Свойства пыли. Физико-химические свойства производственной пыли. Тема: «Гигиеническая оценка производственной пыли

Основные свойства промышленных пылей.

Для выбора аппаратов с целью эффективной очистки газа необходимо знать следующие основные свойства пыли, со­держащейся в технологических и вентиляционных газах: химический состав, плотность, угол естественного откоса, смачиваемость, удельное электрическое сопротивление, фор­му и структуру частиц, дисперсность, токсичность, воспла­меняемость и взрываемость, способность коагулировать.

Химический состав пыли. Он всегда характерен для данного производства или технологического процесса.

По химическому составу пыли судят о ее токсичности. Зная химический состав пыли, можно обоснованно выбрать мокрый или сухой способ очистки газа. Если пыль содер­жит компоненты, способные образовывать с водой или дру­гой жидкостью, подаваемой на орошение аппаратов, сое­динения, которые при оседании на стенках аппаратов и га­зоходов трудно удалять, применять мокрый способ очист­ки газов нельзя. При наличии в руде серы во время металлургических процессов в газ переходят ее оксиды, которые при мокром способе очистки образуют кислоты. В этом случае следует принимать меры по защите аппаратов и газоходов от коррозии и обеспечивать нейтрализацию шламовых вод. Поэтому для очистки таких газов целесооб­разнее применять сухой способ. При наличии в составе пы­ли оксидов кремния и аналогичных им соединений прини-мают меры по защите аппаратов и газоходов от механичес­кого истирания.

Воспламеняемость и взрывоопасность. Чем меньше раз­меры и пористее структура частиц, тем больше их удель­ная поверхность и выше физическая и химическая актив­ность пыли. Высокая химическая активность некоторых видов пыли является причиной ее взаимодействия с кисло­родом воздуха. Окисление частиц пыли сопровождается повышением температуры. Поэтому в местах скопления пыли возможны ее самовоспламенение и взрыв. Ввиду большой удельной поверхности возгонов и наличия в ряде случаев в их составе неокисленных металлов, углерода и серы возгоны более склонны к самовозгоранию. Взрыво­опасность пыли увеличивается с уменьшением ее зольности и влажности.

По степени пожаро- и взрывоопасности пыли делят на две группы и четыре класса. К группе А относят взрыво­опасные пыли с нижним концентрационным пределом взрываемости до 65 г/м 3 . Из них пыль с нижним пределом взрываемости до 15 г/м 3 относится к I классу, а остальные - ко II классу.

В группу Б входят пыли, имеющие нижний концентра­ционный предел выше 65 г/м 3 . Из них пыли, температура воспламенения которых до 250°С, относятся к III классу, а пыли, воспламеняющиеся при температуре выше 250 °С,- к IV классу.

Горючая пыль вследствие сильно развитой поверхности контакта частиц с кислородом воздуха способна к само­возгоранию и образованию врывчатых смесей с воздухом. Взрыв взвешенной в воздухе пыли - это резкое увеличение давления в результате очень быстрого сгорания ее частиц. Минимальные взрывоопасные концентрации взвешенной в воздухе пыли: 20 - 500 г/м 3 , максимальные - около 700 -8000 г/м 3 . Чем больше содержание кислорода в газо­вой смеси, тем вероятнее взрыв и больше его сила. При содержании ≤ 16% О 2 пылевое облако невзрываемо (на­пример, в смеси с СО 2 , водяными парами и т.д.).

Взрывоопасность пыли различных видов топлива зави­сит от содержания летучих, влажности, зольности, тонкос­ти помола, концентрации пыли в воздухе, температуры воздуха и пыли. Угли с содержанием компонентов менее 10 % невзрывоопасны. Пыль угля с выходом летучих более 30 % взрывоопасна при 65-70°С. Наиболее опасны кон­центрации угольной пыли в пределах от 300 до 600 г/м 3 .

Нижним и верхним пределами взрываемости пыли на­зывается соответственно наименьшая и наибольшая кон­центрации взвешенной в газах или воздухе пыли, при кото­рой возможен взрыв смеси. Нижние пределы взрываемос­ти для большинства пылей составляют 2,5-35 г/м 3 . Такие концентрации соответствуют весьма высокой запыленности воздуха, при которой трудно различать предметы на рас­стоянии нескольких метров.

Смачиваемость пыли. Характеризует ее способность смачиваться водой. Обычно ее выражают в процентах. Чем меньше размер частиц пыли, тем меньше их способность смачиваться. В частности, возгоны плохо смачиваются во­дой. Смачиванию препятствует газовая оболочка, образую­щаяся вокруг мелких частиц пыли. Чем крупнее частицы пыли и чем округлее их форма, тем слабее силы, удерживающие газовую оболочку вокруг поверхности частиц и, следовательно, тем больше их способность смачиваться. Смачиваемость пыли зависит и от ее химического состава. Смоченные частицы лучше отделяются от газа в аппаратах газоочистки. Смачиваемость определяется путем измерения доли смоченного и погрузившегося на дно сосуда порошка, насыпанного тонким слоем на поверхность воды.

Пыли по смачиваемости разделяют на три группы: гидрофобная (плохо смачиваемая, менее 30 %), умеренно смачиваемая (30-80 %), гидрофильная (хорошо смачиваемая, 80-100 %). В зависимости от химического состава некото­рые пыли при смачивании водой схватываются (цементиру­ются, затвердевают). Такие пыли при оседании на стенки аппаратов и газоходов, образуют трудно удаляемые отло­жения, которые уменьшают сечение для прохода газа и ухудшают условия газоочистки.

Плотность пыли. Различают истинную плотность на­сыпной массы. Истинная плотность пыли обусловлена хи­мическим составом материала, из которого она образована, и измеряется отношением массы пыли к занимаемому ею объему. В некоторых случаях внутри частиц пыли могут быть поры и пустоты. Величина пор и пустот зависит от формы и размера частиц. Плотность такой пыли называют кажущейся. Она будет несколько меньше истинной плот­ности, так как газ, находящийся в порах, весит мень­ше, чем пыль. На практике эти поры, как правило, не учитывают и считают кажущуюся плотность равной ис­тинной.

В процессе очистки уловленная пыль собирается в оп­ределенную емкость и образует насыпную массу. Плотность насыпной массы в отличие от истинной плотности учитыва­ет наличие воздушных зазоров между отдельными частица­ми пыли и изменяется в зависимости от способа заполнения (уплотнения) пыли в заданном объеме. Величиной насып­ной плотности пользуются для определения объема, кото­рый занимает пыль в бункерах. Чем меньше размеры час­тиц пыли, тем меньше поверхность их соприкосновения и больше количество пустот между отдельными пылинками в насыпной массе, а следовательно, меньше насыпная плот­ность по сравнению с истинной. Для крупной пыли насып­ная плотность примерно в 2,5 раза меньше истинной плот­ности, а для мелкой пыли - в 20 раз.

Угол естественного откоса пыли представляет собой угол обрушения пыли в процессе или после наполнения пылью бункеров аппаратов газоочистки или других емкостей. Его отсчитывают между горизонтальной плоскостью и образующей конуса, получаемого при насыпании пробы пыли на плоскость. По углу естественного откоса пыли делают угол наклона бункеров пылеуловителей.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) представляет собой сопротивление образца пыли в форме куба с гранями 1 м прохождению электрического тока (Ом·м). Величина УЭС слоя пыли на электродах электро­фильтра является одним из важных факторов, влияющих на эффективность работы сухих электрофильтров.

Все пыли по УЭС разде­ляют на три группы.

Частицы пыли, имеющие УЭС меньше 10 4 Ом-м (1-я группа), легко разряжаются и, приобретая одноименный с осадительными электродами заряд, отрываются от по­верхности и попадают в газовый поток, способствуя увели­чению вторичного уноса. Примером такой пыли могут слу­жить частицы недогоревшего топлива (недожог) в дымо­вых газах котельных агрегатов, плохо улавливаемые в электрофильтрах. Такие пыли предпочтительнее улавливать в рукавных фильтрах.

Частицы пыли с удельным сопротивлением 10 4 - 10 10 Ом-м (2-я группа) удовлетворительно улавливают­ся в электрофильтрах. При осаждении на электроде эти пыли разряжаются не сразу, а через некоторое время, до­статочное для накопления слоя и формирования из мелких осажденных частиц агломератов под действием электричес­ких и аутогезионных сил. Размер агломератов обычно та­ков, что основная часть пыли при встряхивании электродов: попадает в бункер электрофильтра и только небольшое количество уносится газовым потоком, образуя вторичный унос. К таким пылям можно отнести огарковую (при про­изводстве серной кислоты в печах с кипящим слоем) и це­ментную пыль (при производстве цемента мокрым спо­собом).

При УЭС пыли выше 10 10 Ом-м (3-я группа) возника­ют наибольшие трудности, нарушающие протекание процесса электрической фильтрации. Возникает обратная ко­рона.

Обратная корона на осадительном электроде возникает в результате того, что разность потенциалов (напряжений) между поверхностью слоя и поверхностью осадительного электрода превышает пробивное напряжение слоя, и в его порах возникает тлеющий разряд, внешне напоминающий коронный, направленный от острых кромок, расположенных у трещин в пылевом слое, к коронирующему электроду.

В условиях обратного коронного разряда уменьшается пробивное (рабочее) напряжение, вследствие чего резко снижается эффективность работы электрофильтра, в ре­зультате чего увеличивается пылевынос.

Дисперсность пыли. Размер частиц пыли является од­ной из основных характеристик, определяющих выбор типа аппарата или системы аппаратов для очистки газа. Круп­ная пыль лучше, чем мелкая, оседает из газового потока и может быть уловлена в аппарате простейшего типа. Для очистки газа от мелкой пыли зачастую требуется не один, а несколько аппаратов, установленных последовательно по ходу газа. Под дисперсностью пыли понимают совокуп­ность размеров всех составляющих ее частиц.

Одной из классификаций пыли по размерам служит ее разделение на крупную пыль (размером более 10 мкм) и мелкую (размером менее 10 мкм). Возгоны содержат ча­стицы в основном размером менее 1 мкм. Пыль, образован­ная в результате механических операций (дробления, транспортировки и т.п.), обычно имеет размеры более 5- 50 мкм. В любых технологических газах металлургическо­го производства в зависимости от его физико-химических характеристик содержится пыль самого разнообразного дисперсного состава.

Токсичность пыли. Глубина проникновения частиц пы­ли в органы дыхания человека зависит от величины частиц. Особенно опасны в этом отношении туманы. Токсичность пыли зависит от их материала, из которого она образована (например, свинца, мышьяка, ртути и др.).

Главную опасность для человека представляет пребы­вание в сильно запыленной среде, при котором значитель­ное количество пыли попадает в организм. При этом созда­ются условия для длительного контакта относительно большой массы пыли со слизистой поверхностью дыхатель­ных путей, которая наиболее восприимчива к ее действию. Большое значение имеет размер пылинок, так как, чем мельче частицы пыли, тем глубже они проникают в дыха­тельную систему. Если относительно крупные пылинки при вдыхании в большой степени задерживаются в верхних дыхательных путях и постепенно удаляются оттуда со сли­зью, то мелкая пыль, как правило, проходит в легкие и осе­дает там на длительный срок, вызывая поражение легоч­ной ткани. Следовательно, высокодисперсная пыль представ­ляет большую опасность, чем крупная. Пылинки могут проникнуть в поры потовых и сальных желез, закупоривая их и затрудняя функции этих желез. Попавшие вместе с пылью микробы в закупоренных про­токах сальных желез могут развиваться, вызывая гнойнич­ковые заболевания кожи - пиодермию. Закупорка потовых желез пылью в условиях горячего цеха вызывает уменьше­ние потоотделения, что затрудняет терморегуляцию.

Нетоксичные пыли, находясь в легких длительное вре­мя постепенно вызывают разрастание вокруг каждой пы­линки соединительной ткани, которая не способна воспри­нимать кислород из вдыхаемого воздуха, насыщаться кро­вью и выделять углекислоту, как это делает легочная ткань. Этот процесс разрастания соединительной ткани протекает медленно, как правило, годами. При длительной работе в условиях высокой запыленности, разрастаясь, соедини­тельная ткань постепенно замещает легочную, снижая та­ким образом основную функцию легких - усвоение кисло­рода и выделение углекислоты.

Методы и аппаратура для определения дисперсного состава пылей (аэрозолей)

Свойства аэрозолей и способы их улавливания определяются, главным образом, концентрацией и размерами частиц дисперсной фазы.

Фотоэлектрический счетчик аэрозольных частиц типа АЗ – 5 выпускается в системе радиоэлектронной промышленности.

Действие прибора основано на том, что каждая аэрозольная частица в оптическом датчике генерирует электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна диаметру фиксируемой частицы. Прибор позволяет определить счетную концентрацию аэрозолей в пределах от 1 до 300 тыс. частиц в 1 л исследуемого воздуха.

Продолжительность единичного измерения не превышает 1 мни. Объемная скорость просасывания воздуха 1,2 л/мин. Прибор позволяет также судить о дисперсном составе частиц и пределах 0,4-10 мкм. Погрешность определения счетной концентрации аэрозоля не превышает ±20% по отношению к эталонному прибору, на пре­деле 0,7 мкм. Прибор включают в сеть переменного тока напряже­нием 220±10 В или к источнику постоянного тока напряжением 12 В. Масса прибора-не более 8,5 кг.

В практике пылеулавливания дисперсный состав пылен в долях от массы определяют методом воздушной сепарации или седиментационным способом, пользуясь приборами собственной конструкция и изготовления. Методы определения дисперсного состава аэрозолей основаны на законе Стокса - наиболее универсальном законе дви­жения тел в вязкой среде.

Плотность вещества аэрозольных частиц, как правило, колеб­лется в пределах 1-4 г/см 3 , что в несколько тысяч раз превосходит плотность воздуха. Несмотря на такое различие в плотностях среды и частицы, высокодисперсные аэрозоли отличаются сравнительной устойчивостью в поле тяготения, обусловленной большой удельной поверхностью частиц.

К группе прямых методов определения гранулометрического со­става порошкообразных материалов относится ситовой анализ. Ме­рилом крупности частиц в этом случае является размер ячейки сита. Сито представляет собой обечайку с днищем из металлической сет­ки. Обечайки могут плотно вставляться одна в другую, образуя набор сит с уменьшающимися сверху вниз размерами ячеек. Набор заканчивается поддоном а сверху плотно закрывается крышкой.

Ситовой анализ сводится к просеиванию определенной навески порошкообразного материала через набор сит и раздельному взве­шиванию остатка на каждом сите, а также взвешиванию фракции на поддоне. Относя навеску к весу исходной пробы, определяют про­центное содержание каждой фракции.

Для комплектования набора сит используют металлические сет­ки, изготовленные согласно ГОСТ 3584-73 (сетки проволочные, тканые, с квадратными ячейками и высокой точности).

Для выполнения ситового анализа применяют различные встряхивающие устройства, действующие по заданному режиму. Продол­жительность просеивания устанавливают опытным путем приме­нительно ккаждому виду исследуемого порошкообразного мате­риала.

При определении дисперсного состава пылей в широком диапа­зоне исследуют фракцию пыли, прошедшую через сито с наимень­шими размерами ячеек (т. е. собранную на поддоне), и анализируют, применяя более тонкие методы фракционирования. При иссле­довании промышленных пылей наибольшее распространение полу­чили седиментометрическнй метод в жидких средах и способ воз­душной сепарации.

Седиментометрический анализ в жидкой среде основан на зако­не Стокса и позволяет разделять фракции от 2 - 3 до 63 мкм (при объемных весах вещества 2-3 г/см 3). Из многочисленных вариантов аппаратуры для седиментометрического анализа получил практичес­кое применение прибор с подъемной пипеткой, изготавливаемый экс­периментальными мастерскими Ленинградского института охраны труда ВЦСПС.

Для выполнения на приборе двух параллельных определений дисперсного состава требуется 5-10 г пыли. Продолжительность седиментации при анализе относительно высокодисперсных пылей достигает 5 - 6 ч, не считая затрат времени на многочисленные под­готовительные операции. Недостатком седпментометрического спо­соба является то, что для каждого ранее не изученного вида пыли необходимо подбирать подходящую жидкую среду, инертную по отношению к исследуемой дисперсной фазе

Широкое распространение нашел также метод центробежной воздушной сепарации . Этот принцип положен в основу конструкции воздушной центрифуги «Бако», выпускаемой фирмой “NEU” (Франция) и позволяющей разделять навеску исследуемой пыли около 10 г на восемь фракций в пределах от 1-2 до 60 мкм в те­чение примерно 2 ч.

Для устранения погрешностей, связанных с возможным изме­нением дисперсного состава пыли при накоплении навески и при повторном ее диспергировании в жидкой пли газовой фазах, пред­ложены методы и аппаратура для разделения пыли на фракции не­посредственно в процессе отбора пробы.

К этой группе приборов относятся: ротационный анализатор дисперсности пыли РАД-1; импактор конструкции физико-химиче­ского института им. Карпова; струйный сепаратор (импактор) НИИОГАЗ.

Пыль характеризуется совокупностью свойств, определяющих поведение ее в воздухе, превращение, превращение и действие на организм человека. Из различных свойств пыли наибольшее значение имеют химический состав, растворимость, дисперсность, взрывоопасность, форма частиц, электрозаряженность, адсорбционные свойства.

Химический состав пыли . В зависимости от состава пыль может оказывать на организм фиброгенное, раздражающее, токсическое, аллергическое действие.

Пыль некоторых веществ и материалов (стекловолокна, слюды, и др.) оказывает раздражающее действие на верхние дыхательные пути, слизистую оболочку глаз и кожи.

Пыль токсичных веществ (свинца, хрома, бериллия и др.), попадая через легкие в организм человека, оказывает характерное для них токсическое действие в зависимости от их физико-химических свойств.

Фиброгенным называют такое действие пыли, при котором в легких происходит разрастание соединительной ткани, разрушающее нормальное строение и функции органа.

Очень высокой фиброгенной активностью обладает диоксид кремния или кремнезем. После кислорода кремний является наиболее распространенным элементом на земле.

Растворимость пыли , зависящая от ее химического состава, может иметь как положительное, так и отрицательное гигиеническое значение. Если пыль не токсична, как, например, сахарная, то хорошая растворяемость такой пыли - благоприятный фактор, который способствует быстрому удалению ее из легких. В случае токсичной пыли (никеля, бериллия)хорошая растворимость сказывается отрицательно, так как в этом случае токсичные вещества попадают в кровь и приводят к быстрому развитию отравления.

Нерастворимая, в частности, волокнистая пыль надолго задерживается слизистой оболочкой дыхательных путей, нередко приводя к патологическому состоянию.

Дисперсность пыли имеет большое гигиеническое значение, так как от размера пылевых частиц зависит длительность пребывания пыли в воздухе и характер воздействия на органы дыхания. В легкие при вдыхании проникает пыль размером от 0,2 до 5 мкм. Более крупные пылинки задерживаются слизистой оболочкой верхних дыхательных путей, а более мелкие - выдыхаются. От величины частиц зависит степень фиброгенного действия пыли. С повышением дисперсности степень биологической агрессивности пыли увеличивается до определенного предела, а затем уменьшается. Наибольшей фиброгенной активностью обладают аэрозоли дезинтеграции с размером пылинок от 1…2 до 5 мкм и аэрозоли конденсации с частицами менее 0,3…0,4 мкм.

Взрывоопасность пыли является важнейшим свойством некоторых пылей. Пылевые частицы, сорбируя кислород воздуха, становятся легко воспламеняющимися при наличии источников зажигания. Известны взрывы каменноугольной, сахарной и мучной пыли. Способностью взрываться и воспламеняться при наличии источника зажигания обладают также крахмал, сажевая, алюминиевая, цинковая и некоторые другие виды пылей.

Для различны пылей взрывоопасная концентрация вещества неодинакова. Для пыли крахмальной, алюминиевой и серной минимальной взрывоопасной концентрацией является 7 г/мі воздуха, для сахарной - 10,3 г/мі .

Кроме того значительные концентрации пыли в воздухе снижают видимость вследствие поглощения светового потока плотными частицами и рассеяния света.

Форма пылинок влияет на устойчивость аэрозоля в воздухе и поведение в организме. Форма пылевых частиц, образующихся в производственных условиях, может быть различной: сферической, плоской, волокнистой, оскольчатой, игольчатой и др.

При образовании аэрозолей конденсации пылинки большей частью имеют округлую форму, а в составе аэрозолей дезинтеграции - неправильную многоугольную форму. Частицы сферической формы быстрее выпадают из воздуха, но и легче проникают в легочную ткань. Пылевые частицы слюды, имеющие пластинчатую форму, могут длительно витать в воздухе, даже если размер их равен 50 мкм и более. Нитевидные частицы асбеста, хлопка, пеньки и др. практически не оседают из воздуха, даже если длина их превышает сотни и тысячи микрон. Пылинки стекловолокна, асбеста и др., имеющие острые края, попадая на слизистые оболочки верхних дыхательных путей, глаз и кожу, могут оказывать травмирующее и раздражающее действие.

Электрозаряженность пылевых частиц влияет на устойчивость аэрозоля и его биологическую активность. В момент образования пыли (бурение, дробление, измельчение твердых веществ) большинство частиц (85 - 95%) приобретает электрический заряд обоих знаков - положительный и отрицательный. Часть пыли заряжается за счет адсорбции ионов из воздуха, а также в результате трения частиц в пылевом потоке. Величина наведенных зарядов различна и зависит от размеров, условий образования и массы частиц. Наличие разноименно заряженных частиц пыли приводит к укрупнению и выпадению частиц пыли из воздуха. Установлено, что пылинки, несущие электрический заряд, несколько дольше задерживаются в организме. Аэрозоли дезинтеграции имеют большую величину заряда, чем аэрозоли конденсации.

Адсорбционные свойства пыли находятся в зависимости от дисперсности и суммарной поверхности. Чем меньше раздроблено вещество, тем больше его суммарная поверхность и адсорбционная активность.

Производственная пыль

В настоящее время борьба с пылью, которая является наиболее распространенным неблагоприятным фактором производственной среды, представляется чрезвычайно актуальной проблемой, стоящей перед медициной труда в целом и, в том числе, гигиенической наукой. Огромное число технологических процессов и операций в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве сопровождаются образованием и выделением пыли, а ее воздействию подвергаются большие контингенты работающих.

Характеристика пыли

Знание происхождения и условий образования производственной пыли, ее физико-химических свойств и особенностей действия на организм человека имеют важное значение не только в оздоровлении условий труда работающих контингентов, но и в последующей диагностике и лечении заболеваний органов дыхания, а также разработке комплексных инженерно-технических и санитарно-гигиенических профилактических мероприятий.

Пыль - это взвешенные в воздухе, медленно оседающие твердые частицы, размерами от нескольких десятков до долей мкм. Пыль представляет собой аэрозоль, т.е. дисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой - воздух.

Наиболее широко используется классификация пыли по способу образования, по происхождению, дисперсности и характеру действия (Таблица № 18).

Таблица № 18. Классификация аэрозолей

Аэрозоль дезинтеграции образуется в результате механического измельчения твердых материалов при взрыве, дроблении, помоле; аэрозоль конденсации образуется при возгонке твердых веществ при использовании электрогазосварки, газорезки, плавки металла и др., вследствие охлаждения и конденсации паров металлов и неметаллов.

Органическая пыль может быть животного или растительного происхождения (шерстяная, комбикормовая, костяная, древесная, хлопковая, льняная и др.); неорганическая пыль может быть минеральной и металлической (кварцевая, силикатная, цементная, цинковая, железная, медная, свинцовая и др.); смешанная пыль широко встречается в металлургической, горнодобывающей и химической промышленности; искусственная пыль (пыль резины, смол, красителей, пластмасс и др.) характерна для предприятий нефтехимической, лакокрасочной и других видов промышленного производства.

Первостепенное значение для гигиенической характеристики производственной пыли имеет размер частиц или степень дисперсности аэрозолей, определяющих не только скорость оседания пыли, но и ее задержку и глубину проникновения в органы дыхания. По дисперсности пыль разделяется на мелкодисперсную и ультрамикроскопическую (размер частиц пыли до 0,25 мкм); среднедисперсную или микроскопическую (размер от 0,25 до 10 мкм); крупнодисперсную (размером свыше 10 мкм).

Физические, физико-химические и химические свойства пыли во многом определяют характер ее токсического, раздражающего и фиброгенного действия на организм человека. Основную роль в характере общетоксического и специфического действия пыли играют не только ее концентрация в воздухе рабочей зоны или атмосферном воздухе, но и плотность и форма частиц пыли, ее адсорбционные свойства, растворимость частиц пыли и электрозаряженность.

Производственные аэрозоли, по своему повреждающему результирующему воздействию, можно разделить на аэрозоли преимущественно фиброгенного действия (АПФД) и аэрозоли, обладающие преимущественно общетоксическим, раздражающим, канцерогенным и мутагенным действием. Согласно классификации (1996 г.), в зависимости от пневмофиброгенной активности пыли, пневмокониозы разделены на три группы: пневмокониозы от воздействия высокофиброгенной и умереннофиброгенной пыли; пневмокониозы от воздействия слабофиброгенной пыли; пневмокониозы, обусловленные воздействием аэрозолей токсикоаллергенного действия.

Влияние пыли на организм

Экспериментальными и клиническими наблюдениями получено огромное количество научных данных, касающихся патогенеза действия пыли на живой организм. Существует несколько теорий механизма действия пыли - механическая, токсико-химическая, «коллоидная», биологическая и ряд других. В основе этих теорий лежит то, что ведущую роль в развитии пылевых заболеваний легких играют макрофаги, фагоцитирующие пылевые частицы, содержащие свободную двуокись кремния (SiO2).

Двустадийность механизмов развития пылевой патологии заключается в повреждении пылевыми частицами фагоцитирующих клеточных элементов и, в последующем, токсическом действии продуктов жизнедеятельности и разрушения макрофагов на легочную ткань.

Клинико-морфологическими исследованиями доказано, что фиброгенная пыль способна вызывать в органах дыхания заболевания со стороны верхних дыхательных путей, формирование узелковых и диффузно-склеротических форм легочного пылевого фиброза - пневмокониоза и хронического бронхита.

Согласно этиологического признака, выделены следующие формы пневмокониоза: силикоз, развивающийся вследствие вдыхания пыли, содержащей свободный диоксид кремния; силикатозы, возникающие при попадании в легкие пыли, в которых двуокись кремния находится в связанном состоянии с другими соединениями (асбестоз, талькоз, поливиноз, неференоз и др.); карбокониозы, обусловленные воздействием углеродсодержащих видов пыли (каменного угля, кокса, сажи, графита); металлокониозы, развивающие под воздействием пыли металлов и их окислов (бериллиоз, сидероз, алюминоз, баритоз, станиоз и др.); пневмокониозы, развивающиеся вследствие вдыхания органической пыли животного, растительного и синтетического происхождения (биссиноз, багасоз, микоз и др.); пневмокониозы, обусловленные воздействием смешанной пыли, содержащей свободную двуокись кремния (антракосиликоз, сидеросиликоз, силико-силикатоз) и не содержащие ее или с незначительным содержанием.

Механизмы патологических реакций, развивающиеся в организме при воздействии пыли металлов, смешанной и органической пыли, имеют ряд особенностей. Так, при вдыхании пыли металлов, обладающих токсическими свойствами, параллельно развитию фиброза в легочной ткани, выявляются симптомы хронической интоксикации. Пневмокониозы, возникшие при влиянии смешанной пыли, характеризуются преимущественно интерстициальными изменениями со стороны легочной ткани, возможно развитие узелковых форм фиброза.

Пневмокониозы, возникшие при воздействии органической пыли, отличаются умеренно выраженным легочным фиброзом, сочетающимся с аллергическими, бронхоспастическими и воспалительными изменениями бронхо-легочной системы. Следует отметить более легкое клиническое течение указанных выше форм пневмокониозов, чем при силикозе.

Кроме силикоза и пневмокониозов, под воздействием промышленной пыли могут развиваться хронические бронхиты, пневмонии, астматические риниты и бронхиальная астма. Отдельные виды фиброгенной пыли могут приводить к развитию злокачественных новообразований. Так, длительное вдыхание пыли асбеста сопровождается не только развитием пылевого фиброза (асбестоза), но и развитием опухоли плевры (мезателиомы) и рака бронхов. Раздражающее, сенсибилизирующее и фотодинамическое действие пыли приводит к развитию аллергических дерматитов, экземы, фолликулитов.

Пыль может оказывать влияние на орган зрения и приводить к воспалительным процессам в конъюнктиве (конъюнктивиты), а в некоторых случаях и к развитию катаракты.

Неблагоприятные микроклиматические условия, воздействие ряда биологических и физических факторов производственной среды способны потенцировать неблагоприятное влияние пылевого фактора на организм и приводить к развитию заболеваний со стороны органов дыхания.

Гигиеническое нормирование пыли. Методическими указаниями «Измерение концентраций аэрозолей преимущественно фиброгенного действия» № 4436-87 регламентировано измерение концентраций производственной пыли, гигиенические нормативы содержания которой установлены по гравиметрическим (весовым) показателям, выраженным в миллиграммах на кубический метр (мг/м).

Для аэрозолей преимущественно фиброгенного действия, содержащих свободную двуокись кремния, гигиенический регламент (ПДК) для воздуха рабочей зоны составляет - 1 мг/м (при содержании SiO2 10% и более) и 2 мг/м3 (при содержании SiO2 менее 10%). Для других видов пыли ПДК в воздухе рабочей зоны установлены от 2 до 10 мг/м3. Для пыли, содержащей природный асбест, средне-сменная концентрация составляет 0,5 мг/м, а максимально разовая концентрация -2.0 мг/м. В настоящее время утверждены предельно допустимые концентрации для более 100 видов пыли, оказывающих фиброгенное действие.

Наиболее важные физические и химические свойства пылей обуславливаются их дисперсностью, формой частиц, способностью к растворению и химическим составом.

Для гигиенической оценки пыли наиболее важным признаком является ее дисперсность . С размерами пылевых частиц связаны длительность пребывания их во взвешенном состоянии в воздухе, глубина проникновения в дыхательные пути, физико-химическая активность и другие свойства.

Наиболее важные свойства пыли обуславливаются непосредственно их дисперсностью, формой частиц, хорошоей способностью к растворению и уникальным химическим составом. Для оценки пыли с гигиенической стороны наиболее важным признаком является ни что иное как дисперсность. С небольшими размерами пылевых частиц связана высокая длительность пребывания их в воздухе во взвешенном состоянии.

Химический состав пыли

В зависимости от состава пыль может оказывать на организм фиборгенное, раздражающее, токсическое, аллергенное действие. Первостепенное значение для развития пылевых заболеваний легких имеет минералогический состав пыли, особенно содержание в пыли диоксида кремния.

Фиброгенные свойства кремния зависят от структуры кристаллической решетки: наиболее агрессивными являются получаемые в результате нагрева, конденсации и перекристаллизации двуокиси кремния - тридимит, кристобалит. Меньшей, но достаточно высокой фиброгенностью обладает кристаллический кремнезем. Аморфный диоксид кремния с разрушенной кристаллической решеткой менее фиброгенен.

Химическая активность зависит от общей площади поверхности пылинок. Обожженные продукты - керамзит, вермикулит, перлит и др. благодаря увеличенной общей поверхности обладают более выраженным фиброгенным действием на легочную ткань, чем сырые, идущие на их изготовление. Иногда незначительная примесь какого-либо химического агрессивного соединения изменяет направленность и силу действия пыли. Например, наличие шестивалентного хрома в цементах до 0,001% усиливает аллергенные свойства пыли .

Растворимость пыли, зависящая от ее химического состава, имеет определенное гигиеническое значение. Некоторые пыли, например сахарная, быстро растворяясь в организме, не оказывают на него вредного действия. Нерастворимая, в частности, волокнистая пыль надолго задерживается в воздухоносных путях, нередко приводя к развитию патологического состояния. Хорошая растворимость токсических пылей способствует быстрому развитию явлений отравления.

Вредное действие пыли зависит от степени отклонения ее рН реакции от рН слизистой оболочки дыхательных путей, которая колеблется от 6,8 до 7,4. Изменения реакции в ту или другую сторону оказывает неблагоприятное действие на работу мерцательного эпителия, затрудняя процессы элиминации.

Дисперсность пыли

Как система, состоящая из частиц, взвешенных в газе, аэрозоли характеризуются степенью дисперсности, т. е. размером частиц дисперсной фазы. Дисперсность производственной пыли имеет большое гигиеническое значение, так как от размера пылевых частиц, их удельного веса и формы зависит длительность пребывания пыли в воздухе и характер воздействия на органы дыхания.

В зависимости от дисперсности различают видимую, пыль размером более 10 мкм, микроскопическую - размером от 0,25 до 10 мкм, ультрамикроскопическую - менее 0,25 мкм.

Дисперсность аэрозолей определяет скорость оседания частиц во внешней среде. Мельчайшие частицы размером 0,01 - 0,1 мкм могут находиться в воздухе длительное время в состоянии броуновского движения. Более крупные оседают из воздуха со скоростью, обусловленной их размером и удельным весом. Скорость оседания крупных частиц определяется законом Ньютона (с ускорением силы тяжести.), мелких - от 0,1 до 100 мкм законом Стокса (с ускорением свободного падения).

В производственных условиях вследствие конвекционных токов, работы машин, вентиляционных установок воздух находится в подвижном состоянии, что мешает выпадению мельчайших частиц.

Размеры аэрозолей дезинтеграции зависят от твердости исходного вещества. Чем тверже вещество, подлежащее дезинтеграции, тем выше степень дисперсности и больше частиц в единице объема аэрозолей. Аэрозоли дезинтеграции малого диаметра и пылинки волокнистой формы быстрее укрупняются при наличии в воздухе водяных аэрозолей.

Аэрозоли конденсации образующиеся при металлургических процессах, при выплавке ферросплавов, конверторном переделе чугуна, выплавке стали легче подвергаются флоккуляции и оседанию конгломератов, чем аэрозоли дезинтеграции. Почти все частицы пыли окиси магния состоят из конгломератов, в то время как частицы кварцевой пыли даже мельчайших размеров конгломератов почти не образуют. Увлажнение воздуха путем распыления влаги способствует флоккуляции. В закрытых помещениях со временем происходит полное выпадение частиц.

Производственная пыль, как правило, полидисперсная, т. е. в воздухе встречаются одновременно пылевые частицы различных размеров. В любом образце пыли обычно число мелких пылевых частиц больше, чем крупных. В большинстве случаев до 60 - 80% частиц пыли имеют диаметр до 2 мкм, 10 - 20% - от 2 до 5 мкм и до 10% - свыше 10 мкм. Однако общий вес пылевых частиц от 2 мкм весьма незначителен и, как правило, не превышает 1 - 3% веса всего образца пыли. От степени дисперсности зависит общий процент задержки пылевых частиц в органах дыхания, а также уровень, на котором они оседают в дыхательных путях.

В легкие при дыхании проникает пыль, размером от 0,2 до 5 мкм. Более крупные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях.

По мере уменьшения размеров частиц возрастает степень задержки их в глубоких отделах легких. Выведение пыли также зависит от размеров частиц. Крупные частицы удаляются из организма под влиянием мерцательных движений ресничек и слизи.

Дисперсность частиц имеет значение не только для элиминации пыли из легких. От величины частиц зависит, степень фиброгенного действия пыли. С повышением дисперсности степень биологической агрессивности пыли увеличивается до определенного проделала, а затем уменьшается. Наибольшей фиброгенной активностью обладают аэрозоли дезинтеграции с размером пылинок от 1 – 2 до 5 мкм и аэрозоли конденсации с частицами менее 0,3 – 0,4 мкм. В этиологии пылевых бронхитов наименее активны пылевые частицы свыше 5 мкм. Уменьшение фиброгенности аэрозоля конденсации двуокиси кремния с размером частиц 0,05 мкм и менее объясняется тем, что скорость выведения его из легких опережает темпы проявления цитотоксичности.

Исследованиями Е. В. Хухриной показано, что степень фиброгенной опасности пыли зависит от ее массы, поступившей в организм, и от дисперсности. При неодинаковой массе пыли и различной дисперсности наиболее опасна пыль с преобладанием пылевых частиц размером 1 – 2 мкм.

По-видимому, большая площадь соприкосновения мелких пылевых частиц с тканью легкого и большие их количества обусловливают более выраженную ответную реакцию организма.

С повышением дисперсности пыли увеличивается поверхность частиц (отношение поверхности частиц к их массе), повышается ее химическая активность и сорбционная способность. Пылевые частицы сорбируют своей поверхностью газы, пары, радиоактивные вещества, ионы, свободные радикалы и др. Так, пыль доменного газа сорбирует оксид углерода, угольная пыль – молекулы газов СО2, СО, метана. Вдыxaниe с пылью токсических веществ усиливает вредное действие пыли. Действие пыли на организм усиливается благодаря адсорбции на ней свободных радикалов, обладающих способностью к цепным реакциям и весьма высокой химической активностью. Свободные радикалы образуются при процессах горения, под действием радиоактивных излучений и в результате фотохимического действия света. Пылинки сорбируют из воздуха ионы, что уменьшает отрицательную ионизацию воздуха.

Важным свойством пылей является их воспламеняемость и взрывоопасность. Пылевые частицы, сорбируя кислород воздуха, становятся легко воспламеняющимися при наличии источников огня. Известны взрывы каменноугольной, пробковой, сахарной, мучной пыли. Способностью взрываться и воспламеняться при наличии открытого огня обладают также крахмальная, сажевая, алюминиевая, цинковая и некоторые другие виды пылей. Для того чтобы произошел взрыв и воспламенение, требуется образование пылевого облака достаточной концентрации и наличие открытого источника огня. Образование пылевого облака может происходить постепенно в результате накопления пыли в воздухе из источника образования пыли и поднятия осевшей пыли. В связи с этим на объектах, где возможно образование взрывоопасной и воспламеняющейся пыли, необходимо следить за своевременным удалением ее с оборудования, ограждений, пола, перекрытий и т. д. Для различных пылей взрывоопасная концентрация вещества неодинакова. Для пыли крахмальной, алюминиевой и серной минимальной взрывоопасной концентрацией является 7 г/м3 воздуха, для сахарной - 10,3 г/м3.

Значительные концентрации пыли снижают видимость вследствие поглощения светового потока плотными частицами и рассеяния света.

Форма пылинок влияет на поведение в воздухе, при этом частицы неправильной формы (аэрозоли дезинтеграции) способны более длительное время сохраняться в воздухе.

Аэрозоли конденсации металлов со значительным удельным весом, имеющие форму, близкую к шару или кубу, легко оседают из воздуха, если размер их (по диаметру или стороне) превышает 5 – 10 мкм. Частицы круглой формы не только быстрее оседают, но и легче проникают в легочную ткань. От размеров формы частиц зависит реакция организма, например возникновение литейной лихорадки в производстве цинка. Частицы пыли угля продолговатой формы дольше удерживаются в воздухе, даже если размер их равен 20 мкм. Пылевые частицы слюды, имеющие пластинчатую форму, и пыль стеклянного волокна, имеющая игольчатую форму, могут длительно витать в воздухе, даже если размер их равен 50 мкм и более. Нитевидные частицы асбеста, хлопка, пеньки и др. практически не оседают из воздуха, даже если длина их превышает сотни и тысячи микрон. Пыль хлопка, льна, асбеста, слюды, угля раздражает слизистые оболочки верхних дыхательных путей; волокнистые пыли плохо фагоцитируются. Игольчатая пыль стекловолокна раздражает кожу, вызывает зуд. Форма и консистенция теряют свое значение при высокой дисперсности пыли.

Гигиеническое значение промышленных аэрозолей с твердой фазой обусловливается их физическими и химическими свойствами, из которых наиболее важными являются дисперсность, форма частиц, их консистенция, электрический заряд, растворимость, химический состав. С некоторыми из указанных свойств связана взрывчатость пыли.

Для гигиенической оценки пыли важным признаком является степень дисперсности ее, или размеры пылевых частиц, так как с этим связана как длительность пребывания взвешенной пылевой частицы в воздушной среде, так и глубина проникновения в дыхательные пути, патогенность и физико-химическая активность, электрозаряд частиц и другие свойства.

Дисперсность и поведение пылевых частиц в воздухе . Микроскопические частицы размером от 200 до 0,1 мк, как и все прочие тела, подчиняются закону тяготения. Но вследствие относительно большой поверхности на единицу массы они испытывают большое сопротивление воздуха и поэтому не оседают с постоянной скоростью по закону Стокса. В начале падения сила тяжести уравновешивает сопротивление воздуха, дальнейшее увеличение скорости падения вследствие этого прекращается и микроскопическая частица оседает с постоянной незначительной скоростью, измеряемой сантиметрами или миллиметрами в час. Сопротивление воздуха при движении в нем частицы изменяется в зависимости от ее размеров и формы, скорости ее оседания и подвижности воздуха.

Скорость падения кварцевой частицы в неподвижном воздухе в зависимости от размеров показана в табл. 33.

Как видно из табл. 33, в неподвижном воздухе кварцевые частицы диаметром 10 мк оседают медленно, а частицы менее 0,1 мк практически не оседают и находятся в постоянном броуновском движении. Таким образом, чем меньше размер пылевых частиц, тем дольше они задерживаются взвешенными в воздухе, следовательно, тем больше возможность попадания их в дыхательные пути.

Некоторые изменения скорости оседания пылевых частиц возникают в связи с процессом флоккуляции. Это имеет значение в основном для аэрозолей конденсации, которые даже в неподвижном воздухе благодаря энергичному броуновскому движению часто сталкиваются друг с другом, агрегируются и в виде хлопьев выпадают из воздуха. Аэрозоли дезинтеграции не поддаются агрегированию главным образом вследствие относительно больших размеров-частиц; более того, пылевые частицы в них могут приобретать меньшие размеры.

Сказанное иллюстрируется рис. 36, а и б: аэрозоли конденсации окиси магния минимальных размеров с течением времени превращаются в хлопья, а аэрозоли дезинтеграции мела в виде хлопьев - в мельчайшие пылевые частицы.

Влияние движения воздуха на флокуляцию незначительно. Увлажнение воздуха оказывает эффективное влияние на флокуляцию лишь в том случае, если оно интенсивное. Исследования показали, что аэрозоли дезинтеграции малого диаметра могут флокулироваться при наличии в воздухе водяных аэрозолей размером 0,55-0,4 мк в количестве, значительно превышающем количество твердых аэрозолей.

Степень дисперсности промышленных аэрозолей зависит прежде всего от способа их образования. Свежеполученные аэрозоли конденсации (дымы) имеют размеры частиц меньше 1 мк. Величина частиц аэрозолей дезинтеграции (пыль) зависит от вещества, из которого они получены, интенсивности дезинтеграции и возраста аэрозолей. Чем тверже вещество, чем интенсивнее дезинтеграция и чем больше возраст аэрозолей, тем больше пыли и тем выше степень дисперсности ее частиц (табл. 34).

Рис. 36. Изменение размера пылевых частиц MgO (а) и СаСO 3 (б) с возрастом пылевого облака.