Das wohnortnahe Problem von Luftbefeuchtern und Raumluftqualität

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Wir alle haben von Luftverschmutzung gehört und davon, wie schädlich sie für unsere Gesundheit sein kann. Die durch Fabriken, Autos und die Energieerzeugung verursachte Verschlechterung der Luftqualität ist gefährlich, wenn sie unsere Städte und Gemeinden betrifft und die Gemeinden in einen Dunst hüllt.

Ein Schadstoff in der Luftverschmutzung ist Feinstaub (PM) – eine Mischung aus festen Partikeln und flüssigen Tröpfchen, die in der Luft vorhanden sind. Feinstaub wird normalerweise entweder in PM10 (Partikel unter 10 Mikrometer) oder PM2,5 (Partikel unter 2,5 Mikrometer) kategorisiert. Diese Partikel sind extrem klein – PM10-Partikel sind mindestens zehnmal kleiner als die Breite einer Haarsträhne. Obwohl diese Partikel klein sind, können sie schwerwiegende Auswirkungen haben, wenn sie in großer Zahl auftreten. PM10-Partikel beeinträchtigen die Sicht und verursachen Reizungen an Augen, Nase und Mund. PM2,5-Partikel sind sogar noch gefährlicher, da sie tief in die Lunge eindringen und sogar in unseren Blutkreislauf gelangen können. Aufgrund dieser Risiken haben Feinstaub in der Außenluft und ihr Zusammenhang mit der Luftverschmutzung große Aufmerksamkeit erhalten. Allerdings besteht für viele Menschen auch in Innenräumen die Gefahr, dass sie Feinstaub ausgesetzt sind. Das Erschreckendste daran ist, dass sie dieses Risiko möglicherweise selbst durch Aktivitäten erzeugen, bei denen leicht verteilte Partikel erzeugt werden, wie z. B. Kamine, die Rauch erzeugen, oder die Verwendung von Wasser zur Erzeugung von Aerosolen.

Trotz der geringen Beachtung ist die Belastung durch Feinstaub in Innenräumen weit verbreitet. Tatsächlich sind fast ein Drittel aller anthropogen verursachten PM2,5-Todesfälle auf die Feinstaubproduktion in Innenräumen zurückzuführen. Allerdings ist es viel schwieriger, die Luftqualität in Innenräumen zu überwachen. Folglich gibt es keine festgelegten Standards für die Luftqualität in Innenräumen und die Öffentlichkeit ist sich der möglichen Belastungswege durch Luftverschmutzung in Innenräumen viel weniger bewusst.

Feinstaub kann auf viele Arten in die Luft unserer Häuser gelangen, aber eine unerwartete Quelle ist vielleicht unser Trinkwasser.

Obwohl es sich um unterschiedliche Materiezustände handelt, sind Luft und Wasser von Natur aus miteinander verbunden. Mineralien, Moleküle und Partikel im Wasser können auf viele Arten mit der Luft hin und her übertragen werden. Wissenschaftler bezeichnen diese bildliche Grenze, die Partikel überschreiten, als Luft-Wasser-Grenzfläche, und sie hat in jüngster Zeit im Bereich der öffentlichen Gesundheit Beachtung gefunden. „Es setzt sich zunehmend die Erkenntnis durch, dass Chemikalien im Wasser nicht nur ein Risiko darstellen, wenn sie aufgenommen werden, sondern dass sie die Grenze überschreiten und Teil der Luft werden können, die wir atmen“, sagte Andrea Dietrich, Professorin des Water INTERface Interdisciplinary Graduate Education Program (IGEP) von der Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen. Jedes Mal, wenn Sie duschen, das Geschirr spülen oder auf andere Weise Wasser in Ihre häusliche Umgebung bringen, können die Mineralien und Partikel im Wasser die Luft-Wasser-Grenzfläche passieren und die Luftqualität beeinträchtigen. Dies ist problematisch, da viele der häufig vorkommenden Mineralien im Wasser – Kalzium, Magnesium, Kalium, Chlorid und Carbonat – bei der Einnahme tatsächlich gesund sind, beim Einatmen in die Lunge jedoch Probleme verursachen können.

Duschen und Abwaschen sind eher indirekte Formen des Stoffaustauschs an der Luft-Wasser-Grenzfläche, aber viele von uns nutzen auch einen gezielten Wasser-Luft-Austauscher: den Ultraschall-Luftbefeuchter. Denken Sie darüber nach: Die gesamte Aufgabe eines Luftbefeuchters besteht darin, das Wasser, mit dem Sie ihn füllen, über die Wasser-Luft-Grenze zu drücken. Die Ultraschallversion des Luftbefeuchters erreicht dies durch die Abgabe eines kühlen Nebels, der die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen erhöht. Dies ist häufig in Bereichen mit natürlich trockener Luft nützlich, die unsere Haut und Atemwege reizen und Kopfschmerzen verursachen kann. Viele Luftbefeuchter-Marken empfehlen, den Behälter des Ultraschall-Luftbefeuchters einfach mit Leitungswasser zu füllen. Forscher der Virginia Tech des Water INTERface IGEP warnen jedoch davor, dass die Verwendung von normalem Leitungswasser als Füllwasser für Luftbefeuchter besorgniserregende Risiken durch Feinstaub für Menschen mit sich bringen kann.

Im ersten Experiment wurde ein vor Ort gekaufter Ultraschallbefeuchter in einem Schlafsaal aufgestellt und entweder mit destilliertem Wasser oder lokalem Leitungswasser aus Blacksburg, Virginia, gefüllt. Der Ultraschall-Luftbefeuchter lief acht Stunden lang, was für den modernen Verbraucher ein ziemlich normales Nutzungsszenario darstellt – den Betrieb eines Luftbefeuchters in einem Schlafzimmer, während er schläft. Während des Experiments wurden mehrere verschiedene Sensoren verwendet, um Partikelkonzentrationen, -größe und Mineralstoffgehalt zu messen.

Diese Ergebnisse sind bemerkenswert, da das Leitungswasser von Blacksburg als qualitativ hochwertiges Trinkwasser gilt. Als jedoch Blacksburg-Leitungswasser zum Füllen des Ultraschallbefeuchters in einem Wohnheimzimmer verwendet wurde, verschlechterte sich die Luftqualität und übertraf die US-Umweltluftqualitätsstandards der EPA für die Feinstaubbelastung im Freien.

Yao leitete eine weitere Studie, bei der verschiedene Arten von Wasser verwendet wurden, um einen Ultraschallbefeuchter zu füllen, der in einem mittelgroßen Konferenzraum aufgestellt war. Zur Befüllung des Luftbefeuchters wurden vier verschiedene Wasserarten verwendet. Als Kontrolle wurde eine extrem saubere, gefilterte und entionisierte Wasserquelle verwendet. Zwei weitere Proben hatten einen hohen Mineralgehalt; Eine Probe wies hohe Werte für die Gesamtmenge an gelösten Feststoffen (TDS) und die Härte auf, während die andere Probe nur hohe TDS-Werte aufwies. Als letzte Probe wurde normales Blacksburg-Leitungswasser verwendet.

Die Forscher wollten speziell Wassertypen mit unterschiedlichen TDS- und Härtegraden testen, da es sich hierbei um Maßstäbe für den Mineralgehalt im Wasser handelt, die bei typischer Wasseraufbereitung unverändert bleiben. TDS misst alle im Wasser gelösten Mineralien, während die Härte Kalzium und Magnesium misst. Wasser mit hohem TDS und hoher Härte enthält viele gelöste Mineralien und gilt als weniger „rein“ als Wasser mit niedrigem TDS oder Härte. Wasser mit hohem Härtegrad wird gemieden, da es zu Mineralablagerungen an Sanitärarmaturen kommt, obwohl Kalzium und Magnesium für eine gute Ernährung notwendig sind. Auch wenn Wasserhärte und TDS-Wert schädlich für die Rohrleitungen sind, kommen sie natürlich vor und sind nicht unbedingt gesundheitsschädlich. Wenn Wasser mit seiner physikalischen Umgebung interagiert, nimmt es Mineralien aus Böden und Gesteinen auf, was seinen TDS-Gehalt erhöht. Typische Wasseraufbereitungstechniken entfernen keine Mineralien aus dem Wasser, da dies oft schwierig und teuer ist, was bedeutet, dass das meiste Trinkwasser erhebliche, aber sichere Mengen an TDS zum Trinken enthält. Bei Verwendung von Wasser mit hohem TDS als Füllwasser für Luftbefeuchter sind sichere TDS-Werte für das Trinkwasser jedoch nicht gleichbedeutend mit einer sicheren Luftqualität.

In Yaos Experiment wurden nach dem Betrieb des Luftbefeuchters an mehreren Stellen im Raum Luftproben entnommen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Art des Wassers, das zum Befüllen des Luftbefeuchters verwendet wird, einen großen Einfluss auf die Partikelkonzentration und -größe hat – die beiden wichtigsten Messgrößen im Zusammenhang mit dem Risiko und der Feinstaubbelastung. Wenig überraschend führte das destillierte Wasser zu den niedrigsten Partikelkonzentrationen in der Luft. Die beiden Wasserproben mit hohem TDS wiesen die höchsten Partikelkonzentrationen auf, die etwa 20-mal höher waren als die Partikelkonzentrationen in der Luft bei Verwendung von destilliertem Wasser. Wenn das Füllwasser eines Ultraschallbefeuchters große Mengen an Mineralpartikeln aufwies, wurden diese Partikel in ähnlichen Mengen an die Luft übertragen. Mehr als 90 % der vom Luftbefeuchter emittierten Wasserpartikel mit hohem TDS waren kleiner als 0,5 Mikrometer, was bedeutet, dass sie unter dem PM2,5-Grenzwert lagen und ein hohes Risiko für das Einatmen darstellten. Schließlich waren die Partikelkonzentrationen unabhängig von der Wasserart an der Stelle am höchsten, die dem Luftbefeuchter am nächsten lag, was bedeutet, dass eine größere Nähe zum Luftbefeuchter das Risiko der Einatmung von Partikeln erhöht.

Allein die Ergebnisse dieser beiden Studien zeigen, dass der Betrieb eines Luftbefeuchters mit Leitungswasser je nach Einwirkzeit und Partikelkonzentration riskant sein kann, da die Bedingungen durchweg die von der EPA festgelegten Umgebungsluftstandards überschreiten. Yao und ihre Kollegen wollten das Risiko für den Menschen noch detaillierter abschätzen, indem sie abschätzten, wie viel der durch die Befeuchtung entstehenden Feinstaubpartikel tatsächlich in verschiedenen Regionen des menschlichen Körpers landen würden.

Um die Inhalationsexposition abzuschätzen, verwendete Yao das Mehrweg-Partikeldosimetriemodell (MPPD). Das MPPD nutzt Partikelkonzentrations- und -größendaten, um abzuschätzen, wie viel Feinstaub sich in verschiedenen Regionen des Atmungssystems ansammelt, etwa in der Nase, im Rachen, in der oberen Lunge und in der tiefen Lunge. Die Forscher der Virginia Tech versorgten das Modell mit Partikelkonzentrations- und -größendaten aus ihren Experimenten und ließen das Modell dann acht Stunden lang laufen, um das Schlafen über Nacht zu simulieren. Das Modell wurde für verschiedene Altersgruppen durchgeführt, vom Säugling bis zum Erwachsenen.

Im Allgemeinen führte Füllwasser mit einem höheren Mineralgehalt, der größere Mengen an Partikeln in die Luft bringt, zu einer stärkeren Einatmung von Partikeln. Beim Einatmen lagerte sich ein großer Teil der Partikel im tiefen Lungenbereich ab, was bei Kleinkindern die Lungenentwicklung beeinträchtigen und bei Menschen jeden Alters zu Atemproblemen führen kann.

Die Modellergebnisse zeigten auch, dass Erwachsene über einen Zeitraum von acht Stunden mehr emittierte Partikel einatmen als jüngere Altersgruppen. Dies ist nicht unerwartet, da Erwachsene größere Lungen haben, die beim Atmen mehr Luft aufnehmen als Kinder. Der Schlüssel zur Berechnung der tatsächlichen PM-Exposition ist jedoch das Körpergewicht. Da Kinder viel weniger wiegen als Erwachsene, erhalten sie tatsächlich mehr als die doppelte Menge PM im Verhältnis zum Körpergewicht im Vergleich zu Erwachsenen.

Die Ergebnisse sind frappierend. Die Luftqualität wird stark beeinträchtigt, wenn Ultraschall-Luftbefeuchter Mineralien abgeben, und das Risiko, Feinstaub einzuatmen, ist erheblich. Aber warum? Und lässt es sich vermeiden?

Das Warum hat mit der Funktionsweise von Ultraschall-Luftbefeuchtern zu tun. Sie verfügen über ein internes Gerät, das vibriert und extrem feine Flüssigkeitströpfchen erzeugt, die als kühler Nebel in die Luft geschleudert werden. Diese feinen Flüssigkeitströpfchen enthalten TDS und fallen in den Bereich der Feinstaubpartikel, die beim Einatmen durch den Menschen ein Risiko darstellen. Trotz des Risikos wurde die Ultraschalltechnologie als Durchbruch in der Luftbefeuchterindustrie angesehen, da sie die einst allgegenwärtigen Dampfluftbefeuchter ergänzte.

Dampfbefeuchter funktionieren wie der Name schon sagt: Sie geben Wasser als Dampf an die Luft ab. Die Dampfluftbefeuchter verloren an Popularität, da der von ihnen abgegebene Dampf heiß ist und eine Gefahr für kleine Kinder darstellen kann, die sich versehentlich am Dampf verbrennen könnten. Allerdings geben Dampfbefeuchter Wasserdampf ab, der nicht wie Ultraschallbefeuchter kleine Mineralpartikel in großer Zahl enthält. Ultraschall-Luftbefeuchter haben vielleicht das Hitzeproblem von Dampf-Luftbefeuchtern gelöst, aber sie haben ein neues Problem geschaffen, indem sie unerwünschte Partikel in die Luft freisetzen.

Diese Untersuchung fordert nicht, dass Luftbefeuchter weggeworfen werden, sondern hat vielmehr einige sicherere Optionen aufgezeigt. Anstelle eines Ultraschalls könnte ein Dampfbefeuchter verwendet werden, um PM-Probleme direkt zu umgehen. Da sie jedoch heiß laufen, ist dies in manchen Situationen möglicherweise nicht möglich. Bei Verwendung eines Ultraschall-Luftbefeuchters kann die Luft von sicherer Qualität bleiben, wenn destilliertes Wasser als Füllwasser verwendet wird. Welche Option auch immer gewählt wird, es ist aufgrund der damit verbundenen Gesundheitsrisiken ratsam, die Verwendung von normalem Leitungswasser zum Befüllen eines Ultraschall-Luftbefeuchters zu vermeiden. Wie Yao sagte: „Der Luftbefeuchter kann eine unerwartete Quelle der Luftverschmutzung sein, aber er sollte ernst genommen werden.“

Durch die Kombination des Wissens, der Fähigkeiten und der Werkzeuge von Wissenschaftlern verschiedener Disziplinen trug die Water INTERface-Gruppe dazu bei, potenzielle Lösungen für ein wichtiges Problem der öffentlichen Gesundheit zu identifizieren und bereitzustellen. Dies ist nur ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie Forschung und insbesondere interdisziplinäre Forschung dazu beitragen kann, unsere Welt zu verbessern. „Die Welt hat alle möglichen Probleme, aber zum Glück haben wir alle Arten von Wissenschaftlern, die, wenn sie ihre Köpfe zusammenstecken, in der Lage sind, diejenigen anzugehen, die für die Verbesserung von Gesundheit und Wohlbefinden wichtig sind“, sagte Dietrich.