Мелко дисперсионная пыль что это
Мелкая пыль: скрытая угроза
Мелкая пыль: скрытая угроза
Что такое МЕЛКАЯ пыль? Первое, что приходит на ум, – это слой грязи на мебели и подоконнике. Это крупная пыль. А есть еще пыль мелкодисперсная – она состоит из мельчайших частиц размером до 5 микрон. Мы не видим и не чувствуем их, хотя именно они наносят нам наибольший вред.
В городском воздухе содержится много мелкодисперсной пыли. В ней содержится сажа, цементная крошка и другие мельчайшие частицы. Их размер позволяет им проходить сквозь наши физиологические фильтры и попадать напрямую в легкие, где они всасываются в кровь. Организм не в состоянии вывести такое количество «мусора», и он откладывается на стенках сосудов и в соединительной ткани вокруг них. Результат — сужение просвета сосудов и затруднение тока крови.
Вдобавок, многие частицы являются канцерогенами. А сажа, помимо прочего, еще и собирает на себя вредные летучие соединения. Уголь, как вы знаете, является отличным сорбентом, поэтому на него легко «садятся» загрязнители – например, оксиды азота и серы. Затем эти соединения растворяются в крови, повреждая стенки сосудов. А мы этого даже не замечаем.
Как избавиться от этих частиц?
Увы, на улице вы не можете контролировать состав воздуха, которым дышите. Но в своем доме вам под силу создать здоровый микроклимат – с помощью механических воздушных фильтров. Стандартные фильтры в вентиляции могут задержать лишь крупные частицы: пух и крупную пыль. Для фильтрации частиц до 5 микрон необходимо использовать специальные фильтры класса HEPA (high efficiency particle absorbtion) с мелкоячеистой структурой. Они задерживают не только мелкие частицы сажи и пыли, но и вирусы с бактериями.
Однако одного механического фильтра недостаточно. Вредные соединения могут проникнуть в кровь не только с частицами сажи, но и в свободном виде. И даже HEPA фильтр не сможет обеспечить фильтрацию на молекулярном уровне. Эту задачу решают адсорбционные или адсорбционно-каталитические фильтры. В них имеется сорбент, на котором оседают молекулы вредных газов.
Совокупность HEPA и адсорбционно-каталитического фильтра обеспечивает высокий уровень очистки воздуха. Для того, чтобы срок эксплуатации HEPA фильтра был максимально длинным, перед ним устанавливается грубый фильтр, который защищает HEPA от наиболее крупных загрязнителей. Таким образом, оптимальный набор фильтров должен быть организован в виде последовательного каскада:
Вы можете закрыть все окна в доме и забыть об опасностях уличного воздуха. Однако источники загрязнений есть и внутри вашего дома: выделения от мебели и техники, бытовая химия, строительные материалы. В этом случае вам поможет очиститель воздуха с правильным набором фильтров.
Но у очистителя есть один существенный недостаток: он не удаляет из помещения углекислый газ (CO2).
Понятно, что для создания здорового микроклимата одного очистителя недостаточно. Необходимо не только фильтровать воздух, но и обеспечивать его приток снаружи. С этими задачами справляется бризер — компактная приточная вентиляция с многоступенчатой очисткой воздуха. Бризер подает воздух снаружи с помощью вентилятора, предварительно нагревает его до указанной температуры (функция климат-контроля) и очищает тремя фильтрами: грубым, HEPA и адсорбционно-каталитическим.
Прогресс неизбежен — наука и техника, пытаясь отвечать на запросы современности, всегда будут идти вперед. К сожалению, новые достижения приносят новые угрозы, к которым общество может быть не готово. Потребности человечества обгоняют его возможности, что неизбежно вызывает появление опасных компромиссов в решении задач по их удовлетворению. Благодаря технологическому развитию бытовые условия за последние сто лет заметно улучшились, но были и перемены, которые нельзя увидеть невооруженным взглядом. Обычная пыль, неизменный спутник человека со времен сотворения мира, все это время тоже менялась, и совсем не в лучшую сторону.
Что есть пыль и откуда она берется
Пыль — наиболее общий и часто встречающийся загрязнитель воздуха. Основным ее творцом во все времена была естественная эрозия почвы, камня или песка. Природными источниками могут выступать выделяющие пыльцу растения, микроскопические организмы, шелушащаяся кожа животных или обычная сухая трава. Под воздействием трения любая материя механически истирается и разрушается на мелкие частички. Размер и химический состав таких частиц бывает абсолютно разным. В зависимости от дисперсности и токсичности пыль ранжируется по различным классам опасности.
Обычная домашняя пыль, которую можно обнаружить в среднестатистической квартире, в основном состоит из микроскопических волокон тканей, образовавшихся в результате износа покрывал, штор, постельного белья, одежды или ковров. В меньшей степени ее состав формируется из частиц побелки потолка, обоев и других отделочных материалов. Сам хозяин и его домашние животные также могут продуцировать пыль, состоящую из эпидермиса, выпавшей шерсти или волос. Через воздуховоды, окна и двери в жилье может проникать пыль из внешних источников, однако ее количество и состав зависят от района проживания, поэтому такую пыль нельзя считать типичной.
Антропогенная деятельность привела к возникновению новых видов пыли, концентрация которых особенно высока в урбанизированных районах, где источником загрязнения является широкий спектр человеческой активности — от садоводства до индустриального производства. Многие современные технологические процессы характеризуются выделением значительного количества вредной для живого организма пыли, вдыхание которой неизбежно вызывает проблемы со здоровьем. Уголь, цемент, металлы, пестициды, зола, сажа, пластик, резина — все это можно обнаружить в воздухе типичного мегаполиса современности.
Меньше — значит опаснее
Пыль может быть видимой или невидимой. Всего лишь десять процентов всей существующей на сегодняшний день пыли имеет частицы, размеры которых достаточно велики для того, чтобы их можно было визуально обнаружить без использования специальной аппаратуры. Человеческий глаз не видит предметы диаметром меньше пятидесяти микрон. Около ста микрон имеют толщину стандартный лист бумаги и человеческий волос. Четыреста двадцать микрон — диаметр частиц пыли, взвесь которой все еще является взрывоопасной. Классическая бытовая пыль варьируется в размерах от половины до ста микрон. Пестициды имеют частицы в тысячную микрона.
Крупная пыль, не успевая пройти сколь-нибудь значительные расстояния, очень быстро оседает в непосредственной близости от источника ее возникновения. Слои такой пыли можно наблюдать на полированных поверхностях мебели или зеркалах. Чем меньше частица, тем дольше она остается в воздухе и тем дальше может переместиться. Оседание промышленных выбросов, глины или сажи может занимать недели или вообще не происходить, если погода на местности ветреная. Мелкодисперсная пыль способна совершать длительные путешествия, в том числе по разветвленным воздуховодам жилых и промышленных зданий.
Крупные пылинки легко застревают в носу и носоглотке, поэтому могут быть легко выдохнуты либо высморканы обратно, что делает их сравнительно безопасными. Очень мелкие частицы, напротив, легко проникают сквозь верхние дыхательные пути и оседают в легких. Исключительную опасность представляют те разновидности, размер которых настолько мал, что они могут проникать и дальше — в систему кровообращения.
Химический и биологический состав, а также размер частиц пыли напрямую влияет на вред ими приносимый. Другим фактором, определяющим негативный эффект, является ее количество и время нахождения человека в загрязненной среде. Частицы размером 2,5 микрона, свободно попадая в легкие, оседают в их нижних отделах. Часть из них растворяется в крови, после чего выводится через почки наружу. Другая же часть, оказавшись достаточно твердой, остается в легких навсегда. Клинически доказано наличие накопительного эффекта вдыхания такой пыли и его связи с развитие тяжелых болезней легких, включая рак и астму. Отмечается, что вероятность возникновения проблем со здоровьем статистически выше среди:
В типичных условиях девяносто процентов обнаруживаемых в воздухе пылевых частиц обладает размерами около пяти микрон. Когда вы видите парящую в пространстве пылинку, то на нее приходится еще девять, о чьем присутствии вы совсем не подозреваете. Такая мелкая пыль, опасность которой заключается в ее проникающей способности, может быть задержана исключительно при помощи HEPA фильтра. Подобные фильтры эффективно улавливают даже наиболее вредные для человека частицы размером 2,5 микрона. Для лучшего понимания можно привести примеры некоторых частиц и их размеров в микронах:
Пластик — наш новый друг и враг
Около 16% всего производимого в мире пластика идет на создание синтетических тканей. За последние десятилетия ежегодный прирост их производства составлял стабильные 6% и сейчас равен 60 миллионам тонн. Частицы пластика и резины, образующиеся в результате износа одежды из синтетики, полимерных покрытий и автомобильных покрышек, обнаруживаются уже не только в воздухе, но и в питьевой воде. Пластик сейчас находят даже в дожде, выпадающем в больших городах типа Лондона или Парижа — там наблюдаются самые большие концентрации пластиковых частиц в воздухе в мире. Из одних лишь автопокрышек, в пересчете на каждого жителя Земли, в год получается около килограмма резиновой крошки. Примерно 3% этой крошки составляют частицы размером 2,5 микрона.
Пластиковые микроволокна можно обнаружить не только снаружи, но и внутри помещений. Любой современный дом наполнен вещами, сделанными с использованием синтетических материалов. При их истирании образуется мелкая пыль, угроза которой уже была описана выше. Исследования показывают, что в течение часа среднестатистический горожанин вдыхает примерно одиннадцать частиц такой пыли. По подсчетам, приблизительно 33% тканей в жилище двадцать первого века соткано из тех или иных видов искусственных нитей. В течение года в таком домохозяйстве образуется до двадцати килограммов пыли, шесть из которых — волокна полиэстера, нейлона, спандекса и других синтетических тканей.
Насколько вредно вдыхание пластиковой пыли? Впервые пластик был обнаружен в 1990 году в альвеолах больных раком легких. Ученые доказали, что пластик может надолго сохранятся в легких, особенно у лиц с уже имеющимися их заболеваниями. Поскольку пластмассы в основном не являются биоразлагаемыми материалами, то попадая в легкие и оставаясь в них долгое время, они неизбежно вызывают воспаление. Повреждая легочные ткани, пластиковые микрочастицы вызывают рост раковых опухолей, провоцируют приступы астмы, ухудшают дыхание. Недавно было обнаружено, что нейлоновые волокна могут мешать росту клеток легких, вследствие чего дети дополнительно оказываются в группе риска.
Обнаруживаемая в быту подобного рода мелкая пыль чем опасна вдвойне, так это наличием в ней токсичных вспомогательных веществ, вводимых производителями в пластик для улучшения его характеристик. Бисфенол А, используемый в качестве отвердителя, вызывает широкий спектр нарушений, наиболее известными из которых являются болезни сердца и сосудов, диабет второго типа и отклонения в химическом составе печеночных ферментов. Тетрабромбисфенол А, добавляемый в пластмассы в качестве антипирена, в ходе множества исследований был признан ответственным за нарушения в работе щитовидной железы и гипофиза.
Вместо заключения
Пока проблема пыли глобально остается нерешенной, единственными возможными способами борьбы с ней являются очистка помещений от ее присутствия, а также предотвращение проникновения в них. Эффективные системы фильтрации и осторожный выбор материалов — залог вашего здоровья и отличного настроения.
Особенности улавливания и возврата мелкодисперсной пыли
Пыль – совокупность находящихся в воздухе взвешенных твердых частиц. Пыль может быть классифицирована по нескольким признакам, в том числе по дисперсности (размеру). Частицу пыли произвольной формы условно считают шарообразной, а ее размер определяют по эквивалентному диаметру. Фракцией называют массовую долю пылевых частиц, размеры которых находятся в некотором интервале значений нижнего и верхнего пределов.
Пыль, содержащую частицы размером до 100 мкм, условно можно разделить на несколько фракций:
I – крупнодисперсная пыль, размер частиц 40…100 мкм;
II – среднедисперсная пыль, размер частиц 10…40 мкм;
III – мелкодисперсная пыль, размер частиц 1…10 мкм;
IV – очень мелкодисперсная пыль, размер частиц менее 1 мкм.
Принцип работы рукавного фильтра основан на улавливании частиц пыли фильтрующим материалом при прохождении через него запыленного воздуха. По мере увеличения толщины слоя пыли на материале рукавного фильтра, возрастает сопротивление движению воздуха и снижается пропускная способность фильтра, во избежание чего автоматической системой управления проводится регенерация запыленных рукавов импульсами сжатого воздуха посредством электромагнитных клапанов. Стряхиваемая пыль осыпается в бункер, и может быть вывезена автотранспортом или возвращена в технологический процесс с использованием шлюзового питателя и шнекового транспортера.
На предприятиях по производству щебня, минеральных порошков и наполнителей, микрокальцита, глинозема, некоторых видов цемента остро стоит вопрос качества рециркуляции рукавных фильтров и улавливания мелкодисперсной пылевой фракции размером до 10 мкм, которая является ценным сырьем и должна возвращаться в технологический процесс. Процесс регенерации обычного рукавного фильтра может быть затруднен, так как небольшая масса пылевых частиц не позволяет им эффективно осыпаться в бункер. Трудности с регенерацией могут вызвать снижение эффективности пылеулавливания, пропуски пылевых частиц через материал рукавов. Специально для таких производственных процессов специалистами компании «Фаском» (Санкт-Петербург) была разработана конструкция рукавного фильтра ФР-П-(О) с отсекаемой (отключаемой) секцией (см. Рисунок 1). Конструктивно такой фильтр выполнен из нескольких независимых секций одинаковой производительности, где регенерация фильтра осуществляется по принципу «off-line», т.е. с поочередным отключением одной секции на продувку. В этом состоит принципиальное отличие от обычного рукавного фильтра. В момент срабатывания системы импульсной регенерации, специальный отсечный клапан отсекает (отключает) одну секцию рукавного фильтра. Такими отсечными клапанами (поворотными заслонками), отделяющими секцию по «чистому» воздуху, оснащена каждая секция фильтра. Заслонки комплектуются приводами, отключение секции происходит автоматически в заданном режиме по значениям гидравлического сопротивления фильтра. При необходимости проведения безостановочного осмотра и обслуживания газоочистной установки, на фильтр устанавливаются отсечные заслонки и по «грязному» воздуху, работающие в ручном режиме.
При такой конструкции фильтра процесс регенерации осуществляется более эффективно, что позволяет эксплуатировать оборудование при повышенных газовых и пылевых нагрузках на фильтровальные материалы.
Рисунок 1. Рукавный фильтр ФР-П-(О) с отсекаемой секцией
Преимущества фильтров ФР-П-(О) с отсекаемой секцией:
— Эффективное улавливание тонкодисперсных, легких, сильнослипающихся видов пыли;
— Возможность работы при высоких входных концентрациях пыли (до 150 г/м3);
— Возможность проведения регламентных и ремонтных работ на рукавном фильтре без остановки технологического процесса;
— Длительный срок службы фильтровальных рукавов;
— Высокая степень очистки (остаточная запыленность не более 10 мг/м3).
Без применения специальных мер, фильтры с отсекаемой секцией позволяют улавливать пылевые частицы тонкой фракции с размерами от 5 мкм. Для улавливания более мелких пылевых частиц, применяется сочетание рукавных и/или картриджных фильтров, выбор специальных фильтровальных тканей и др.
Конструктивно фильтры ФР-П-(О) выполняются в различных климатических исполнениях, в том числе и для работы вне помещений. Производительность по очищаемому газопылевому потоку может составлять до 500 000 м3/час.
Мелко дисперсионная пыль что это
В нашей Республике, как и во всех промышленно-развитых странах актуален вопрос защиты атмосферного воздуха и биосферы от наиболее распространенного загрязнителя – мелкодисперсной пыли природного и антропогенного происхождения, присутствующей в местах проживания людей.
Одной из наиболее важных экологических проблем в настоящее время является запыленность городской и жилой зоны. Основными источниками поступления взвешенных частиц в атмосферный воздух городов являются: выбросы автотранспорта, угольной, металлургической отраслей, машиностроения; производство строительных материалов, станции перегрузки мусора, дробильно-сортировочные комплексы по переработке полезных ископаемых и отходов, землеройные работы, дорожное движение, незадернованные участки земель, разрыхленные и удобренные почвы, взрывы боеприпасов в результате военных действий и т. п.
Ежегодно в атмосфере Республики оказываются тысячи тонн взвешенных частиц пыли. Загрязнение воздушной среды ухудшает экологическую обстановку, оказывает негативное воздействие на состояние атмосферы и почв, ухудшает качество сельскохозяйственной продукции, приводит к преждевременному износу зданий, сооружений и оборудования, основных фондов промышленности и объектов жилищно-коммунального хозяйства, губительно влияет на все живые организмы.
Антропогенные газовые выбросы содержат в себе в основном твердые частицы размерами от 0,5 до 200 мкм. Наибольшую опасность для здоровья человека при их вдыхании с воздухом представляют собой мелкодисперсная пыль (МП) – частицы размерами менее 10 мкм, при этом они практически не улавливаются наиболее распространенными в промышленности пылеочистными установками – циклонами, в отличие от более крупных частиц, улавливаемых до 90. 95 %.
Кроме физических и химических свойств, дисперсный состав определяет характер и условия распространения пыли в воздушной среде. Крупнодисперсная пыль оседает на небольших расстояниях от источников загрязнения, мелкодисперсная может переноситься потоками воздуха на значительные расстояния, распространяясь далеко от источников выброса, и оседает значительно медленнее, а особо мелкодисперсная практически вовсе не осаждается. Таким образом, рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом пыли. Важнейший вопрос пылеулавливания – выбор пылеулавливающего оборудования – решается исходя из дисперсного состава пыли. Мелкодисперсные пылевые выбросы, весьма токсичные сами по себе, под действием солнечных лучей и при участии озона могут образовывать в атмосфере новые, еще более токсичные соединения. При этом атмосферная турбулентность и ветер не всегда успевают удалять из воздушного бассейна предприятий растущие в связи с интенсификацией производства пылевых выбросов. Таким образом, взвешенные частицы пыли могут находиться в атмосферном воздухе в течение многих дней и недель и, соответственно, подвергаться трансграничному переносу по воздуху на большие расстояния.
От степени дисперсности пыли, поступающей в воздушный бассейн, зависит её воздействие на здоровье человека. Наибольшую опасность для человека представляют частицы пыли размером до 5 мкм. Они легко проникают в легкие и там оседают, вызывая разрастание соединительной ткани, которая не способна передавать кислород из вдыхаемого воздуха гемоглобину крови и выделять углекислый газ. Развивающиеся при этом профессиональные заболевания называют пневмокониозами. Форма пневмокониозов зависит от вида вдыхаемой пыли: силикоз – при вдыхании кварцсодержащей пыли, силикатной пыли; антракоз – угольной пыли и др.
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), это влияние обусловлено как кратковременной (в течение часов или дней), так и долговременной (в течение месяцев или лет) экспозицией и включает: респираторную и сердечнососудистую заболеваемость, например, обострение астмы и респираторных симптомов, рост смертности от сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний и от рака легких. Результаты исследования в лаборатории показали, что мелкодисперсные твердые частицы индуцируют повреждения клеток ДНК, что приводит к легочным и сердечно-сосудистым заболеваниям и раку с помощью механизмов, которые вызывают легочное и системное воспаление, ускоряют атеросклероз и изменяют сердечные вегетативные функции, повышают риск смертности от ишемической болезни сердца и аритмии. Вдыхаемые ультратонкие частицы могут транспортироваться в сосудистую систему и непосредственно в сердце, вызывая при этом сердечную аритмию и снижение сократительной способности сердечной мышцы и коронарного кровотока. Чем меньше размер вдыхаемых взвешенных частиц воздуха, тем большее их влияние на сердечно-сосудистые заболевания (особенно при гипертонии). При этом снижение уровней МП пропорционально снижают сердечно-сосудистую смертность.
Особенно уязвимыми являются чувствительные группы людей, страдающих заболеваниями легких или сердца, а также люди пожилого возраста и дети.
Меры, позволяющие снизить воздействие загрязнения воздуха на здоровье населения, должны включать:
нормативно-законодательное регулирование (более жесткие нормативы качества воздуха, предельно допустимые выбросы из различных источников);
– структурные изменения (например, снижение потребления энергии, особенно энергии, вырабатываемой путем сжигания топлива, изменение способов передвижения, планирование землепользования);
– изменения в поведении на индивидуальном уровне, которые выражаются, например, в использовании экологически чистых способов передвижения или бытовых источников энергии;
– улучшение мониторинга МП для того, чтобы оценить ситуацию с загрязнением воздуха и помочь местным органам власти разработать и принять планы по улучшению качества воздуха;
– уменьшение загрязнения воздуха мелкодисперсными взвешенными пылевыми частицами с помощью имеющихся технологий, а также разработки и внедрения высокоэффективного пылеочистного оборудования нового поколения;
– улучшение качества дорожного покрытия, озеленение и регулярная уборка автодорог;
– озеленение населенных пунктов и увеличение площадей лесонасаждений.
Мелкодисперсная пыль, выделяемая при работе 3D-принтеров (перевод)
Уважаемые читатели сообщества! Уже долгое время стоит вопрос о выделяемых летучих веществах в процессе 3D-печати и возможном пагубном их воздействии на пользователей аддитивных устройств, находящихся непосредственно вблизи рабочей зоны. Довольно много дискуссий по этому поводу было на различных форумах ([1], [2], [3], [4]) и изложено в статьях ([5], [6]). Проводились исследования, подтверждающие как полную безвредность некоторых марок филаментов (как например, [5]), так и совершенно противоположную точку зрения (например, [6], русскоязычный перевод [7]). Чтобы наконец положить конец этим разногласиям, дать обоснованный ответ, подтверждённый экспериментальными и вычислительными данными, пришлось обратиться к относительно давнему зарубежному изданию, опубликованному командой исследователей во главе с профессором Иллинойского университета Брентом Стеффенсом из открытого источника Atmospheric Environment [8]. Перевод данной статьи публикуется с согласия автора. Спасибо за внимание и отклик!
Аннотация
Ключевые слова: воздушные выделения внутри помещений, 3D-принтеры, термопластичная эмиссия, термопластичное полимерное наслаивание
Часть 1. Вступление
Трехосевые (3D) принтеры все больше набирают популярность в качестве компактных инструментов быстрого прототипирования для различных нужд производства. В особенности это касается сегмента недорогих 3D принтеров, использующих аддитивную производственную технологию, также известной, как технология термопластичного полимерного наслаивания.
Предыдущие исследования (Contos и другие, 1995, Unwin и другие, 2012), в ходе которых было выяснено, что в процессе 3D-печати при температуре в промежутке от 170°С до 240°С выделяются как газы, так и мелкодисперсные частицы. Первичные газовые продукты термического разложения ABS-пластика при очень высоких температурах включают в себя ряд таких веществ, как моноксид углерода и гидрид цианида, а также ряд других летучих соединений (Rutkovskiy и Lewin, 1986). Пагубное действие приведенных соединений было выявлено при экспериментах на крысах (Zitiing and Savolainen, 1980) и мышах (Sharper и другие, 1994).
Эффективность существующих недорогих приборов быстрого прототипирования, основанных на умеренном или же высокотемпературном плавлении и экструзии в настоящий момент не вызывает каких-либо сомнений, однако мы не имеем никакого представления о действии мелкодисперсных выделений из этих 3D-принтеров. Ситуацию ухудшает и тот факт, что недорогие 3D-принтеры выпускаются без какой-либо вентиляции или же фильтрующего устройства. Чтобы разрешить эту ситуацию, мы первыми публикуем данные о размерах и концентрациях мелкодисперсной пыли в помещениях при использовании недорогих принтеров.
Часть 2. Инструменты
Измерения и вычисления были проведены в 45 м 3 обставленном мебелью и кондиционируемом офисе, используемом в качестве учебного центра по 3D-печати. Девять 3D-принтеров были размещены на столах, среди которых только пять соседних другу к другу использовались прямо по назначению. После этого были измерены концентрации микрочастиц на расстоянии двух метров от ближайшего принтера с использованием TSI NanoScan SMPS Model 3910 с интервалами в одну минуту. Данная модель, использующая изопропиловый спирт для счетчика сконденсированных частиц (CPC), а также радиальный дифференциальный анализатор подвижности, позволяет зафиксировать частицы размерами от 10 нм до 420 нм. Первые измерения проводились в течение двадцати пяти минут до включения принтеров в работу для выяснения фонового содержания частиц, присутствующих в закрытом офисе. На протяжении всей проводимой работы дверь в помещение оставалась закрытой за исключением моментов перезапуска принтеров.
Помещение было предоставлено лишь на ограниченное время, поэтому было решено разбить весь процесс эксперимента на четыре небольшие составные части по два с половиной часа: 1) измерение размера и концентрации микрочастиц в помещении без включенных 3D-принтеров в течение двадцати минут, 2) измерение данных о микрочастицах при двух включенных 3D-принтерах, печатающими PLA пластиком около двадцати минут, 3) к двум печатающим принтерам добавляются еще три, печатающие ABS пластиком (соответственно при большей температуре), в течении двадцати минут, 3) принтеры, печатающие PLA пластиком, начинают печатать вместе с принтерами, уже печатающими ABS пластиком, 4) ожидание рассеяния плотных сгущений мелкодисперсной пыли в течение сорока минут. Полученные данные о мелкодисперсной пыли внутри офиса были использованы при вычислении поразмерных и суммарных концентраций выбросов мелкодисперсной пыли внутри помещения.
Скачки концентраций частиц во время печати всеми принтерами были детально рассмотрены только для проб меньших 150 нм, при этом мы использовали данные о размерах первых девяти проб в диапазоне от 11,5 нм до 116 нм. Дополнительно к поразмерным вычислениям, мы также провели суммарные по первым восьми пробам, не превышающих 100 нм, расчеты концентраций, согласно номенклатуре более ранних исследований (Oberdorster и другие, 2005). Комната на протяжении всего эксперимента считалась равномерно наполненной хаотично перемешиваемой воздушной средой, что соответствует небольшому закрытому помещению с несколькими сильно разогретыми принтерами, работающими в течение двух с половиной часов (Baughman и другие, 1994, Klepeis, 1999). С другой стороны, такой же подход в более крупных комнатах использовался в других предшествующих исследованиях (Wallace и другие, 2004, Buonanno и другие, 2009).
2.1. Период 1: измерения окружающей среды
До начала исследований принтеры не приводились в рабочий режим в течение одних суток. Сначала были измерены концентрации пыли внутри помещения, что заняло около двадцати пяти минут. Поступившие данные были относительно стабильными, поэтому они были использованы для получения результатов концентраций для каждого размера микрочастиц, включающее в себя суммарное количество частиц (не превышающих 100 нм). Фоновые концентрации представляют из себя функцию из связанных между собой фундаментальных параметров и концентраций пыли вне помещения, что описано в уравнении (1).
Примечание к формуле:
L(i) — потери концентраций частиц при случайном перемешивании и перемещении воздушных масс вне помещения в результате работы HVAC-системы и фильтров (ед./мин.)
λ — коэффициент перемешивания мелкодисперсной пыли внутри помещения (безразмерная величина, не была измерена в данном исследовании)
P(i) — скорость хаотического перемешивания мелкодисперсной пыли внутри помещения (ед./мин.)
Из-за небольшого сквозняка и ограничений, связанных c приборами, мы не смогли измерить изменения концентраций микрочастиц в воздухе офиса. Хотя, суммарные потери L(i) были зафиксированы за все время экспериментов вплоть до процедуры, не описанной в четвертом периоде. Суммарные потери L(i) также были использованы при подсчете концентраций второго и третьего периода. Такая же процедура была проведена в предыдущих исследованиях содержаний мелкодисперсной пыли в воздухе при использовании разных устройств и методов (например, Wallace и другие, 2004, Buonanno и другие, 2009).
Рис. 1. Изображение распечатанной фигурки лягушки
Концентрации мелкодисперсной пыли, измеренные во время второго периода, отображают приблизительное состояние баланса распределения концентраций внутри помещения (C(i,in,ss,2PLA)), как и показано в уравнении (2). Показания выделений за этот период можно считать одинаковыми для обоих принтеров, печатающих PLA, потому как они делали одну и ту же модель, и, кроме того, в данном случае возможности проверить это уравнение нет.
E(i,PLA) — функция выбросов от времени индивидуально для каждого размера от каждого 3D-принтера при печати PLA пластиком (ед./мин.)
Значения отклонений фоновых концентраций в течение первого периода были использованы вместе с значениями концентраций во время установившегося баланса со второго периода и потерями концентраций L(i) с четвертого периода, чтобы определить выражение для E(i,PLA). Вычисления велись для каждой из девяти проб размеров (11,5–116 нм), также, как и суммарные концентрации (сумма всех восьми проб концентраций). Неопределенность при выражении значений скорости выделения пыли E(i,PLA) фигурирует из-за относительных отклонений значений двух функций: C(i,in,ss,bg) и C(i,in,ss,PLA). Второй период закончился, когда 3D-принтеры завершили печать моделей. Впоследствии был небольшой перерыв, пока мы подготавливали дополнительные принтеры для третьего периода.
Во время третьего периода те же два 3D принтера, производившие одинаковые пластиковые фигуры из полилактидной смолы, вместе с тремя дополнительными 3D принтерами той же модели печатали точно такие же пластиковые лягушки (четыре 3D принтера) и звено цепи (один 3D принтер, использовавшийся во втором периоде). Однако использовали АБС-пластик и печатали при температуре экструдера и стола: 220°С и 118°С соответственно. Вследствие большого разброса в данных, полученных за третий период, соответствующие значения концентраций были вычислены с помощью аналитической функции динамического баланса масс (3).
Нелинейное уравнение, содержащее два независимых параметра и полученное методом наименьших квадратов, отражает поразмерные суммарные концентрации мелкодисперсных частиц, выделяемых со всех пяти 3D принтеров за этот период:
Это необходимо для установления объективного значения нижней границы концентраций мелкодисперсной пыли. В этой процедуре исключаются коагуляции частиц и образования сгустков пыли в результате конденсации, чтобы избежать неопределенности в вычислениях. С другой стороны, расчет суммарной концентрации частиц также основан на этом принципе, исключающим коагуляции и образовании сгустков, поскольку данные механизмы установлены только для взаимодействия индивидуальных частиц, определенных поразмерно. В предыдущих исследованиях тоже был задействован подобный подход. Аргументы, взятые из источников (например, Wallace и другие, 2005, He и другие, 2007), говорят в его пользу и, кроме того, рассмотренные отчеты исследований содержат подробное описание широкого спектра воздействующих факторов на результаты исследования.
Рис. 2. Поразмерные и суммарные (не превышающие 100 нм в диаметре) концентрации мелкодисперсной пыли в офисе в процессе исследований и отбора проб
Наконец, на протяжении последнего периода все принтеры находились в выключенном состоянии, и концентрации внутри помещения снизились до прежних фоновых. Суммарные потери L(i) для всех размеров частиц и для суммарного числа концентраций имеют вид прямой линии на логарифмическом графике функции (4).
Расчет потерь концентраций подобным образом позволяет сгруппировать способствующие этому факторы, такие как перемешивание мелкодисперсной пыли внутри помещения, перемена рабочих областей устройств или удаление частиц вследствие фильтрации HVAC-системы. К сожалению, из-за ограничений, связанных с особенностями оборудования, а также вышеобозначенных причин, потери концентраций не были найдены напрямую. В предыдущих исследованиях говорится о том, что данный подход действительно может использоваться в подобной ситуации (Wallace и другие, 2004, Buonanno и другие, 2009). Суммарные потери концентраций были приняты неизменными в относительно коротком периоде полевых испытаний в два с половиной часа, чтобы использовать эти данные при вычислении концентраций других периодов.
Часть 3. Итоги
Рисунок 2 показывает итоговые повременные концентрации, померенные в офисе в процессе отбора проб. Графики, расположенные в нижней части диаграммы, показывают поразмерные концентрации для проб частиц размерами не меньше 11,5 нм и не превышающих 116 нм (как и было замечено ранее, не было выявлено никаких скачков для проб частиц, превышающих 116 нм, и потому как раз, никакой информации в диаграмме о них не отражено). Наибольший объем, обозначенный на рисунке 2 также отражены суммарные концентрации всех первых восьми проб меньших 100 нм.
Таблица №1. Поразмерная и суммарная статистика за каждый период Рис. 3. Поразмерные концентрации мелкодисперсной пыли, выделяемой в процессе печати 3D принтеров двумя исследуемыми видами филамента: (a) поразмерные концентрации выбросов (115–116 нм) и (b) суммарные концентрации мелкодисперсной пыли (частиц, не превыщающих 100 нм в диаметре)
Просуммированные скорости потери частиц, зафиксированные на четвертом этапе ожидания рассеивания сгустков мелкодисперсной пыли, охватывают небольшой промежуток, начиная с 2,5 ч./мин. вплоть до 5,6 ч./мин. Общая суммарная скорость потери пыли составила приблизительно 3 ч./ч. Наибольшая неопределенность в потерях концентраций была связана предположительно с максимальными и минимальными значениями размеров проб частиц из-за относительно невысоких скачков концентраций в рассматриваемом периоде ожидания рассеивания пыли. Также на результаты повлияло хаотичное перемешивание воздушных масс, перемещение предметов в момент проведения экспериментов, возможно, было влияние и со стороны фильтров контрольно-измерительного HVAC-устройств. С другой стороны, на результаты при решении уравнений для нахождения значений концентраций эти факторы никоим образом не влияют.
Несколько недавних исследований также делали сообщения о поразмерном и суммарном концентрациях мелкодисперсной пыли, выделяющейся и из других предметов утвари и повседневной бытовой техники и электротехники, таких как принтеры, свечи, сигареты, утюги, батареи (печи), а также газовые и электрические плиты (например, Dennekamp, 2001, Wallace и другие, 2008, Afshari и другие, 2005, Buonanno и другие, 2009, He и другие, 2010). К сожалению, сравнить наши результаты напрямую с результатами проводившихся ранее исследований оказалось затруднительно, потому как они отличаются размерами минимума и максимума зафиксированных проб частиц, и, как следствие, общим суммарным значением частиц. С другой стороны, Buonanno и другие (2009) получили приблизительно такие же результаты выделений суммарного числа частиц при различных условиях. Однако, наши данные о выделении принтером, печатающим PLA-пластиком (1,8–2,0∙10 10 ч./мин.), были схожими с теми, что были зафиксированы при жарке на электрической плите (1,1–2,7∙10 10 ч./мин.). Такой же принтер, использовавший ABS-пластиком, являлся источником выделений, сопоставимыми с выделениями при жарке еды на газовой или электрической плите при низком огне (1,2-2,9∙10 10 ч./мин.), но примерно на порядок меньшими в сравнении с газовой или электрической плитой на высоких мощностях (1,2–3,4∙10 12 ч./мин.). Тем не менее, использовавшиеся в данном исследовании домашние 3D-принтеры признаны сильными очагами выделения мелкодисперсной пыли с концентрациями, превышающими отметку в 10 10 ч./ мин., если основываться на критериях, изложенных в исследованиях He и других (2007).
Часть 4. Пояснения
Мелкодисперсная пыль оказывает существенное влияние на здоровье человека, а именно, на состояние легких, альвеол (Hinds, 1999, Chalups и другие, 2004) и дыхательных путей. Осаждение подобных частиц в последних может вызвать сильные осложнения в мозге через обонятельный нерв (Oberdorster и другие, 2004). При значительных концентрациях мелкодисперсная пыль может скапливаться и образовывать сгустки новых более тяжелых соединений (Delfino и другие, 2005, Sioutas и другие, 2005). Несколько последних медицинских исследований говорят о том, что превышение норм мелкодисперсной пыли чревато тяжелыми последствиями для здоровья, включая частичный и полный отказ работоспособности жизненно важных органов (Stolzel и другие, 2007); сообщали о случаях срочной госпитализации при инсульте (Andersen и другие, 2010) и подозрении на астму (Peters и другие, 1997, Pentinnem и другие, 2001, Von Klot и другие, 2002). Как раз на основе этих данных в данном исследовании сделаны выводы об опасности, связанной с работой 3D принтеров внутри закрытых непроветриваемых и не оснащенных системой фильтрации комнат вследствие присутствия в помещении сильного очага выделения мелкодисперсной пыли.
Таблица №2. Поразмерные и суммарные значения концентраций в зависимости от вида используемого пластика
С другой стороны, у данного исследования существует одно серьезное допущение: в нем не рассматривалась химическая составляющая мелкодисперсной пыли, выделяемой при работе 3D-принтеров, а кроме того, не учитывалась конденсация синтетических органических летучих газов, выделяемых в процессе плавления термопластичного материала, которая также является важным фактором (Morawska и другие, 2009). В добавление к существенным различиям в объемах выбросов мелкодисперсной пыли при печати PLA и ABS пластиками, наравне с этим могут сильно различаться и параметры токсичности вследствие их разного химического строения. Как было уже сказано ранее, продукты термического разложения ABS-полимера могут вызвать отравление (Zitting и Savolainen, 1980, Schaper и другие, 1994); PLA-полимер биоразлагаем и даже используется в качестве систем наночастиц-наполнителей для лекарственных средств, вводимых in vivo (Anderson и Shive, 1997, Hans и Lowman, 2002).
Часть 5. Итоги
В данной работе мы публикуем первые измерения концентраций мелкодисперсной пыли, выделяемой при работе коммерчески доступными 3D-принтерами. Результаты исследований показали, что суммарные выделения частиц были сравнительно выше у принтеров, печатавших ABS пластиком, нежели PLA пластиком: 1,9∙10 11 ч./мин. в противовес 2,0∙10 10 ч./мин. С другой стороны, оба пластика можно охарактеризовать, как материалы, выделяющие при печати мелкодисперсную пыль при печати в высоких концентрациях. Это говорит о том, что использование недорогих 3D-принтеров в непроветриваемых или неоснащенных фильтрующими системами помещениях сопряжено с угрозой человеческому здоровью. В дополнение к этому хотелось бы отметить, что последующие исследования должны проводиться при высоком визуальном контроле рабочей зоны, чтобы более детально оценить воздушные выбросы большего ассортимента моделей 3D-принтеров и видов пластика.
Ссылка на использованную в исследованиях литературу [9].
В дальнейшем планируется перевод, относящийся к исследованиям выделения целого спектра химических летучих соединений с более широким диапазоном видов и марок филамента для 3D-печати. Благодарю за отзывы и комментарии!