книги / Подходы к оценке безопасности наноматериалов

можности дальнего переноса и передачи по пищевым цепям. Наличие этих свойств свидетельствует о высоком уровне потенциальной опасности рассматриваемого материала.

С учетом рассмотренных свойств наноматериалов и их особенностей можно выделить операции, которые необходимо контролировать в первую очередь. Это операции, включающие работу с сухими рассыпчатыми наноматериалами.

При производстве нанопорошков загрязнения имеют место при размоле, просеве и смешивании порошков, дозировании шихты, транспортировке порошковых материалов, прессовании, разгрузке

иобработке спеченных изделий шлифованием.

Кфизико-химическим характеристикам нанопыли относятся химический и дисперсный состав, удельная поверхность, плотность, горючесть и взрываемость, удельное электрическое сопротивление, слипаемость, смачиваемость, абразивность, концентрация и др.

Способность частиц образовывать конгломераты, налипать на стенки аппаратов обусловлена аутогезионным и адгезионным взаимодействием. Аутогезией (слипаемостью) называют взаимодейст-

вие частиц пыли между собой, адгезией − взаимодействие с поверхностями монослоя частиц, контактирующего с ними. Разрывная прочность пылевого слоя характеризует слипаемость пыли.

Гигроскопичность, т.е. способность поглощать влагу из окружающей среды, оказывает влияние на следующие свойства пыли: адгезионное и аутогезионное взаимодействие, сыпучесть, электрическую проводимость слоя, которые необходимо учитывать при проектировании аспирационных установок [13].

Каждой относительной влажности газа соответствует свое содержание влаги в сыпучем материале, называемое его равновесной влажностью. Содержание гигроскопической влаги в пыли определяют по убыли влаги при высушивании пробы пыли до постоянной массы. Этот метод наиболее распространен, но неприемлем для веществ, имеющих температуру разложения или плавления ниже

110 °С.

Смачиваемость пыли обусловливается взаимодействием молекул на границе твердой, жидкой и газообразной фаз и приводит

71

к образованию на поверхности частиц жидкостной пленки. Смачивание частиц пыли капельками распыленной воды лежит в основе процесса мокрого пылеулавливания.

Абразивные свойства пыли зависят от твердости, формы, плотности и размеров частиц и оцениваются коэффициентом абразивности Kа.

При перемещении потоков нанопорошков и пылей происходит их электризация, при этом величина удельного заряда зависит как от вида нанопорошка (пыли), так и от материала контактирующей поверхности.

Газовзвеси нанопорошков с твердой фазой из энергично окисляющихся с выделением тепла веществ способны в определенных условиях воспламеняться и взрываться. Нанопорошки в слое или осевшие частицы таких веществ не взрываются, однако при воздействии соответствующего инициатора могут воспламеняться и гореть. Пожаро- и взрывоопасность процессов обусловлена применением тонкодисперсных порошков, а также легковоспламеняющихся и хорошо горящих основных и вспомогательных материалов (водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ).

Пирофорность нанопорошков (способность при определенных условиях воспламеняться под действием внутренних экзотермических процессов) и их взрываемость зависят от природы нанопорошка, его дисперсности, формы и других факторов.

Воспламеняемость и взрываемость металлических нанопорошков зависит от многих факторов. Взрывная активность смеси порошков повышается при возрастании содержания наиболее активной примеси, снижении степени окисленности, уменьшении размера частиц, повышении их удельной поверхности. Пирофорность нанопорошков зависит от их дисперсности и химического состава. Взрывным процессам присущи высокие скорости распространения. Над слоем осевших порошков активных металлов возможно распространение взрывной волны со сверхзвуковыми скоростями.

Воспламенение пыли, состоящей из различных взрывоопасных материалов, включая металлы, может привести к взрыву. Взрыв происходит при строго определенных концентрациях огнеопасных

72

материалов, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе,

иопределенной силе источника воспламенения. Существенное влияние на температуру воспламенения нанопорошков оказывает его гранулометрический состав. Добавки мелких частиц влияют на температуру воспламенения крупных. Причем для различных металлов это влияние неодинаково. В нанопорошках титана и циркония в первую очередь воспламеняются более крупные частицы,

впорошках молибдена − наиболее мелкие, что связано с различной степенью окисленности нанопорошков. Температура воспламенения бора не зависит от размера частиц. С увеличением скорости нагрева температура воспламенения всех частиц уменьшается. Температура воспламенения иодидных нанопорошков циркония и титана выше, чем температура воспламенения электролитического циркония и магнийтермического титана.

Воспламеняемость и взрывоопасность может быть снижена созданием инертной защитной атмосферы. Распространенным способом обеспечения пожаро- и взрывобезопасности является измельчение нанопорошков в защитных газовых средах, что позволяет снизить скорость химических превращений в результате уменьшения плотности потока газа-окислителя к поверхности материала.

При работе с отдельными видами металлических порошков необходимо учитывать их особенности. Порошки алюминия, магния

иих сплавов во взвешенном пылеобразном состоянии могут воспламеняться. Порошки алюминия могут иметь различный фазовый состав оксидной пленки. Наиболее активными аэровзвесями являются порошки с аморфной оксидной пленкой.

Оценка причин появления опасных вредных факторов, влияющих на окружающую среду, связана не только с их происхождением. Воспламеняемость и взрывная активность смеси нанопорошков повышается при возрастании содержания наиболее активной примеси, снижении степени окисленности, уменьшении размера частиц, повышении их удельной поверхности.

Оценка потенциальных экологических аспектов по критерию «концентрация наночастиц» проводится на основе результатов аналитического контроля воздуха в укрытии оборудования технологи-

73

ческой линии. Санитарными нормами проектирования промышленного предприятия ПДК устанавливается на основании медикобиологических и гигиенических исследований [10].

При оценке пожаровзрывоопасности взвешенной нановзвеси определяют нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР), температуры воспламенения и самовоспламенения взвеси, минимальную энергию зажигания, максимальные давление взрыва и скорость его нарастания, минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК).

Для разработки мероприятий по предупреждению возникновения воздействия на окружающую среду проведена идентификация экологических аспектов с помощью метода функционального моделирования технологических процессов по стандарту IDEF0. Идентифицированы как прямые (связанные со штатной деятельностью) экологические аспекты, так и косвенные (потенциальные), возникающие в результате нештатных ситуаций. С помощью диаграммы Ишикавы выявлены причины, приводящие к возникновению аварийных ситуаций и, как следствие, к аварийным выбросам.

Используется ранжирование причин по важности на основе экспертных оценок с использованием методов парного сравнения и Парето. Причины, попавшие в область 80 %, считаются важными. На основе FME-анализа и комплексному показателю RPZ предложены природоохранные и корректировочные мероприятия, обеспечивающие безопасность при производстве нанопорошков которые сводятся к разработке новых технологических процессов, материалов и принятию новых технических решений по снижению экологических рисков.

74

6. УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ

Для обеспечения безопасности при производстве нанопродуктов необходимо:

1.Предложить новое эффективное производство, чтобы сделать его менее опасным. Связать нанопорошковый материал в жидкой или твердой среде. Если это технически возможно, использовать дисперсии, композиции вместо нанопорошков. Регулярно проводить обслуживание оборудования.

2.С целью минимизации воздействия на рабочих следует разработать программу по управлению рисками. Элементы системы управления рисками включают руководства по внедрению инженерных мероприятий, инструктаж работников и подбор средств индивидуальной защиты [8].

С точки зрения охраны здоровья персонала наноматериалы можно расположить следующим образом:

– твердые материалы, содержащие наноструктуры;

– твердые материалы, содержащие наноструктуры на поверхности;

– наночастицы, взвешенные в жидкости;

– сухие наночастицы, их скопления и агрегаты.

Необходимо избегать проведения операций с наночастицами на открытых воздушных пространствах. При возможности рекомендуется хранить наноматериалы в виде суспензий или в сухих формах в закрытых контейнерах.

Опасность наноматериалов может быть неизвестна или не установлена достоверно, поэтому необходимо учитывать потенциальную опасность материала для окружающей среды и здоровья человека.

Должен быть обеспечен учет всех возможных путей попадания наноматериалов в организм человека, включая поступление через дыхательную систему, кожу (в том числе слизистую оболчку), пищеварительную систему и последством инъекций.

79

С целью минимизации воздействия наночастиц на персонал на предприятии должна существовать программа, которая рассматривается как интегральная часть общей программы по охране труда на каждом предприятии и рабочем месте, где производятся или используются наноматериалы и продукты, содержащие наночастицы. Критическим элементом программы должна быть возможность предвидеть возникающие риски и их связь с изменениями в производственном процессе, использованием нового оборудования или материала. Это потребует постоянной оценки риска для персонала за счет сбора информации о процессах и продуктах. Такая оценка должна представлять собой непрерывный циклический процесс, обеспечивающий выявление источников потенциального воздействия и определения возможностей решения связанных с этим проблем. Например, операции, связанные с работой с наноматериалами в виде аэрозолей и порошков, требуют большего внимание и более строго контроля, чем операции, осуществляемые с материалами в твердой или жидкой фазе. Элементы системы управления рисками должны включать руководства по внедрению инженерных мероприятий, инструктаж работников и подбор средств индивидуальной защиты.

Если потенциальная опасность не может быть уменьшена, необходимо внедрение технического контроля. Тип контроля должен учитывать информацию о потенциально опасных свойствах рассматриваемого материала, его продуктов и полупродуктов. В свете имеющихся научных знаний об образовании, транспорте и накоплении аэрозолей к наноматериалам могут быть применены инженерные техники контроля, аналогичные тем, которые применяются для снижения вредного эффекта аэрозолей в целом.

Основу таких инженерных мероприятий составляет изоляция источника образования наночастиц от персонала и локальные системы вентиляции. Количество наноматериалов, производимых и обрабатываемых в процессе изготовления продукта, оказывает значительное влияние на выбор метода контроля. Кроме того, должна учитываться физическая форма наноматериала, а также частота и продолжительность процесса, являющегося источником по-

80