نظام لإنشاء الهباء الجسيمات النانوية مستقرة من مساحيق النانو
Summary
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).
Abstract
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.
Introduction
تستخدم مساحيق المواد متناهية الصغر على نطاق واسع في مختلف القطاعات الصناعية، والمواد الخام اللازمة لتصنيع منتجات جديدة أو كإضافات للتطبيقات الوظيفية 1-4. ومع ذلك، فقد لاحظ إمكانية تعرض العمال للهباء nanopowder خلال مختلف الأنشطة معالجة المهنية 5-8، وقد تم التحقيق من المخاطر الصحية المرتبطة في داخل الجسم الحي والدراسات في المختبر السمية 9-12. من أجل تسهيل وضع استراتيجيات فعالة لحماية العمال التعامل مع المواد النانوية والمهنيين الصحيين المهنية تتطلب فهما أفضل لكيفية يتم إنشاؤها الهباء الجوي جسيمات متناهية الصغر من المواد المسحوقة تعرض لمدخلات الطاقة الخارجية.
وقد تم تطوير نظم المختبرات المختلفة لمحاكاة سلوك هباء مسحوق في ظروف واقعية. من بينها، واثنين من الإجراءات القياسية هي الطرق المرجعية أنشأت <suص> 13 لحركة الغبار اختبار مسحوق، الذي يعرف بأنه نزعة مسحوق، وتخضع لمدخلات الطاقة معين، للافراج عن الجسيمات المحمولة جوا. يستخدم الأسلوب الأول أسطوانة دوارة باعتبارها وسيلة لإدخال الطاقة وهباء من جزيئات مسحوق 14،15. الطريقة الثانية قطرات مسحوق بمعدل ثابت من خلال اسطوانة الرأسي وaerosolizes جزيئات مسحوق عن طريق تدفق الهواء تصاعدي 16. ومع ذلك، وهذه الأساليب تتطلب كميات كبيرة نسبيا من مواد الاختبار (35 سم 3 أو 500 غرام)، وهذا يمكن أن يكون مشكلة مع مساحيق المواد متناهية الصغر نظرا لتكلفتها العالية والمخاطر التعرض المحتملة. وقد تم تطوير نظام اختبار تحجيم الجمع بين واحد الإفلات وتناوب عمليات طبل، والسماح للاستخدام كميات صغيرة من مسحوق اختبار (6 ز عينات) 17. كما تم استخدام نظام هباء وضعت مؤخرا على أساس الهزازات دوامة لمساحيق النانو، مما يسمح للاختبارات وصولا الى 1 سم 3 من المواد الخام <suص> 18.
هنا، نقدم هباء الرواية ونظام deagglomeration للاختبار nanopowder بناء على مداخل المختبر. وهو يوفر عملية توليد الهباء الجوي مستقرة تستخدم أقل من 1 غرام من مسحوق اختبار. يمكن الحفاظ هباء ثابت لفترات طويلة بما فيه الكفاية لالأوصاف الهباء الجوي قوية. وقد وصفت أداء النظام بالتفصيل في اثنين من المنشورات السابقة 19،20.
يتكون الإعداد اختبار مولد الهباء الجوي، والخلط وقياس المقصورات، والأدوات توصيف، كما هو مبين في الشكل 1. أنابيب نقل الجسيمات وصلات ربط هذه العناصر المختلفة. موالف تدفق واثنين مقاييس التدفق مراقبة ورصد ظروف تدفق الهواء في النظام. ومقياس ضغط الدم وجهاز استشعار درجة الحرارة والرطوبة مراقبة البيئة داخل غرفة القياس. يتم تصفية الهواء المضغوط الجاف باستخدام hyperfilter قبل أن يدخل النظام. لممدود، على شكل حرف V، يتم استخدام مولد الزجاج الهباء الجوي للهباء مسحوق. هذه الهندسة تسهل عملية هباء قوية والنقل الجسيمات السلس في حجرة اللاحقة. نظام تدفق في الجزء السفلي من القمع هو مضطرب بسبب التفاعل مع جزيئات مسحوق، في حين أنه هو الصفحي في القسم العلوي (إعادة عدد <15). تم تصميم سماكة الجدران مولد خصيصا لمقاومة الضغوط العالية (تصل إلى 400 كيلو باسكال ΔP) اللازمة لاختبار deagglomeration باستخدام فتحات حرجة. يتحكم موالف تدفق عالية الدقة معدل التدفق في 0.01 L الزيادات / دقيقة. يستخدم أنابيب موصل (القطر الخارجي 6 مم، 1 مم سماكة) لتجنب الخسائر الجسيمات نتيجة لترسب الكهربائي أثناء النقل. ويبلغ طول أنبوب حوالي 50 سم بين المولد الهباء الجوي وغرفة الخلط، 20 سم بين غرفة الخلط وغرفة القياس، و 100 سم للأنابيب أخذ العينات. ويستخدم زجاجة معدنية 1 لتر باسم شام الاختلاطنوفمبر، ويستخدم معدني طبل 12 L بوصفها الدائرة القياس. يتم رسمها عينات الجسيمات من الجزء العلوي من غرفة القياس. منفذ الخروج يوجه تدفق إضافية في نظام الترشيح. ترتكز غرف خلط وقياس كهربائيا لمنع خسائر كهرباء من الجسيمات. وتشمل أدوات القياس وبحجم المسح التنقل الجسيمات (SMPS) وعداد الجسيمات الضوئية (OPC) لتركيز عدد الجسيمات وحجم التوزيع، وانتقال المجهر الإلكتروني (تيم) العينات (MPS) لتحليل الجزيئات التشكل.
الإجراء هباء الإعداد ليشبه عملية المميعة سرير. تدفق الهواء يدخل من فتحة القاع في (قطر 2 مم) قمع وaerosolizes مسحوق. جزيئات مسحوق تتحرك بطريقة مشابهة على المياه في نافورة. الهباء الجوي ولدت يلتقي تدفق التخفيف في غرفة الخلط. يمكن أن يكون مشروطا تدفق الهواء تخفيف لمستويات مختلفة من الرطوبة إذا كان تأثيرهذه المعلمة يتطلب تحليلا. يخدم الهواء للغرفة أيضا كوحدة تخزين عازلة لمزيج بسلاسة الهباء الجوي مع الهواء تخفيف الجفاف وفقا لاحتياجات أخذ العينات. ثم يتم إدخال تدفق الهباء الجوي في غرفة القياس عن طريق منفذ طبيعي أنبوب (لاختبار هباء) أو فتحة الحرجة (للاختبار deagglomeration). الفوهة يمكن أن توفر مختلف ظروف الضغط الإفلات، وتطبيق قوى القص إلى جزيئات تمر عبره. تسمح هذه الآلية دراسة إمكانية deagglomeration من (الاستقرار الميكانيكية).
الشكل 1. رسم تخطيطي لنظام هباء وdeagglomeration. افتراضيا، أنبوب يربط غرفة الخلط مع غرفة القياس. فتحة المعروضة على الوظيفة الإضافية الاختيارية (وليس وصفها في هذا البروتوكول). الرجاء انقر هنا رس عرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
الإعداد هباء قمع أساس يمكن تفعيل بفعالية جزيئات مسحوق على مستوى مدخلات الطاقة المختار (قد يكون كميا من سرعة تدفق الهواء خلال هباء). حركات الجسيمات والاصطدامات في موقع جيل التوصل الى حالة التوازن، وكسر الكتل مسحوق وانبعاث الجسيمات العالقة في الهواء من توزيع نفس الحجم بمعدل ثابت. وهباء مستقر يمكن أن تستمر من 30 دقيقة لتصل إلى 2 ساعة، وهو وقت كاف حتى لأدوات القياس بطيئة مع قرارات حجم عالية، مثل المكاتب الصغيرة، لتسفر عن نتائج ذات دلالة إحصائية. الإعداد يتطلب سوى كميات صغيرة من مواد الاختبار، والتي يمكن أن تكون ميزة لاختبار المواد الثمينة مثل مساحيق جسيمات متناهية الصغر.
ومع ذلك، يمكن المعلمات البيئة وعملية للنظام تؤثر بشكل كبير على نتائج الاختبار. لإنتاج بيانات قابلة للتكرار، وإجراءات التشغيل القياسية يجب أن يتبع بدقة في جميع أنحاء من experiالإدلاء بالبيانات. عند إجراء اختبارات هباء باستخدام هذا النظام، وينبغي النظر بعناية في الجوانب التالية.
أولا، للحصول على نتائج ذات معنى، فمن الأهمية بمكان أن الأجزاء الداخلية الإعداد لتوفير بيئة نظيفة للاختبارات. المصادر المحتملة للملوثات هي جسيمات المحيطة ومواد الاختبار من التجارب السابقة. عادة اختفت تأثير الجزيئات المحيطة بسرعة نسبيا، في أقرب وقت أدخلت التدفقات هباء والتخفيف. ومع ذلك، والتدخل من المواد المتبقية يمكن أن تستمر طوال التجربة. كما تدفق الجسيمات الهباء الجوي ولدت من خلال النظام، فإنها يمكن إيداع على الجدران الداخلية للأنابيب النقل، ونقطة الانحناء والقنوات الضيقة من الروابط، والأسطح الداخلية للاختلاط وغرف القياس. إذا لم يتم تنظيف هذه الأجزاء بشكل صحيح قبل التجارب الجديدة، والمواد المودعة سابقا يمكن باستمرار إعادة وقف التنفيذ في التيار الرئيسيتدفق الهباء الجوي، وبالتالي تعكير نتائج الاختبار.
ثانيا، يجب أن تتم عملية تعبئة مسحوق بعناية فائقة. القضية الأكثر أهمية هنا هو كمية من مسحوق إدخالها في الإعداد، وخصوصا عندما تستخدم كميات صغيرة جدا من المواد. بمعدل تدفق هباء معين، كميات صغيرة من مسحوق توليد تركيزات أقل من الهباء الجوي، وربما جسيمات ذات أحجام صغيرة، ويرجع ذلك إلى إدخال الطاقة أعلى لكل وحدة وزن مسحوق. وعلاوة على ذلك، وقد ثبت أن ظروف التخزين لمواد الاختبار (على سبيل المثال، والرطوبة النسبية ودرجة الحرارة) للتأثير على السلوك هباء مسحوق ومستويات حركة الغبار 22. ولذلك، ينبغي دائما أن تبقى مساحيق الخام في الظروف الجوية نفسها، حيثما كان ذلك ممكنا.
ثالثا، تعديلات على تدفق هباء في بداية التجربة تؤثر بشكل كبير على نتائج الاختبار. الزيادات الحادة في تدفق تهب جزيئات مسحوق كبيرة شص في الهواء وفرشوها في جميع أنحاء سطح القمع، والحد بشكل كبير من كمية المواد المتاحة لبقية التجربة. العواقب يمكن أن تكون تجربة فاشلة بسبب عدم كفاية مسحوق.
لأنه لم يتم بناء الإعداد الموصوفة هنا باستخدام معدات المختبر القياسية، عند محاولة تكرار الأجزاء الأساسية من هذا النظام، وينبغي النظر في الجوانب التالية. القياسية مداخل separatory المختبر يمكن استخدام مولد الهباء (لاحظ أنه لا ينبغي أن تستخدم في ظروف الضغط). تم اختبار مداخل Separatory هندستها مختلفة في التجارب، وقدموا وظائف مماثلة لقمع مصممة. كتلة المطاط الختم مع أنبوب نقل جزءا لا يتجزأ من يمكن أن تستخدم غطاء القمع.
خلط وقياس المقصورات هندستها مختلفة ولكن كميات مماثلة يمكن استخدامها. لاحظ أن الأجزاء التي تكون كبيرة جدا وتأخير كبير في شمال شرق الوقتeded للوصول إلى الظروف الهباء الجوي مستقرة (تركيز). الوقت اللازم يمكن تقدير مع الأخذ بعين الاعتبار معدل تدفق الهواء الكلي وحجم المقصورة. على الرغم من أن العملية يمكن التعجيل باستخدام تدفق تخفيف كبير، ينبغي أن نتذكر أن تركيز عدد الجسيمات النهائي يمكن انخفضت بشكل كبير بسبب التخفيف، وهذا قد يؤثر على توزيع حجم الهباء الجوي، فضلا عن أداء أجهزة قياس (اعتمادا على حدود الكشف عنها). كهربائيا ينصح مواد موصلة.
ويبلغ طول أنابيب النقل قد تختلف، اعتمادا على إعدادات المختبرات العامة. ومع ذلك، يجب أن تبقى طول قصيرة قدر الإمكان لتفادي خسائر كبيرة الجسيمات أثناء نقلها. ويمكن حساب كفاءة اختراق الجسيمات مع الأخذ في الاعتبار قطر الجسيمات، ومعدل تدفق الهواء، وقطر الأنبوب وطول، واضعة في اعتبارها إما ترسب الجاذبية أوفقدان نشرها، أو كليهما.
يجوز استخدام أساليب توصيف مختلفة. ومع ذلك، فإن العرض الجوي (تدفق تمييع) يجب تعديلها لتتناسب مع معدل تدفق أخذ العينات الكلي. والعرض الجوي غير كافية يؤدي إلى الضغط السلبي في غرفة القياس، رسم في الجزيئات المحيطة مما يؤدي إلى أخطاء في الاستنتاجات. مصادر العرض الجوي مختلفة يمكن استخدامها، ولكن تأكد من أنها هي أو خالية من الجسيمات قبل معالجة الهواء مع فلتر ذات الكفاءة العالية.
أحد أوجه القصور الرئيسية لهذا الأسلوب هباء هو أنه يتطلب سيولتها جيدة من مساحيق اختبار من أجل الحفاظ على توليد الجسيمات استقرارا على مدى فترة طويلة نسبيا. مواد لاصقة، مثل مساحيق ماء مع نسبة عالية من الرطوبة، وغالبا ما يتوقف تدفق في مرحلة مبكرة من عملية هباء وتنتج تركيزات الجسيمات منخفضة للغاية. ويمكن أن تشمل السبل الممكنة لحل هذه القضية قبل المعالجة من الخام مسحوق مثل جفاف الصورةس لتحسين سيولتها لها. في حالة تخزين المواد الخام بعد استخدامات ينبغي المحافظة بشكل جيد، على سبيل المثال، وأبقى في بيئة جافة وتحت درجة حرارة مناسبة. وخلال التجارب، وارتفاع معدل تدفق هباء (0.5-1 لتر / دقيقة) وكميات أكبر من المواد الخام (على سبيل المثال، 500 ملغ) يمكن أن تستخدم. بالإضافة إلى ذلك، خفض معدل التدفق تخفيف يمكن أن تزيد من تركيز الجسيمات في غرفة القياس.
الحد آخر من هذا الأسلوب هو استنساخ المحمولة جوا معدل توليد الجسيمات (وبالتالي الجسيمات تركيز عدد في غرفة القياس). مستوى معين من الاختلاف لا يزال موجودا. السبل الممكنة لتحسين هي عملية تغذية تحديدا أفضل للحد من الخسائر المادية، وتسيطر عليها بشكل جيد، معدل تدفق هباء.
ويمكن استخدام هذا النظام والبروتوكولات المذكورة هنا لمختلف التطبيقات. استخدام كميات صغيرة نسبيا من مواد الاختبار يجعل طريقة محتملة ضدaluable كأداة بديلة لحركة الغبار اختبار مسحوق. كان ترتيب مستويات الجسيمات العالقة في الهواء الناتجة عن نظامنا لبعض المواد المشتركة مماثلة لتلك التي لوحظت في أنظمة هباء القائمة 19، مثل طبل الدورية 15،17، انخفاض مستمر 23، وأساليب دوامة شاكر 24. وعلاوة على ذلك، فإن إدخال الطاقة قابل للتعديل (معدل تدفق الهواء) يمكن أن تستخدم أيضا لدراسة استقرار الكتل مسحوق جسيمات متناهية الصغر. وأخيرا، يمكن توليد الهباء الجوي مستقر بمثابة مصدر موثوق من الجسيمات النانوية المهندسة المحمولة جوا في الجسم الحي أو في دراسات السمية في المختبر. ان تركيز الجسيمات يمكن السيطرة عليها تسمح للتحليل الاستجابات البيولوجية التي تعتمد على الجرعة. بالمقارنة مع الطرق الأخرى التي تستخدم هباء تعليق السائلة، وطريقة عرض يتجنب المشاكل المحتملة مثل suspendability المواد وتعديل الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات في تعليق (على سبيل المثال، لgglomeration، خصائص السطح).
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Mukhopadhyay, A., Basu, B. Consolidation-microstructure-property relationships in bulk nanoceramics and ceramic nanocomposites: a review. Int. Mat. Rev. 52, 257-288 (2007).
- 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).
- Schmid, K., Riediker, M. Use of nanoparticles in Swiss Industry: a targeted survey. Environ. Sci. Technol. 42, 2253-2260 (2008).
- Bello, D., et al. Particle exposure levels during CVD growth and subsequent handling of vertically-aligned carbon nanotube films. Carbon. 46, 974-977 (2008).
- Brouwer, D. Exposure to manufactured nanoparticles in different workplaces. Toxicol. 269, 120-127 (2010).
- Demou, E., Peter, P., Hellweg, S. Exposure to Manufactured Nanostructured Particles in an Industrial Pilot. Ann. Occup. Hyg. 52, 695-706 (2008).
- Kuhlbusch, T., Asbach, C., Fissan, H., Gohler, D., Stintz, M. Nanoparticle exposure at nanotechnology workplaces: A review. Part. Fib. Toxicol. 8, 22 (2011).
- 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).
- 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).
- Lewinski, N., Colvin, V., Drezek, R. Cytotoxicity of Nanoparticles. Small. 4, 26-49 (2008).
- 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).
- Verlag, B. . European Norm 15051, Workplace exposure-measurement of the dustiness of bulk materials. , (2014).
- 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).
- 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).
- Bach, S., Schmidt, E. Determining the Dustiness of Powders-A Comparison of three Measuring Devices. Ann. Occup. Hyg. 52, 717-725 (2008).
- 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).
- 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).
- Ding, Y., Riediker, M. A system to assess the stability of airborne nanoparticle agglomerates under aerodynamic shear. J. Aerosol Sci. 88, 98-108 (2015).
- Ding, Y., et al. Dustiness and Deagglomeration Testing: Interlaboratory Comparison of Systems for Nanoparticle Powders. Aerosol Sci. Technol. 49, 1222-1231 (2015).
- 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).
- 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).
- Dahmann, D., Monz, C. Determination of dustiness of nanostructured materials. Gefahrst. – Reinhalt. L. 71, 481-487 (2011).
- Ogura, I., et al. Dustiness testing of engineered nanomaterials. J. Phy. Conf. Ser. 170, 012003 (2009).
