Artykuł metodologiczny

System do tworzenia stabilnych aerozoli nanocząsteczkowych z nanoproszków

12.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54414

⸱

26 lipca 2016

 , 
1Institute for Work and Health (IST), Universities of Lausanne and Geneva, 2IOM Singapore

W tym artykule

Podsumowanie

Zaprojektowaliśmy i opracowaliśmy skuteczną konfigurację aerozolu nanoproszków oraz protokół działania. W ramach systemu wytworzone zostały aerozole nanocząsteczkowe o stabilnych stężeniach liczbowych i rozkładzie wielkości przez długi czas, wymagające jedynie niewielkich ilości badanego materiału (min. 200 mg).

Streszczenie

Aerozole nanocząsteczkowe uwalniane z nanoproszków w miejscach pracy są związane z narażeniem ludzi i zagrożeniami dla zdrowia. Opracowaliśmy nowatorski system, wymagający minimalnych ilości materiałów testowych (min. 200 mg), do badania zachowania aerozolu proszkowego i właściwości aerozolu. Procedura aerozolowania jest zgodna z koncepcją procesu ze złożem fluidalnym, ale zachodzi w zmodyfikowanej objętości generatora aerozolu w kształcie litery V. Stężenie cząstek unoszących się w powietrzu można regulować, kontrolując natężenie przepływu powietrza. System zapewnił stabilne tempo wytwarzania aerozolu i rozkład wielkości cząstek w długich okresach (0,5-2 godzin i być może dłużej), co jest ważne na przykład dla badania zachowania aerozolu, ale także dla badań toksykologicznych. Ścisłe przestrzeganie procedur operacyjnych podczas eksperymentów aerozolowych zapewnia generowanie powtarzalnych wyników testów. Krytycznymi etapami w standardowym protokole są przygotowanie materiału i konfiguracji oraz same operacje aerozolowania. System może być wykorzystywany do eksperymentów wymagających stabilnych stężeń aerozoli, a także może być alternatywną metodą badania zapylenia. Kontrolowana aerozolacja, która jest możliwa dzięki tej konfiguracji, odbywa się przy użyciu energii wejściowej (może być scharakteryzowana przez prędkość powietrza aerozolowego), które mieszczą się w zakresach powszechnie występujących w środowiskach pracy, w których pracuje się z proszkami nanomateriałów. Ta konfiguracja i jej protokół operacyjny są zatem pomocne w przypadku narażenia ludzi i oceny ryzyka.

Wprowadzenie

Proszki nanomateriałowe są szeroko stosowane w różnych sektorach przemysłowych jako surowce do produkcji nowych wyrobów lub jako dodatki do zastosowań funkcjonalnych 1-4. Zauważono jednak potencjał narażenia pracowników na aerozole nanoproszków podczas różnych czynności manipulacyjnych w miejscu pracy 5-8, a związane z tym ryzyka zdrowotne zostały zbadane w toksykologicznych badaniach in-vivo i in-vitro 9-12. Aby ułatwić opracowanie skutecznych strategii ochrony pracowników pracujących z nanomateriałami, specjaliści z zakresu medycyny pracy wymagają lepszego zrozumienia procesów generowania aerozoli nanocząsteczek z materiałów sypkich poddanych zewnętrznym dopływom energii.

Opracowano różne systemy laboratoryjne w celu symulacji zachowania aerozolizacji proszków w warunkach realistycznych. Wśród nich dwie standardowe procedury stanowią uznane metody referencyjne 13 do badania pylności proszku, definiowanej jako tendencja proszku do uwalniania cząstek przenoszonych przez powietrze pod wpływem określonej energii. Pierwsza metoda wykorzystuje obracający się bęben jako medium doprowadzające energię i powodujące aerozolizację cząstek proszku 14,15. Druga metoda polega na dosypywaniu proszku ze stałą prędkością przez pionowy cylinder, gdzie cząstki proszku są aerozolizowane za pomocą wznoszącego się strumienia powietrza 16. Jednak metody te wymagają stosunkowo dużych ilości materiałów testowych (35 cm3 lub 50 g), co może stanowić problem w przypadku proszków nanomateriałowych ze względu na ich wysoki koszt oraz potencjalne ryzyko narażenia. Opracowano zmniejszony system testowy, łączący procesy pojedynczej kropli i obracającego się bębna, który pozwala na wykorzystanie mniejszych ilości proszków testowych (próbki 6 g) 17. Niedawno opracowany system aerozolizacji oparty na wstrząsarkach wiroowych (vortex shakers) był również stosowany do nanoproszków, umożliwiając przeprowadzanie testów na próbkach surowców o objętości nawet 1 cm3 18.

W niniejszej pracy prezentujemy nowatorski system aerozolizacji i deaglomeracji do testowania nanoproszków, oparty na lejkach laboratoryjnych. Umożliwia on stabilny proces generowania aerozolu przy użyciu mniej niż 1 g proszku testowego. Stabilna aerozolizacja może być utrzymana przez czas wystarczający do przeprowadzenia rzetelnej charakterystyki aerozolu. Wydajność systemu została szczegółowo opisana w dwóch poprzednich publikacjach 19,20.

Układ testowy składa się z generatora aerozolu, komór mieszania i pomiaru oraz instrumentów charakteryzujących, jak pokazano na Rysunku 1. Przewody transportowe dla cząstek i złączki łączą te poszczególne elementy. Regulator przepływu oraz dwa przepływomierze kontrolują i monitorują warunki przepływu powietrza w systemie. Manometr oraz czujnik temperatury i wilgotności monitorują środowisko wewnątrz komory pomiarowej. Suche sprężone powietrze jest filtrowane za pomocą hyperfiltra przed wprowadzeniem do systemu. Do aerozolizacji proszku użyto wydłużonego, V-kształtnego szklanego generatora aerozolu. Taka geometria ułatwia stabilny proces aerozolizacji i płynny transport cząstek do kolejnej komory. Reżim przepływu w dolnej części lejka jest turbulentny ze względu na oddziaływanie z cząstkami proszku, natomiast w górnej sekcji jest laminarny (liczba Re < 15). Grubość ścianek generatora została zaprojektowana specjalnie tak, aby wytrzymać wysokie ciśnienia (do 40 kPa ΔP) wymagane podczas testów deaglomeracji z wykorzystaniem krytycznych dysz. Precyzyjny regulator przepływu steruje natężeniem przepływu w przyrostach 0,01 L/min. Przewody przewodzące (średnica zewnętrzna 6 mm, grubość 1 mm) są stosowane w celu uniknięcia strat cząstek wynikających z depozycji elektrostatycznej podczas transportu. Długość rur wynosi około 50 cm między generatorem aerozolu a komorą mieszania, 20 cm między komorą mieszania a komorą pomiarową oraz 100 cm dla rur pobiernych. Jako komorę mieszania wykorzystano metalową butlę o pojemności 1 L, a jako komorę pomiarową metalowy bęben o pojemności 12 L. Próbki cząstek są pobierane z górnej części komory pomiarowej. Port wylotowy kieruje nadmiarowy przepływ do systemu filtracji. Komory mieszania i pomiaru są uziemione elektrycznie, aby zapobiec elektrostatycznym stratom cząstek. Instrumenty pomiarowe obejmują skaningowy analizator mobilności cząstek (SMPS) i optyczny licznik cząstek (OPC) do wyznaczania stężenia liczbowego i rozkładu wielkości cząstek, a także próbnik do transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) (MPS) do analizy morfologii cząstek.

Procedura aerozolizacji w tym układzie przypomina proces złoża fluidalnego. Strumień powietrza wpada przez dolny otwór do lejka (średnica 2 mm) i aerozolizuje proszek. Cząsteczki proszku poruszają się w sposób podobny do wody w fontannie. Wygenerowany aerozol łączy się ze strumieniem rozcieńczającym w komorze mieszania. Strumień powietrza rozcieńczającego może być warunkowany pod kątem różnych poziomów wilgotności, jeśli analiza wymaga zbadania wpływu tego parametru. Powietrze w komorze służy również jako objętość buforowa do płynnego mieszania aerozolu z suchym powietrzem rozcieńczającym, zgodnie z potrzebami próbkowania. Strumień aerozolu jest następnie wprowadzany do komory pomiarowej poprzez zwykłe wylotowe rurki (w przypadku testów aerozolizacji) lub krytyczny otwór (w przypadku testów deaglomeracji). Otwór ten może zapewnić różne warunki spadku ciśnienia, wywierając siły ścinające na przechodzące przez niego cząsteczki. Mechanizm ten umożliwia badanie ich potencjału deaglomeracji (stabilności mechanicznej).

Schemat separatora cyklonowego z przepływem powietrza, układ pomiaru ciśnienia do analizy cząstek.
Rysunek 1. Schemat systemu aerozolizacji i deaglomeracji. Domyślnie komorę mieszania z komorą pomiarową łączy rurka. Przedstawiony otwór zwężający jest opcjonalnym dodatkiem (niewyjaśnionym w niniejszym protokole). Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, należy kliknąć tutaj.

Protokół

1. Przygotowanie systemu

  1. Upewnij się, że do montażu systemu używasz nowych lub dobrze oczyszczonych przewodów i złączy do transportu cząstek. Upewnij się, że ściany komory są oczyszczone i wolne od cząstek stałych (patrz metody czyszczenia na końcu protokołu).
  2. Aby usunąć potencjalne cząstki tła, należy podłączyć przefiltrowany strumień suchego powietrza (5-10 l/min) bezpośrednio do komory mieszania (bez instalowania lejka między pozycjami a i b na rysunku 1) na co najmniej 30 minut.
  3. Zmierzyć stężenie liczby cząstek w komorze pomiarowej za pomocą zasilacza impulsowego (SMPS) zgodnie z protokołem producenta. Jeśli stężenie jest poniżej 10 #/cm3 po trzech skanach, należy uznać środowisko za czyste. Należy pamiętać, że natężenie przepływu może ulec spowolnieniu podczas pomiaru za pomocą zasilacza impulsowego.
  4. Zatrzymać przepływ powietrza i zamknąć wyloty rurki do pobierania próbek oraz wylot rurki wyjściowej plastikowym lub gumowym korkiem (pozycja c na rysunku 1), aby zapobiec przedostawaniu się cząstek otoczenia do systemu.
  5. Przygotuj i rozgrzej przyrządy pomiarowe (SMPS i OPC) oraz próbniki cząstek do analizy mikroskopowej.

2. Przygotowanie materiału

  1. Przechowuj materiały testowe w dobrze kontrolowanym środowisku pod względem temperatury i wilgotności. Jest to bardzo ważne dla zapewnienia powtarzalnych wyników w kolejnych eksperymentach.
  2. Dokładnie zważyć proszek za pomocą wagi analitycznej lub wagi precyzyjnej w dobrze wentylowanym pomieszczeniu (np. okap laboratoryjny).
    Uwaga: Testowano masy 250-500 mg proszków nanocząstek TiO2, SiO2, ZnO i CeO2, które na ogół okazywały się wystarczające na co najmniej 30 minut stabilnej aerozolizacji. Jednak odpowiednia ilość w dużym stopniu zależy od rodzaju proszku i może się znacznie różnić w przypadku materiałów sypkich, cementu lub proszków organicznych.
  3. Zamocuj generator aerozolu pionowo i podawaj proszek z górnego otworu generatora aerozolu za pomocą odpowiednio oczyszczonego lejka laboratoryjnego. Przed eksperymentem opłucz lejek wodą i wysusz przefiltrowanym powietrzem, aby usunąć wszelkie osady kurzu na wewnętrznej ściance. Delikatnie postukaj w lejek, aby upewnić się, że wszystkie cząsteczki proszku są wprowadzane do procesu. Nie potrząsać mocno lejkiem, aby uniknąć znacznych strat materiału w wyniku wczesnej aerozolu.
    1. Upewnij się, że większość cząstek proszku dociera do dna generatora, a nie spada na otaczające pochyłe ściany. Delikatnie postukaj w boczne ścianki generatora, aby przesunąć osadzone cząstki proszku na dno.
    2. Alternatywnie użyj długiego lejka, który bezpośrednio osadza cząsteczki proszku na dnie generatora. Ze względów bezpieczeństwa czynności te należy wykonywać pod okapem wentylacyjnym lub w komorze podciśnieniowej.
  4. Ponieważ nielepki materiał może prześlizgnąć się przez otwór w dolnej części generatora, użyj igły o średnicy 2 mm, aby tymczasowo zablokować otwór przed podaniem proszku.
  5. Wyjmij lejek i zamknij górny i dolny otwór generatora, aby uniknąć emisji cząstek podczas przenoszenia.

3. Aerozolyzacja

  1. Zainstalować generator aerozolu, usunąć bloki z rurki dolotowej i wylotowej do lejka, podłączyć jego dolny do nawiewu przefiltrowanego powietrza, a górny wylot do komory mieszania (odpowiednio pozycje a i b na rysunku 1) i przymocować go pionowo za pomocą metalowego rusztowania.
  2. Usuń bloki na wyjściu z konfiguracji (pozycja c na rysunku 1).
  3. Włączyć przepływ aerozolu. Powoli zwiększaj prędkość od 0 do 0,3-0,5 l/min za pomocą dostrajacza przepływu. Nie należy zbyt szybko przechodzić na wysokie natężenia przepływu – celem jest osiągnięcie takiego natężenia przepływu, które może zapewnić stabilne wytwarzanie aerozolu przez co najmniej 30 minut.
    1. Aby to osiągnąć, nie należy spożywać znacznej ilości proszku w tym okresie stabilnej aerozolizacji. Jako zasadę empiryczną należy stosować wysokość złoża fluidalnego wynoszącą około 1 cm (oznaczoną jako H na rysunku 1) w celu wytworzenia silnego przepływu aerozolu przy jednoczesnym utrzymaniu stabilnego stężenia przez stosunkowo długi czas. Jeśli energia włożona w proces aerozolowania jest zbyt duża, materiał zostanie szybko zużyty, nie utrzymując stałego wytwarzania aerozolu przez resztę eksperymentu. Należy pamiętać, że zakres natężenia przepływu może się różnić dla różnych proszków; Powyższe wartości zostały wykorzystane dla wyżej wymienionych badanych nanoproszków.
  4. Włączyć przepływ rozcieńczania. Powoli zwiększaj prędkość od 0 do 2 l/min. Całkowity wymagany przepływ rozcieńczania jest określany przez sprzęt do pobierania próbek. SMPS, OPC i minipróbnik zastosowane w prezentowanym systemie wymagają całkowitego przepływu 1,6-1,8 l/min.

4. Charakterystyka

  1. Uruchom jednocześnie przyrządy pomiarowe online (w tym przypadku SMPS i OPC), gdy tylko zostaną wprowadzone przepływy aerozolu i rozcieńczeń.
    Uwaga: Jeśli zostanie osiągnięty stabilny stan aerozolu, stężenie liczby cząstek aerozolu i rozkład wielkości powinny się ustabilizować po około 30 minutach. Pomiary rozpoczynające się od tego punktu czasowego należy wykorzystać do porównania właściwości aerozolu w różnych warunkach (np. wilgotności) i przy użyciu różnych proszków. Przeanalizuj wyniki z 10 kolejnych skanów SMPS, aby obliczyć średnie stężenia i rozkłady wielkości.
  2. Gdy aerozol się ustabilizuje, włącz pompę podłączoną do próbnika TEM, aby rozpocząć pobieranie próbek cząstek unoszących się w powietrzu. Stosować natężenie przepływu 0,3 l/min przy użyciu siatki TEM pokrytej dziurawą folią węglową. Cienka folia na siatce może ulec uszkodzeniu, jeśli natężenie przepływu jest zbyt wysokie. Szczegółowe informacje na temat korzystania z próbnika są dostępne 21. Zazwyczaj proces pobierania próbek trwa około 3 minut.
    1. Zróżnicować czas pobierania próbek w zależności od różnych stężeń cząstek i przybliżyć, biorąc pod uwagę umiarkowane pokrycie powierzchni siatki TEM przez osadzanie cząstek (np. 50%). Grube osady mogą modyfikować morfologię cząstek ze względu na aglomerację na miejscu.

5. Operacje po próbkowaniu i oczyszczanie

  1. Po zakończeniu pomiarów należy wyłączyć przepływ rozcieńczania, a następnie przepływ aerozolu.
  2. Odłącz generator aerozolu od systemu, zablokuj jego górny i dolny otwór i przenieś go do przestrzeni czyszczącej. Czyścić w dobrze wentylowanym pomieszczeniu czyszczącym lub w zamkniętej przestrzeni, zwłaszcza jeśli materiały niebezpieczne zostały poddane obróbce.
  3. Pozostałości proszku zdyspergować wodą lub rozpuszczalnikami organicznymi, w zależności od hydrofilowości powierzchni cząstek. Wlej roztwór do pojemników chemicznych w celu bezpiecznego recyklingu. Po długich eksperymentach proszki testowe mają tendencję do mocnego przylegania do szklanej ścianki i nie rozpuszczają się łatwo. W takim przypadku użyj kwasów lub zasad wraz z myjką ultradźwiękową, aby rozpuścić lepkie materiały.
  4. W celu usunięcia wilgoci pozostałej na ścianie i dokładnego wysuszenia wnętrza generatora, przepuszczaj przez niego suche powietrze przez co najmniej 1 godzinę. Upewnij się, że podczas pracy z rozpuszczalnikami organicznymi nie ma płomieni ani źródeł zapłonu i zapewnij dobrą wentylację pomieszczenia.
  5. Odłącz rurki i złącza doprowadzające cząstki. Opłucz je wodą lub rozpuszczalnikami. Przetrzyj wewnętrzne ścianki komór mieszania i pomiarowych wilgotną chusteczką papierową lub szmatką. Susz je na otwartej przestrzeni przez co najmniej jeden dzień lub przy przepływie suchego powietrza przez 1 godzinę przed następnym eksperymentem.
  6. Regularnie czyść impaktor SMPS (jeśli jest używany).

Wyniki

Rysunek 2 przedstawia typowy przykład zmian całkowitej koncentracji liczby cząstek aerozolu oraz ich rozmiaru w czasie, z zastosowaniem powyższych protokołów w eksperymencie aerozolizacji z hydrofobowym SiO2. Koncentracje cząstek zaczęły rosnąć natychmiast po wprowadzeniu przepływu aerozolizacji. Średnia geometryczna wielkość cząstek również stopniowo rosła. Po około 10 skanach SMPS (3,5 min/skan) aerozol zaczął wchodzić w stan stacjonarny, w którym koncentracja cząstek i średnica średnia nie zmieniały się już w znacznym stopniu. Stan ten trwał ponad 30 min, co było wystarczające do przeprowadzenia dziesięciu 3-minutowych skanów SMPS. Rysunek 3 pokazuje zmianę koncentracji cząstek w formie indywidualnych rozkładów wielkości (na podstawie tych samych danych co na Rysunku 2). Pik powoli rósł w czasie, a po ustabilizowaniu się aerozolu pozostawał w tym samym zakresie wielkości przez resztę testu.

Bardzo mała średnia średnica widoczna na początku eksperymentu nie wynikała z niestabilnej aerozolizacji proszku. Była ona raczej spowodowana obecnością resztkowego powietrza otoczenia wewnątrz lejka po procedurze napełniania proszkiem. Ta objętość powietrza jako pierwsza wpłynęła do komory pomiarowej i została pobrana przez SMPS podczas jego początkowych skanowań (Rycina 4). Można by tego uniknąć, przeprowadzając wszystkie eksperymenty w pomieszczeniu czystym, jeśli wymagałby tego stawiane pytanie badawcze. Rzeczywiście, rozkład wielkości cząstek w pierwszym skanowaniu był bardzo zbliżony do rozkładu w powietrzu otoczenia. W miarę napływu cząstek aerozolu proszkowego zakłócenia wywołane cząstkami z otoczenia szybko malały, a efekt ten niemal całkowicie zanikł po kilku skanowaniach SMPS.

Wykres stężenia liczbowego i średnicy geometrycznej średniej w funkcji czasu, wyniki analizy kinetycznej.
Rycina 2. Zmiana całkowitej koncentracji liczby cząstek i średnicy średniej w eksperymencie aerozolizacji (241 mg hydrofobowego SiO2)2; przepływ aerozolizacji 0,3 L/min). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rozkład wielkości cząstek, wykres 3D, dN/dln(dp) względem skanowania, przedstawiający analizę w skali nanometrów.
Rysunek 3. Zmiana rozkładu wielkości cząstek w eksperymencie aerozolizacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres rozkładu wielkości cząstek, stężenie względne względem średnicy cząstek, nm, pomiar powietrza otoczenia.
Rysunek 4. Rozkłady wielkości cząstek aerozolu na początku testu aerozolizacji. Stężenie cząstek przedstawiono w skali względnej (znormalizowanej do liczby całkowitej), aby umożliwić porównanie widma z pierwszego skanu przy bardzo niskim stężeniu z widmami z późniejszych skanów przy wyższych stężeniach. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Zmiany w stężeniu cząsteczek nie zawsze przebiegają według tych samych wzorców. W teście aerozolizacji zazwyczaj można zaobserwować cztery możliwości. Na Rysunku 5A stężenie powoli rosło do obszaru „plateau”, a następnie pozostawało niemal niezmienione przez resztę eksperymentu. Na Rysunku 5B stężenie najpierw wzrosło do punktu maksymalnego, stopniowo spadło do niskiego poziomu, a następnie pozostawało stabilne przez ponad 1,5 hr. Na Rysunku 5C stężenie nadal malało aż do zera. Na Rysunku 5D stężenie wzrosło do poziomu maksymalnego, utrzymywało się na tym poziomie przez określony czas, a następnie ponownie spadło.

Scenariusz (a) jest zazwyczaj obserwowany przy przestrzeganiu standardowej procedury operacyjnej. Przepływ powietrza do aerozolizacji jest wprowadzany powoli i ostatecznie stabilizuje się w odpowiednim zakresie. Ilość surowca jest wystarczająca w stosunku do poziomu aerozolizacji, co pozwala na utrzymanie stałej szybkości generowania aerozolu przez długi czas. Scenariusz (b) wynika najprawdopodobniej z nadmiernego przepływu aerozolizacji w trakcie całego eksperymentu, w połączeniu z niewystarczającą ilością proszku. Proszek jest szybko zużywany i nie jest w stanie podtrzymać stabilnej generacji aerozolu. Scenariusz (c) wykazuje podobny spadek koncentracji liczbowej cząstek jak w scenariuszu (b), z tą różnicą, że po krótkim czasie szybkość przepływu powietrza została ponownie dostosowana do odpowiedniego zakresu i utrzymana na stałym poziomie przez resztę testu. Pozwoliło to koncentracji cząstek stopniowo osiągnąć stabilny zakres. Scenariusz (d) pojawia się w przypadku użycia niewystarczającej ilości surowca. W późniejszej fazie eksperymentu brakuje już wystarczającej ilości proszku testowego, aby generować cząstki aerozolu ze stałą szybkością, co było możliwe we wczesnej fazie aerozolizacji. W konsekwencji koncentracja cząstek w systemie spada.

Wykres zależności stężenia cząsteczek od numeru skanu, ilustrujący analizę danych w badaniach aerozoli.
Rysunek 5. Typowe wzorce zmian całkowitej koncentracji cząstek podczas eksperymentów z aerozolizacją: (A) powoli zwiększać, aż do osiągnięcia plateau; (B) stopniowo zmniejszać do zera; (C) szybko osiągają szczyt, a następnie spadają do poziomu stabilnego; (D) zwiększyć do stanu stacjonarnego i utrzymać przez określony czas, a następnie zmniejszyć. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Przetestowano różne przepływy aerozolizacji w celu zbadania ich wpływu na generowanie aerozolu. Zastosowano przepływy w zakresie 0,3-1,1 L/min, a wynikowe rozkłady wielkości cząstek przedstawiono na Rysunku 6. Szczyt widma rósł wraz ze zwiększaniem przepływu. Przy najwyższym przepływie (1,1 L/min) do systemu zaczęły dostawać się cząstki unoszone w powietrzu o rozmiarach mikronowych (drugi szczyt). Rozmiary modalne cząstek aerozolu pozostawały zbliżone przy tym samym przepływie aerozolizacji, jednak stopniowo malały wraz ze wzrostem przepływu powietrza w zakresie od 0,3 do 0,7 L/min (Rysunek 7). Zwiększająca się szybkość generowania cząstek i zmniejszająca się średnica cząstek wraz ze wzrostem przepływów sugerują, że bardziej dynamiczny proces aerozolizacji (z istotnymi ruchami i kolizjami cząstek) ułatwił deaglomerację cząstek proszku, co doprowadziło do zmodyfikowania rozkładu wielkości generowanych cząstek aerozolu.

Wykres 3D przedstawiający zależność stężenia cząstek od ich wielkości oraz numeru skanowania; analiza danych w badaniu chromatograficznym.
Rycina 6. Zmiana rozkładu wielkości cząstek wraz ze wzrostem natężenia przepływu powietrza (0,3-1.1 l/min). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres rozkładu wielkości cząstek; względne stężenie w funkcji średnicy przy przepływach powietrza 0,3–0,7 L/min.
Rysunek 7. Porównanie rozkładów wielkości cząstek przy różnych przepływach. Widma sprowadzono do zbliżonych wysokości w skali względnej (znormalizowano do całkowitej liczby cząstek), co lepiej obrazuje przesunięcie piku. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Stężenia liczbowe cząstek aerozoli generowanych w testach powtórzonych mogą różnić się nawet kilkukrotnie, lecz zazwyczaj mieszczą się w obrębie jednego rzędu wielkości. Średnia wielkość cząstek jest natomiast wysoce powtarzalna. Rycina 8 przedstawia przykład zmienności rozkładu wielkości cząstek w czterech powtórzonych testach z użyciem tego samego materiału. Odchylenie standardowe wyniosło 39,7% dla całkowitego stężenia cząstek i 6,6% dla średniej geometrycznej wielkości. Zmienność stężenia liczbowego może wynikać z kilku przyczyn: 1) różnego stanu surowca (np. stopnia aglomeracji); 2) czynników ludzkich w procesie napełniania proszkiem (wpływ na ilość proszku osadzonego na dnie lejka, a tym samym na ilość dostępną do aerozolizacji); lub 3) regulacji przepływu powietrza na początku procesu aerozolizacji.

Wykres rozkładu wielkości cząstek; koncentracja liczbowa w funkcji średnicy; analiza danych w skali nm.
Rycina 8. Zmienność wyników testów w powtórzonych eksperymentach aerozolizacji z zastosowaniem hydrofobowego SiO22. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe koncentracji liczby cząstek w poszczególnych kanałach wielkości. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Konfiguracja aerozolu oparta na lejku może skutecznie aktywować cząsteczki proszku na wybranym poziomie energii wejściowej (można określić ilościowo na podstawie prędkości przepływu powietrza podczas aerozolowania). Ruchy cząstek i zderzenia w miejscu wytwarzania osiągają stan równowagi, rozbijając aglomeraty proszkowe i emitując unoszące się w powietrzu cząstki o tym samym rozkładzie wielkości ze stałą prędkością. Stabilny aerozol może trwać od 30 minut do maksymalnie 2 godzin, co jest wystarczającym czasem, aby nawet powolne przyrządy pomiarowe o dużych rozdzielczościach, takie jak SMPS, uzyskały statystycznie istotne wyniki. Konfiguracja wymaga tylko niewielkich ilości materiałów testowych, co może być zaletą przy testowaniu cennych materiałów, takich jak proszki nanocząsteczkowe.

Jednak środowisko systemu i parametry procesu mogą mieć znaczący wpływ na wyniki testów. Aby uzyskać powtarzalne dane, podczas całego eksperymentu należy ściśle przestrzegać standardowych procedur operacyjnych. Przeprowadzając testy aerozolowe przy użyciu tego systemu, należy dokładnie rozważyć następujące aspekty.

Po pierwsze, aby uzyskać miarodajne wyniki, bardzo ważne jest, aby wewnętrzne części konfiguracji zapewniały czyste środowisko do testów. Potencjalnymi źródłami zanieczyszczeń są cząstki otoczenia i materiały testowe z poprzednich eksperymentów. Efekt cząstek otoczenia zwykle znikał stosunkowo szybko, gdy tylko wprowadzono przepływy aerozolowania i rozcieńczania. Jednak zakłócenia powodowane przez materiały resztkowe mogą utrzymywać się przez cały czas trwania eksperymentu. Gdy wytworzone cząstki aerozolu przepływają przez system, mogą osadzać się na wewnętrznych ściankach rur transportowych, punktach gięcia i wąskich kanałach łączników oraz na wewnętrznych powierzchniach komór mieszania i pomiarowych. Jeśli części te nie zostaną odpowiednio oczyszczone przed nowymi eksperymentami, wcześniej osadzone materiały mogą być stale ponownie zawieszone w głównym strumieniu przepływu aerozolu, zakłócając w ten sposób wyniki testu.

Po drugie, proces napełniania proszkiem powinien być prowadzony bardzo ostrożnie. Najważniejszą kwestią jest tutaj ilość proszku podawanego do zestawu, zwłaszcza gdy używane są bardzo małe ilości materiałów. Przy danym natężeniu przepływu aerozolu mniejsze ilości proszku generują niższe stężenia aerozolu i ewentualnie cząstki o mniejszych rozmiarach, ze względu na większy wkład energii na jednostkę masy proszku. Ponadto wykazano, że warunki przechowywania badanych materiałów (np. wilgotność względna i temperatura) wpływają na zachowanie aerozolu proszkowego i poziom zapylenia 22. Dlatego surowe proszki powinny być zawsze przechowywane w tych samych warunkach atmosferycznych, jeśli to możliwe.

Po trzecie, korekty przepływu aerozolu na początku eksperymentu mają duży wpływ na wyniki testu. Gwałtowne wzrosty przepływu wydmuchują duże cząsteczki proszku w powietrze i rozprowadzają je po całej powierzchni lejka, dramatycznie zmniejszając ilość materiału dostępnego do końca eksperymentu. Konsekwencją może być nieudany test z powodu niewystarczającej ilości proszku.

Ponieważ opisana tutaj konfiguracja nie jest zbudowana przy użyciu standardowego sprzętu laboratoryjnego, podczas próby odtworzenia podstawowych części tego systemu należy wziąć pod uwagę następujące aspekty. Jako generator aerozoli można stosować standardowe laboratoryjne lejki separatorowe (należy pamiętać, że nie należy ich używać w warunkach ciśnieniowych). W eksperymentach przetestowano lejki separacyjne o różnych geometriach, które zapewniały podobną funkcjonalność do lejka dostosowanego. Jako pokrywę lejka można zastosować gumowy blok uszczelniający z wbudowaną rurką transportową.

Można stosować komory mieszania i pomiaru o różnych geometriach, ale o podobnych objętościach. Należy pamiętać, że zbyt duże komory znacznie opóźnią czas potrzebny do osiągnięcia stabilnych warunków aerozolu (stężenia). Wymagany czas można oszacować, biorąc pod uwagę całkowite natężenie przepływu powietrza i objętość komory. Chociaż proces ten można przyspieszyć poprzez zastosowanie dużego przepływu rozcieńczania, należy pamiętać, że końcowe stężenie liczby cząstek może zostać radykalnie zmniejszone z powodu rozcieńczenia, co może mieć wpływ na rozkład wielkości aerozolu, a także na działanie przyrządów pomiarowych (w zależności od ich granic wykrywalności). Zalecane są materiały przewodzące prąd elektryczny.

Długość rurki transportowej może się różnić w zależności od ogólnych ustawień laboratoryjnych. Długość powinna być jednak jak najkrótsza, aby uniknąć znacznych strat cząstek podczas ich transportu. Skuteczność penetracji cząstek można obliczyć, biorąc pod uwagę średnicę cząstek, natężenie przepływu powietrza, średnicę i długość rury, a także biorąc pod uwagę osadzanie grawitacyjne lub straty dyfuzyjne, lub jedno i drugie.

Mogą być stosowane różne metody charakterystyki. Jednakże dopływ powietrza (przepływ rozcieńczania) powinien być dostosowany tak, aby odpowiadał całkowitemu natężeniu przepływu pobierania próbek. Niedostateczny dopływ powietrza spowoduje powstanie podciśnienia w komorze pomiarowej, wciągania cząstek z otoczenia, co prowadzi do błędów we wnioskach. Można stosować różne źródła nawiewu powietrza, ale upewnij się, że są one wolne od cząstek stałych lub wstępnie uzdatniaj powietrze za pomocą wysokowydajnego filtra.

Jednym z głównych ograniczeń tej metody aerozolowania jest to, że wymaga ona dobrej płynności badanych proszków w celu utrzymania stabilnego wytwarzania cząstek przez stosunkowo długi czas. Lepkie materiały, takie jak proszki hydrofilowe o dużej zawartości wilgoci, często przestają płynąć na wczesnym etapie procesu aerozolowania i wytwarzają bardzo niskie stężenia cząstek. Potencjalne sposoby rozwiązania tego problemu mogą obejmować wstępną obróbkę surowego proszku – taką jak suszenie – w celu poprawy jego płynności. Warunki przechowywania surowców po użyciu powinny być dobrze utrzymane, np. przechowywane w suchym środowisku i w odpowiedniej temperaturze. Podczas eksperymentów można było zastosować większe natężenie przepływu aerozolu (0,5-1 l/min) oraz większe ilości surowca (np. 500 mg). Dodatkowo zmniejszenie natężenia przepływu rozcieńczania może zwiększyć stężenie cząstek w komorze pomiarowej.

Kolejnym ograniczeniem tej metody jest powtarzalność szybkości generowania cząstek unoszących się w powietrzu (a więc stężenia liczby cząstek w komorze pomiarowej). Nadal istnieje pewien poziom zróżnicowania. Możliwymi sposobami poprawy są lepiej zdefiniowany proces podawania w celu zmniejszenia strat materiału oraz dobrze kontrolowane natężenie przepływu aerozolu.

Opisany tutaj system i protokoły mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań. Wykorzystanie stosunkowo niewielkich ilości materiałów testowych sprawia, że metoda ta jest potencjalnie cenna jako alternatywne narzędzie do badania pylenia proszków. Klasyfikacja poziomów cząstek unoszących się w powietrzu generowanych przez nasz system dla niektórych popularnych materiałów była podobna do tych obserwowanych w istniejących systemach aerozolowych 19, takich jak obracający się bęben 15,17, ciągły spadek 23 i metody wytrząsania wirowego 24. Co więcej, regulowany dopływ energii (natężenie przepływu powietrza) może być również wykorzystany do badania stabilności aglomeratów proszkowych nanocząstek. Wreszcie, stabilne wytwarzanie aerozolu może służyć jako wiarygodne źródło unoszących się w powietrzu nanocząstek do badań toksykologicznych in vivo lub in vitro . Kontrolowane stężenie cząstek pozwoliłoby na analizę reakcji biologicznych zależnych od dawki. W porównaniu z innymi metodami aerozolowania z wykorzystaniem zawiesin ciekłych, przedstawiona metoda pozwala uniknąć potencjalnych problemów, takich jak zawieszalność materiału oraz modyfikacja właściwości fizykochemicznych cząstek w zawiesinie (np. aglomeracja, właściwości powierzchniowe).

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Autorzy są wdzięczni za wsparcie finansowe udzielone temu badaniu przez projekt EU FP7 ''Managing Risks of Nanomaterials'' (MARINA) (umowa o grant nr: 263215).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
nanoproszek dwutlenku tytanuJRCNM-103/104Materiały referencyjne w ramach projektu UE 7PR MARINA
nanoproszek dwutlenku krzemuAEROSILR974
nanoproszek dwutlenku krzemuJRCNM-200Materiały referencyjne dostarczone w ramach projektu UE 7PR MARINA
nanoproszek tlenkuJRCNM-110/111Materiały referencyjne dostarczone w ramach projektu MARINA w ramach 7PR
Nanoproszek dwutlenku ceruJRCNM-211/212Materiały referencyjne dostarczone w ramach projektu MARINA
UE Generator aerozoli w kształcie litery VSouffleur de verre S.A.Specjalnie wykonane w oparciu o warunki wymagane w eksperymentach (np. geometria, grubość)
mobilność skaningowa rozmiarownik cząstek (SMPS)GRIMM Model N° 5.403Zakres rozmiarów: 11.1– 1083.3  nm (impaktor: d50=1,082  nm); składa się z licznika cząstek kondensacji (CPC) i analizatora ruchliwości dynamicznej (DMA); Przepływ pobierania próbek ate: 0,3  l/min; Natężenie przepływu w osłonie: 3,0  l/min; Ze standardową korekcją wielokrotnego ładowania i korekcją strat dyfuzyjnych.
optyczny licznik cząstek (OPC)GRIMMModel N° 5.403Zakres rozmiarów: 0,25-32 µ m
Próbnik minicząstek (MPS)ECOMESURE
Milian S.A.8 mm przewodzący6 mm średnica wewnętrzna
UE 7PR Rurki transportowe

Bibliografia

  1. Devaprakasam, D., Hatton, P. V., Möbus, G., Inkson, B. J. Effect of microstructure of nano- and micro-particle filled polymer composites on their tribo-mechanical performance. J. Phys. Conf. Ser. 126, 012057(2008).
  2. Mukhopadhyay, A., Basu, B. Consolidation-microstructure-property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: a review. Int. Mat. Rev. 52, 257-288 (2007).
  3. Svintsitskiy, D. A., et al. Study of cupric oxide nanopowders as efficient catalysts for low-temperature CO oxidation. J. Mol. Catal. A: Chemical. 368-369, 95-106 (2013).
  4. Schmid, K., Riediker, M. Use of nanoparticles in Swiss Industry: a targeted survey. Environ. Sci. Technol. 42, 2253-2260 (2008).
  5. Bello, D., et al. Particle exposure levels during CVD growth and subsequent handling of vertically-aligned carbon nanotube films. Carbon. 46, 974-977 (2008).
  6. Brouwer, D. Exposure to manufactured nanoparticles in different workplaces. Toxicol. 269, 120-127 (2010).
  7. Demou, E., Peter, P., Hellweg, S. Exposure to Manufactured Nanostructured Particles in an Industrial Pilot. Ann. Occup. Hyg. 52, 695-706 (2008).
  8. Kuhlbusch, T., Asbach, C., Fissan, H., Gohler, D., Stintz, M. Nanoparticle exposure at nanotechnology workplaces: A review. Part. Fib. Toxicol. 8, 22(2011).
  9. Castranova, V. Overview of current toxicological knowledge of engineered nanoparticles. J. Occup. Environ. Med. / American College of Occupational and Environmental Medicine. 53, 14-17 (2011).
  10. Fukui, H., et al. Association of zinc ion release and oxidative stress induced by intratracheal instillation of ZnO nanoparticles to rat lung. Chem.-Biol. Interact. 198, 29-37 (2012).
  11. Lewinski, N., Colvin, V., Drezek, R. Cytotoxicity of Nanoparticles. Small. 4, 26-49 (2008).
  12. Kreyling, W., et al. Translocation of ultrafine insoluble iridium particles from lung epithelium to extrapulmonary organs is size dependent but very low. J. Toxicol. Environ. Health. 65, 1513-1530 (2002).
  13. Verlag, B. European Norm 15051, Workplace exposure-measurement of the dustiness of bulk materials. , (2014).
  14. Breum, N. O. The rotating drum dustiness tester: Variability in dustiness in relation to sample mass, testing time, and surface. Ann. Occup. Hyg. 43, 557-566 (1999).
  15. Tsai, C., et al. Dustiness test of nanopowders using a standard rotating drum with a modified sampling train. J Nanopart Res. 11, 121-131 (2009).
  16. Bach, S., Schmidt, E. Determining the Dustiness of Powders-A Comparison of three Measuring Devices. Ann. Occup. Hyg. 52, 717-725 (2008).
  17. Schneider, T., Jensen, K. Combined Single-Drop and Rotating Drum Dustiness Test of Fine to Nanosize Powders Using a Small Drum. Ann. Occup. Hyg. 52, 23-34 (2008).
  18. Morgeneyer, M., Le Bihan, O., Ustache, A., Aguerre-Chariol, O. Experimental study of the aerosolization of fine alumina particles from bulk by a vortex shaker. Powd. Technol. 246, 583-589 (2013).
  19. Ding, Y., Riediker, M. A system to assess the stability of airborne nanoparticle agglomerates under aerodynamic shear. J. Aerosol Sci. 88, 98-108 (2015).
  20. Ding, Y., et al. Dustiness and Deagglomeration Testing: Interlaboratory Comparison of Systems for Nanoparticle Powders. Aerosol Sci. Technol. 49, 1222-1231 (2015).
  21. R'milli, B., Le Bihan, O. L. C., Dutouquet, C., Aguerre-Charriol, O., Frejafon, E. Particle Sampling by TEM Grid Filtration. Aerosol Sci. Technol. 47, 767-775 (2013).
  22. Levin, M., et al. Influence of relative humidity and physical load during storage on dustiness of inorganic nanomaterials: implications for testing and risk assessment. J. Nanopart. Res. 17, 1-13 (2015).
  23. Dahmann, D., Monz, C. Determination of dustiness of nanostructured materials. Gefahrst. - Reinhalt. L. 71, 481-487 (2011).
  24. Ogura, I., et al. Dustiness testing of engineered nanomaterials. J. Phy. Conf. Ser. 170, 012003(2009).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Generator aerozoluproces z o a fluidycznegoaerozolizacja proszkurozk ad wielko ci cz stekskaningowy analizator mobilno ci cz stekoptyczny licznik cz stektransmisyjna mikroskopia elektronowakontrola st enia aerozoluobchodzenie si z nanoproszkami
System do tworzenia stabilnych aerozoli nanocząsteczkowych z nanoproszków
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.