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.
Polveri nanomateriale sono ampiamente utilizzati in diversi settori industriali, come le materie prime per la produzione di nuovi prodotti o come additivi per le loro applicazioni funzionali 1-4. Tuttavia, il potenziale di esposizione dei lavoratori ad aerosol nanopolveri è stato notato durante le varie attività di movimentazione professionali 5-8, ei rischi per la salute associati sono stati indagati in in-vivo e in vitro studi tossicologici 9-12. Al fine di facilitare lo sviluppo di strategie efficaci per proteggere i lavoratori che si occupano di nanomateriali, OML richiedono una migliore comprensione di come aerosol nanoparticelle sono generati da materiali in polvere sottoposti a input energetici esterni.
Diversi sistemi di laboratorio sono stati sviluppati per simulare il comportamento aerosol polvere in condizioni realistiche. Tra questi, due procedure standard sono i metodi di riferimento stabiliti <sup> 13 per polverosità test in polvere, che è definito come la tendenza di una polvere, sottoposto a un dato ingresso di energia, per rilasciare particelle sospese nell'aria. Il primo metodo utilizza un tamburo rotante come mezzo per l'ingresso di energia e aerosol di particelle di polvere 14,15. Il secondo metodo scende una polvere a velocità costante attraverso un cilindro verticale e aerosolizes le particelle di polvere mediante un flusso d'aria ascendente 16. Tuttavia, questi metodi richiedono relativamente grandi quantità di materiali di prova (35 cm 3 o 500 g), e questo può essere un problema con polveri nanomateriali a causa del loro costo elevato e potenziali rischi di esposizione. Un sistema di prova in scala ridotta combinando singola goccia e ruotando processi tamburo stato sviluppato, consentendo l'uso di minori quantità di polveri di prova (6 g campioni) 17. Un sistema aerosol recentemente sviluppato basato su agitatori vortex è stato usato anche per nanopolveri, test per fino a 1 cm 3 di materie prime <sup> 18.
Qui, vi presentiamo un nuovo aerosol e sistema disagglomerazione per i test nanopolveri sulla base di imbuti di laboratorio. Esso fornisce un processo di generazione di aerosol stabile utilizzando meno di 1 g di polvere di prova. aerosol costante può essere mantenuta per un periodo sufficientemente lungo per robuste caratterizzazioni aerosol. Le prestazioni del sistema è stato descritto in dettaglio in due pubblicazioni precedenti 19,20.
La configurazione di prova è composto da un generatore di aerosol, la miscelazione e la misurazione compartimenti, e strumenti di caratterizzazione, come mostrato in Figura 1. Tubing trasporto di particelle e connettori collegano questi elementi diversi. Un sintonizzatore flusso e due misuratori di portata controllare e monitorare le condizioni di flusso d'aria nel sistema. Un manometro e un sensore di temperatura ed umidità monitorare l'ambiente all'interno della camera di misura. aria compressa secca viene filtrato con un Hyperfilter prima che entri nel sistema. Unallungata, a forma di V, generatore di aerosol di vetro è utilizzato per la polvere aerosol. Questa geometria facilita un solido processo di aerosol e il trasporto delle particelle liscia nel vano successiva. Il regime di flusso sul fondo dell'imbuto è turbolento a causa dell'interazione con le particelle di polvere, mentre è laminare nella sezione superiore (Re-number <15). Lo spessore delle pareti del generatore è stato specificamente progettato per resistere alle pressioni elevate (fino a 400 kPa Dp) necessari ai test disagglomerazione utilizzando orifizi critici. Un sintonizzatore flusso di alta precisione controlla la portata in / min incrementi 0,01 L. tubo conduttivo (diametro esterno 6 mm, spessore 1 mm) viene utilizzato per evitare perdite di particolato dovute alla deposizione elettrostatica durante il trasporto. La lunghezza del tubo è di circa 50 cm tra il generatore di aerosol e la camera di miscelazione, 20 cm tra la camera di miscelazione e la camera di misura, e 100 cm per tubi di campionamento. Una bottiglia metallico 1 L è utilizzato come cham miscelazioneBER, ed un tamburo metallico 12 L viene utilizzato come camera di misura. campioni particelle sono tratte dalla sommità della camera di misura. Una porta di uscita dirige il flusso supplementare in un sistema di filtrazione. Le camere di miscelazione e di misura sono a massa per impedire perdite di particelle elettrostatiche. Gli strumenti di misurazione include un sizer mobilità scansione particelle (SMPS) e un contatore ottico di particelle (OPC) per la concentrazione del numero di particelle e distribuzione delle dimensioni, e un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) campionatore (MPS) per l'analisi della morfologia delle particelle.
Procedura di aerosol della configurazione assomiglia a un processo a letto fluido. Il flusso d'aria entra dall'apertura inferiore nella (diametro 2 mm) imbuto e aerosolizes la polvere. Le particelle di polvere si muovono in modo simile all'acqua in una fontana. L'aerosol generato incontra un flusso di diluizione nella camera di miscelazione. La portata dell'aria di diluizione può essere condizionato per diversi livelli di umidità se l'effettodi questo parametro richiede un'analisi. L'aria della camera serve anche da polmone per mescolare uniformemente l'aerosol di aria di diluizione secca secondo le esigenze di campionamento. Il flusso di aerosol viene poi introdotto nella camera di misura tramite una normale presa tubo (per la prova aerosol) o un orificio critico (per la prova disagglomerazione). L'orifizio può fornire diverse condizioni di pressione-drop, applicando forze di taglio alle particelle che passano attraverso di esso. Questo meccanismo permette lo studio del loro potenziale disagglomerazione (stabilità meccanica).
Figura 1. Schema del sistema di aerosol e disagglomerazione. Per impostazione predefinita, un tubo collega la camera di miscelazione con la camera di misura. L'orifizio mostrato è un add-on opzionale (non descritto in questo protocollo). Si prega di cliccare qui to vedere una versione più grande di questa figura.
La configurazione aerosol imbuto base può attivare in modo efficace le particelle di polvere a un livello di ingresso di energia prescelto (può essere quantificato dalla velocità del flusso d'aria durante l'aerosol). movimenti particelle e collisioni presso il sito generazione raggiungere uno stato di equilibrio, rompendo agglomerati di polvere ed emettendo particelle sospese nell'aria della stessa distribuzione dimensionale a velocità costante. Un aerosol stabile può durare da 30 minuti fino a 2 ore, che è tempo sufficiente anche per strumenti di misura lenti con risoluzioni elevate dimensioni, come l'SMPS, per produrre risultati statisticamente significativi. La configurazione richiede solo piccole quantità di materiali di prova, che può essere un vantaggio per testare materiali preziosi come polveri di nanoparticelle.
Tuttavia, parametri ambientali e di processo del sistema possono influenzare in modo significativo i risultati del test. Per produrre i dati ripetibili, le procedure operative standard devono essere rigorosamente seguite in tutta l'espementi. Quando eseguire le prove di aerosol che utilizzano questo sistema, i seguenti aspetti devono essere attentamente valutati.
In primo luogo, per ottenere risultati significativi, è fondamentale che le parti interne della configurazione forniscono un ambiente pulito per le prove. Potenziali fonti di contaminanti sono particelle ambientali e materiali di prova da esperimenti precedenti. L'effetto di particelle ambientali solito scomparve in tempi relativamente brevi, non appena sono stati introdotti i flussi aerosol e diluizione. Tuttavia, l'interferenza da materiali residui può persistere per tutto l'esperimento. Poiché le particelle di aerosol generati fluiscono attraverso il sistema, possono depositarsi sulle pareti interne dei tubi di trasporto, i punti di piega e stretti canali dei connettori, e le superfici interne della miscelazione e le camere di misura. Se queste parti non sono adeguatamente puliti prima di nuovi esperimenti, materiali precedentemente depositati possono essere costantemente ri-sospese nel flusso principaledel flusso di aerosol, disturbando così i risultati del test.
In secondo luogo, il processo di riempimento polvere deve essere condotta con molta attenzione. Il problema più significativo è la quantità della polvere immessa nella configurazione, soprattutto quando si utilizzano piccole quantità di materiali. Ad una data portata aerosol, piccole quantità di polvere di generare concentrazioni di aerosol inferiori, ed eventualmente particelle con dimensioni inferiori, a causa della maggiore impiego di energia per unità di peso di polvere. Inoltre, sono state mostrate le condizioni di conservazione per materiali di prova (ad esempio, umidità relativa e temperatura) per influenzare il comportamento aerosol in polvere e livelli di polverosità 22. Pertanto, polveri prime devono essere sempre mantenuti nelle stesse condizioni atmosferiche, ove possibile.
In terzo luogo, adattamenti del flusso aerosol all'inizio dell'esperimento influenzano notevolmente i risultati del test. forti aumenti nel flusso soffiano grandi particelle di polvere up in aria e li sviluppa sulla superficie imbuto, riducendo drasticamente la quantità di materiale disponibile per il resto dell'esperimento. Le conseguenze potrebbero essere un test fallito a causa di polvere insufficiente.
Poiché la configurazione descritta qui non è costruita utilizzando attrezzature di laboratorio standardizzato, quando si tenta di replicare le parti principali di questo sistema, i seguenti aspetti devono essere considerati. Standard imbuti laboratorio separatori possono essere utilizzati come il generatore di aerosol (da notare che non dovrebbero essere usati in condizioni pressione). imbuti separatori di diverse geometrie sono stati testati in esperimenti, e sono provvisti di funzionalità simile all'imbuto misura. Un blocco di tenuta in gomma con un tubo di trasporto incorporato può essere utilizzato come il coperchio dell'imbuto.
Miscelazione e misura scomparti di diverse geometrie ma volumi simili possono essere utilizzati. Si noti che compartimenti che sono troppo grandi ritarderà significativamente il tempo neEDED per raggiungere condizioni di aerosol stabili (concentrazione). Il tempo richiesto può essere stimata tenendo conto della portata d'aria totale e il volume del vano. Anche se il processo può essere accelerato mediante un grande flusso di diluizione, va ricordato che la concentrazione finale del numero di particelle può essere notevolmente ridotta a causa della diluizione, e questo può influenzare la distribuzione dimensionale dell'aerosol nonché le prestazioni degli strumenti di misura (seconda sui loro limiti di rilevamento). Elettricamente sono raccomandati materiali conduttivi.
La lunghezza del tubo di trasporto può variare, a seconda delle impostazioni generali di laboratorio. Tuttavia, la lunghezza deve essere il più breve possibile per evitare perdite di particolato significative durante il trasporto. L'efficienza di penetrazione di particelle può essere calcolato prendendo in considerazione il diametro delle particelle, portata d'aria, diametro del tubo e la lunghezza, e tenendo a mente sia la deposizione gravitazionale operdita diffusione, o entrambi.
Diversi metodi di caratterizzazione possono essere impiegati. Tuttavia, l'alimentazione dell'aria (flusso di diluizione) deve essere regolato in modo che corrisponda la portata di campionamento totale. alimentazione dell'aria insufficiente comporterà pressione negativa nella camera di misura, il disegno in particelle ambientali portando così ad errori nelle conclusioni. Diverse fonti di alimentazione dell'aria può essere utilizzato, ma garantire che essi siano o priva di particelle pre-trattare l'aria con un filtro ad alta efficienza.
Una limitazione importante di questo metodo aerosol è che richiede buona scorrevolezza delle polveri di prova al fine di mantenere la generazione di particelle stabili per un periodo relativamente lungo. materiali appiccicosi, come polveri idrofili ad alto contenuto di umidità, spesso si fermano scorre in una fase iniziale del processo di aerosol e producono concentrazioni molto basse di particelle. I potenziali modi di risolvere questo problema potrebbe includere un pre-trattamento del grezzo polvere quali l'essiccazione-so per migliorare la sua fluidità. La condizione delle materie prime dopo usi stoccaggio dovrebbe essere ben mantenuta, ad esempio, conservato in un ambiente asciutto e sotto temperatura adatta. Durante gli esperimenti, possono essere usati superiore portata aerosol (0.5-1 L / min) e grandi quantità di materia prima (per esempio, 500 mg). Inoltre, riducendo la portata di diluizione può aumentare la concentrazione di particelle nella camera di misura.
Un altro limite di questo metodo è la riproducibilità del tasso di generazione di particelle airborne (così particelle concentrazione numero nella camera di misura). Certo livello di variazione esiste ancora. Possibili modi di miglioramento sono un processo di alimentazione meglio definito per ridurre le perdite materiali, e portata aerosol ben controllata.
Il sistema e protocolli descritti qui potrebbero essere utilizzati per diverse applicazioni. L'uso di quantità relativamente piccole di materiali di prova rende il metodo potenzialmente valuable come uno strumento alternativo per la prova di polvere polverosità. La classifica dei livelli di particelle sospese generate dal nostro sistema per alcuni materiali comuni era simile a quelli osservati nei sistemi esistenti aerosol 19, come il tamburo rotante 15,17, goccia continua 23, e metodi vortex shaker 24. Inoltre, l'energia immessa registrabile (portata aria) può anche essere usato per studiare la stabilità di agglomerati di nanoparticelle polvere. Infine, la generazione di aerosol stabile può servire come una fonte affidabile di nanoparticelle ingegnerizzate in volo per in vivo o de studi tossicologici in vitro. La concentrazione di particelle controllabile permetterebbe un'analisi di risposte biologiche dose-dipendente. Rispetto ad altri metodi aerosol usando sospensioni liquide, il metodo presentato evita potenziali problemi come sospensione il materiale e la modifica delle proprietà fisico-chimiche delle particelle in sospensione (ad esempio, ungglomeration, proprietà di superficie).
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 |