandeln. Das Ziel des Projektes bestand darin, die Bestimmungsmethoden aus Deutschland und den USA anhand ausgewählter Parameter zu vergleichen. Es sollte dabei herausgearbeitet werden, welche Unterschiede bestehen und ob diese beim Vergleich bestehender Messergebnisse zu unterschiedlichen Bewertungen führen.

Aktivitäten/Methoden:

Ziel der Untersuchungen war, zu prüfen, ob sich amorphe Kieselsäuren unterschiedlichen Ursprungs reproduzierbar zu Cristobalit umwandeln und vergleichbare Mengen an Cristobalit bilden. Zudem sollte untersucht werden, was mit den bereits vorhandenen Cristobalitanteilen während der Glühprozesse geschieht und wie sich Flussmittel (z. B. Na-Anteile) sowie unterschiedliche Begleitstoffe, die in Stäuben an Arbeitsplätzen auftreten, auf die Umwandlungsprozesse auswirken. Hierzu wurden Glühversuche bei 1 100 °C, 1 500 °C sowie 1 650 °C für unterschiedliche Glühdauern (2 h, 6 h, 24 h, 48 h und 72 h) durchgeführt. Weiterhin wurden Versuche unter Zugabe von Natriumcarbonat als Flussmittel in unterschiedlichen Mengen durchgeführt. Der Einfluss von unterschiedlichen Begleitkomponenten wurde exemplarisch anhand von drei an Arbeitsplätzen häufig vorkommenden Begleitstoffen (Kaolin, Feldspat, Calciumcarbonat) untersucht. Die bei den Glühversuchen gewonnenen Proben wurden anschließend sowohl infrarotspektroskopisch als auch röntgendiffraktometrisch analysiert.

Ergebnisse:

Eine vollständige Umwandlung amorpher Kieselsäuren zu Cristobalit konnte anhand der von NIOSH vorgegebenen Parameter nicht erreicht werden. Es hatte sich gezeigt, dass unterschiedliche Materialen tendenziell erst bei einer Glühtemperatur von 1 650°C und einer deutlich längeren Glühdauer (mindestens 24 Stunden) den amorphen Zustand verließen und eine zunehmende Umbildung zu Cristobalit aufwiesen.

Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Umwandlung amorpher Kieselsäuren zu Cristobalit von unterschiedlichen und teilweise nicht kontrollierbaren Einflussfaktoren abhängig ist. Bei niedrigeren Temperaturen im Bereich von 1 100 °C muss die Tridymitgenese beachtet werden, die mit der Cristobalitbildung konkurrierend auftritt und eine vollständige Umwandlung amorpher Phasen zu Cristobalit verhindert. Auch sind die unterschiedlichen Begleitstoffe in Luftproben zu beachten, da diese die Kristallisation zu Cristobalit signifikant beeinträchtigen. In Abhängigkeit von Art, Zusammensetzung und Behandlung amorpher Kieselsäuren bilden sich zudem unterschiedliche Anteile an Cristobalit, die bei einer Bestimmung der Exposition gegenüber amorphen Kieselsäuren grundsätzlich zu Minderbefunden führen würden.

Im Rahmen der Untersuchungen zeigte sich weiterhin, dass die thermische Behandlung von Proben amorpher Kieselsäuren zur Bildung von Cristobalitvariationen führt, die sich mit dem typischerweise eingesetzten Cristobalit-Standard nicht sicher quantifizieren lassen. Dies führte dazu, dass für einige Proben, an denen sich eine weitgehend vollständige Umwandlung amorpher Phasen in Cristobalit vollzogen hatte, Cristobalitanteile von bis zu etwa 120 Masse-% bestimmt wurden. Somit besteht Bedarf, die vorhandenen Verfahren zur Bestimmung von Cristobalit weiterzuentwickeln.

Letztlich zeigte sich, dass verschiedene amorphe Kieselsäuren mit unterschiedlicher Beschaffenheit variable Verläufe hinsichtlich der Umwandlung zu Cristobalit zeigen, wodurch eine allgemein anwendbare und reproduzierbare quantitative Ermittlung der amorphen Kieselsäuren anhand der von NIOSH empfohlenen Methode problematisch ist. Mit diesem Verfahren ermittelte Expositionsdaten sind mit den in Deutschland gewonnenen Daten nicht vergleichbar. Es ist generell von Minderbefunden auszugehen.

Stand: