We designed and developed an effective nanopowder aerosolization setup and operating protocol. The system generated nanoparticle aerosols with stable number concentrations and size distributions for long durations, requiring only small quantities of test material (min. 200 mg).
Nanoparticle aerosols released from nanopowders in workplaces are associated with human exposure and health risks. We developed a novel system, requiring minimal amounts of test materials (min. 200 mg), for studying powder aerosolization behavior and aerosol properties. The aerosolization procedure follows the concept of the fluidized-bed process, but occurs in the modified volume of a V-shaped aerosol generator. The airborne particle number concentration is adjustable by controlling the air flow rate. The system supplied stable aerosol generation rates and particle size distributions over long periods (0.5-2 hr and possibly longer), which are important, for example, to study aerosol behavior, but also for toxicological studies. Strict adherence to the operating procedures during the aerosolization experiments ensures the generation of reproducible test results. The critical steps in the standard protocol are the preparation of the material and setup, and the aerosolization operations themselves. The system can be used for experiments requiring stable aerosol concentrations and may also be an alternative method for testing dustiness. The controlled aerosolization made possible with this setup occurs using energy inputs (may be characterized by aerosolization air velocity) that are within the ranges commonly found in occupational environments where nanomaterial powders are handled. This setup and its operating protocol are thus helpful for human exposure and risk assessment.
Nanomaterial pulver er mye brukt i ulike industrielle sektorer, som råstoff for produksjon av nye produkter eller som tilsetningsstoffer for sine funksjonelle applikasjoner 1-4. Imidlertid har potensial for arbeidstakernes eksponering for nanopowder aerosoler blitt bemerket under ulike yrkeshåndteringsvirksomhet 5-8, og de tilhørende helserisiko har blitt undersøkt i in-vivo og in-vitro toksikologiske studier 9-12. For å legge til rette for utvikling av effektive strategier for å beskytte arbeidstakere som arbeider med nanomaterialer, bedriftshelsepersonell kreve en bedre forståelse av hvordan nanopartikkel aerosoler fra pulverisert materiale som utsettes for eksterne energi innganger.
Ulike laboratoriesystemer er utviklet for å simulere pulver aeosolisering atferd i realistiske forhold. Blant dem, to standard prosedyrer er de etablerte referansemetoder <sup> 13 for testing pulver Støv, som er definert som tendensen av et pulver, utsettes for en gitt energitilførsel, for å frigjøre luftbårne partikler. Den første fremgangsmåten benytter en roterende trommel som medium for energi-inngang og de aerosolisering av pulverpartikler 14,15. Den andre metoden faller et pulver med en konstant hastighet gjennom en vertikal sylinder og aerosolizes pulverpartiklene ved hjelp av en stigende luftstrøm 16. Men disse fremgangsmåter krever forholdsvis store mengder av testmaterialer (35 cm 3 eller 500 g), og dette kan være et problem med nanomaterial pulvere på grunn av deres høye pris og den potensielle eksponeringsrisiko. En nedskalert testsystem som kombinerer enkelt-slipp og roterende trommel fremgangsmåter ble utviklet, som tillater bruk av mindre mengder av test pulver (6 g prøver) 17. En nylig utviklet aerosolisesystem basert på virvelsikter har også blitt brukt for nanopowders, slik at testene ned til 1 cm 3 av råmaterialer <sup> 18.
Her presenterer vi en ny forstøvning og deagglomerering system for nanopowder testing basert på laboratoriet trakter. Det gir en stabil aerosol generasjon prosessen bruker mindre enn 1 g test pulver. Steady forstøvning kan opprettholdes i tilstrekkelig lang varighet for robuste aerosol karakteristikk. Systemets ytelse har blitt beskrevet i detalj i to tidligere publikasjoner 19,20.
Måleoppstillingen er sammensatt av en aerosolgenerator, blanding og måling avdelinger, og karakterisering instrumenter, slik som vist i figur 1. Partikkeltransportrøret og kontakter koble sammen disse ulike elementene. En strøm tuner og to strømningsmålere kontrollere og overvåke luftstrømningsforholdene i systemet. Et manometer og en temperatur- og fuktighetssensor overvåke miljøet inne i målekammeret. Tørr trykkluft filtreres ved hjelp av et hyperfilter før den kommer inn i systemet. enlangstrakt, V-formet, er glass aerosolgeneratoren brukes for pulveraerosolisering. Denne geometrien muliggjør en robust aerosolise prosess og jevn partikkeltransport inn i det etterfølgende kammer. Strømningsregime ved bunnen av trakten er turbulent på grunn av samspillet med pulverpartiklene, mens det er laminær i den øvre seksjon (Re-tall <15). Tykkelsen av generatorens vegger er spesielt utformet for å motstå de høye trykk (opp til 400 kPa AP) som er nødvendig for deagglomerering testing ved bruk av kritiske åpninger. En høy presisjon flyt tuner styrer strømningshastigheten i trinn på 0,01 l / min. Ledende rør (6 mm ytre diameter, 1 mm tykkelse) anvendes for å unngå partikkel tap på grunn av elektrostatisk avsetning under transport. Røret lengde er omtrent 50 cm mellom aerosolgeneratoren og blandekammeret, 20 cm mellom blandekammeret og målekammeret, og 100 cm for prøverørene. A 1 L metallisk flaske som skal brukes som blande chamber, og en 12 L metallisk trommel benyttes som målekammeret. Partikkelprøver trekkes fra toppen av målekammeret. En utløpsåpning retning og den ekstra strøm inn i et filtreringssystem. Miksing og målekamre er elektrisk jordet for å hindre elektro tap av partikler. Måle instrumenter omfatter en skanne bevegelighet partikkelsorterer (SMPS) og en optisk partikkelteller (OPC) for partikkeltall konsentrasjon og størrelsesfordeling, og et transmisjonselektronmikroskopi (TEM) sampler (MPS) for partikkelmorfologi analyse.
Oppsettet er aeosolisering prosedyre ligner en fluidisert seng prosess. Luftstrømmen går fra bunnåpningen inn i (2 mm diameter) trakt og aerosolizes pulveret. Pulverpartiklene beveger seg på en lignende måte til vann i en fontene. Den aerosol som genereres møter en fortynning strømning i blandekammeret. Fortynningen luftstrømmen kan være betinget for ulike nivåer av fuktighet Hvis effektenav denne parameteren krever analyser. Kammeret luft fungerer også som en buffer volum til jevnt blande aerosol med tørr fortynning luft i henhold til prøvetakings behov. Aerosolen strømning blir deretter ført inn i målekammeret via en vanlig tube utløp (for testing av aerosolisering) eller en kritisk åpning (for deagglomerering testing). Åpningen kan gi ulike trykk-slippbetingelser, å påføre skjærkrefter til partiklene som passerer gjennom den. Denne mekanismen tillater studium av deres deagglomerering potensial (mekanisk stabilitet).
Figur 1. Skisse av forstøvning og deagglomerering system. Som standard forbinder et rør blandekammeret med målekammeret. Åpningen vist er en valgfri add-on (som ikke er beskrevet i denne protokollen). Klikk her to vise en større versjon av dette tallet.
Trakten basert aeosolisering oppsett effektivt kan aktivere pulverpartikler på et valgt energiinngangsnivå (kan kvantifiseres ved luftstrømningshastigheten under forstøvning). Partikkelbevegelser og kollisjoner ved generering området nå en likevektstilstand, å bryte opp pulveransamlinger og mitterende luftbårne partikler av samme størrelsesfordelingen ved en konstant hastighet. En stabil aerosolise kan vare fra 30 minutter til opp til 2 timer, hvilket er tilstrekkelig tid for selv langsomme målemidler med høyt størrelse oppløsninger, for eksempel SMPS, for å produsere statistisk signifikante resultater. Oppsettet krever bare små mengder av prøvemateriale, som kan være en fordel for testing av verdifulle materialer så som nanopartikkelpulver.
Imidlertid kan systemets miljø og prosessparametre betydelig påvirke testresultatene. For å produsere repeterbare data, må standard operasjonsprosedyrer følges nøye gjennom hele opplementer. Når du driver aerosolise tester ved hjelp av dette systemet, bør følgende aspekter vurderes nøye.
For det første, for å oppnå meningsfulle resultater, er det viktig at installasjons innvendige delene tilveiebringe et rent miljø for testene. Potensielle kilder til miljøgifter er ambient partikler og prøvemateriale fra tidligere eksperimenter. Effekten av omgivende partikler vanligvis forsvunnet relativt hurtig, så snart de aerosoliserings og fortynning strømmer ble innført. Imidlertid kan interferens fra restmaterialer vedvare gjennom hele eksperimentet. Som de genererte aerosolpartiklene strømmer gjennom systemet, kan de avsettes på de indre veggene i transportrørene, bøyepunktene og de smale kanaler av kontaktene, og de indre overflater av blandingen og målekamrene. Hvis disse delene ikke er skikkelig rengjort før nye eksperimenter, tidligere avsatt materialer kan stadig re-suspendert i main streamav aerosol strømningen, og dermed forstyrre testresultatene.
Dernest bør pulver fylling prosessen utføres svært nøye. Den mest betydelige problem her er den mengde av pulveret som mates inn i installasjonen, særlig når meget små mengder av materialer som er brukt. Ved en gitt strømningshastighet aerosolisering, mindre mengder av pulver generere lavere aerosolkonsentrasjoner, og eventuelt partikler med mindre størrelser, på grunn av den høyere energitilførsel per vektenhet av pulver. Dessuten har lagringsforhold for prøvemateriale (for eksempel relativ fuktighet og temperatur) er vist å påvirke pulver aeosolisering atferd og nivåer Støv 22. Derfor rå pulver skal alltid holdes i samme atmosfæriske forhold, der det er mulig.
For det tredje, justeringer av aerosolise strømmen ved begynnelsen av forsøket i stor grad påvirke testresultatene. Sterk økning i strømnings blåse store pulverpartikler up i luften og spre dem over hele trakten overflate, noe som dramatisk reduserer mengden av materiale som er tilgjengelig for resten av forsøket. Konsekvensene kan være en mislykket test på grunn av utilstrekkelig pulver.
Fordi oppsettet beskrevet her ikke er bygget ved hjelp av standardisert laboratorieutstyr, når man forsøker å gjenskape de sentrale delene av dette systemet, skal følgende aspekter vurderes. Standard laboratorieskilletrakter som kan anvendes som aerosolgeneratoren (merk at de ikke skal brukes under trykksatte betingelser). Skilletrakter i ulike geometrier ble testet i forsøkene, og de ga de samme funksjonene som skreddersydd trakt. En gummipakning blokk med en innebygd transportrør kan brukes som trakt lokket.
Blande- og måle avdelinger av forskjellige geometrier, men tilsvarende volumer kan benyttes. Merk at avdelinger som er for store vil vesentlig forsinke tidspunktet neerD cEDED å nå stabile aerosol forhold (konsentrasjon). Den nødvendige tid kan estimeres ved å ta hensyn til den totale luftmengden og volumet av kammeret. Selv om prosessen kan akselereres ved anvendelse av en stor fortynning strømning, bør man huske på at den endelige partikkeltall konsentrasjonen kan bli dramatisk redusert på grunn av fortynning, og dette kan påvirke den aerosol størrelsesfordeling, så vel som resultatene av måleinstrumenter (avhengig på deres deteksjonsgrenser). Elektrisk ledende materialer anbefales.
Lengden av transportrøret, kan variere, avhengig av de generelle laboratorie innstillinger. Imidlertid bør lengden være så kort som mulig for å unngå betydelige partikkel tap under deres transport. Partikkel penetrasjon effektivitet kan beregnes ved å ta hensyn partikkeldiameter, luftmengde, tube diameter og lengde, og med tanke på enten gravitasjons deponering ellerdiffusjon tap, eller begge deler.
Forskjellige karakteriseringsmetoder kan anvendes. Imidlertid må lufttilførselen (fortynning strømnings) kan justeres for å passe den totale samplingsstrømningshastighet. Utilstrekkelig lufttilførsel vil resultere i negative trykk i målekammeret, og trekker inn omgivelses partikler som således fører til feil i de konklusjoner. Forskjellige lufttilførselskilder kan brukes, men sikre at de partikkelfrie eller pre-behandle luft med en høy effektivitet filter.
En stor begrensning av denne aerosolise metoden er at den krever god flytbarhet av test pulvere for å opprettholde stabil partikkel generering i løpet av en forholdsvis lang periode. Klebrige materialer, såsom hydrofile pulvere med et høyt fuktighetsinnhold, ofte stoppe flyter på et tidlig stadium av prosessen, og aerosolisering produserer meget lave partikkelkonsentrasjoner. Potensielle måter å løse dette problemet kan inkludere en forbehandling av rå pulver, for eksempel tørking-so som å forbedre dens flyteevne. Oppbevaringsbetingelser for råvarer etter bruk bør være godt vedlikeholdt, for eksempel, holdt i tørre omgivelser og under passende temperatur. I løpet av forsøkene, kan høyere aerosolisestrømningshastighet (0,5-1 l / min) og større mengder av råmateriale (for eksempel 500 mg) anvendes. I tillegg senke fortynning strømningshastigheten kan øke partikkelkonsentrasjonen i målekammeret.
En annen begrensning ved denne metoden er reproduserbarheten av luftbårne partikkelgenereringshastighet (og dermed partikkeltall konsentrasjonen i målekammeret). Viss grad av variasjon eksisterer fortsatt. Mulige måter forbedring er en bedre definert fôringsprosessen for å redusere materielle tap, og godt kontrollerte forstøvning strømningshastighet.
Systemet og protokollen beskrevet her kan brukes for ulike applikasjoner. Bruken av forholdsvis små mengder av testmaterialene gjør metoden potensielt valuable som et alternativt verktøy for testing pulver støv. Rangeringen av nivåer av luftbårne partikler som genereres av systemet vårt for noen vanlige materialer var lik de som ble observert i eksisterende aerosolise systemer 19, for eksempel roterende trommel 15,17, kontinuerlig fall 23, og vortex shaker metoder 24. Videre kan det justerbare energitilførselen (luftstrømningshastighet) også anvendes for å studere stabiliteten av nanopartikkelen pulveragglomerater. Endelig kan stabil aerosolgenerering tjene som en pålitelig kilde for luftbårne konstruerte nanopartikler for in vivo eller in vitro-toksikologiske studier. Den styrbare partikkelkonsentrasjonen ville tillate en analyse av doseavhengig biologiske responser. Sammenlignet med andre aerosoliseringsfremgangsmåter som anvender flytende suspensjoner, unngår den presenterte fremgangsmåten potensielle problemer som materiale suspendability og modifikasjon av fysisk-kjemiske egenskaper av partikler i suspensjon (f.eks, engglomeration, overflateegenskaper).
The authors have nothing to disclose.
The authors are grateful for the financial support given to this study by EU FP7 project “Managing Risks of Nanomaterials“ (MARINA) (grant agreement no: 263215).
titanium dioxide nanopowder | JRC | NM-103/104 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
silicon dioxide nanopowder | AEROSIL | R974 | |
silicon dioxide nanopowder | JRC | NM-200 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
zinc oxide nanopowder | JRC | NM-110/111 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
cerium dioxide nanopowder | JRC | NM-211/212 | Reference materials provided within EU FP7 MARINA project |
The V-shaped aerosol generator | Souffleur de verre S.A. | Specially made based on conditions required in the experiments (e.g., geometry, thickness) | |
scanning mobility particler sizer (SMPS) | GRIMM | Model N° 5.403 | Size range: 11.1–1083.3 nm (impactor: d50=1082 nm); composed of a condensation particle counter (CPC) and a dynamic mobility analyzer (DMA); sampling flow ate: 0.3 L/min; sheath flow rate: 3.0 L/min; with standard multiple charge correction and diffusion loss correction; |
optical particle counter (OPC) | GRIMM | Model N° 5.403 | Size range: 0.25-32 µm |
mini-particle sampler (MPS) | ECOMESURE | ||
transport tubes | Milian S.A. | 8 mm-conductive | 6 mm inner diameter |