粉尘是一种气溶胶,固体微小尘粒分布于以空气作为分散介质的分散体系中。通俗地讲,“粉尘”是一种能较长时间悬浮于空气中的固体颗粒物的总称。
生产性粉尘就是特指在生产过程中形成的,并能长时间漂浮在空气中的固体颗粒。它是污染工作场所环境、损害劳动者健康的重要职业病有害因素。
生产性粉尘来源甚广,几乎所有矿山和厂矿在生产过程中均可产生粉尘。如采矿和隧道的打钻、开凿、爆破、搬运等(图3-8和图3-9);矿石的破碎、磨粉、包装等;机械制造行业的铸造、翻砂、配砂、清砂、造型、打磨、抛光、电焊等(图3-10);建筑材料行业的原料加工、冶炼等(图3-11和图3-12),水泥、玻璃、陶瓷(如图3-13)、耐火材料生产;从事皮革、纺织、皮毛行业的原料处理;化学工业的固体原料加工、成品包装等。
图3-8 煤矿、非煤矿山开采
图3-9 筑路/隧道开凿
图3-10 电焊
图3-11 炼钢-焦炉
图3-12 冶炼
图3-13 陶瓷加工
不论什么行业,生产性粉尘来源主要有下列三个途径:
(1)固体物料经机械性撞击、研磨、碾轧而形成,经气流扬散而悬浮于空气中的固体微粒。
(2)物质加热时产生的蒸气在空气中凝结或被氧化形成的烟尘。
(3)物质的不完全燃烧,形成的烟。
生产性粉尘的分类有很多分类方法,每类分类方法的目的各不相同。
根据来源不同,可分:
(1)金属性粉尘,例如铝、铁、锡、铅、锰等金属及化合物粉尘。
(2)非金属的矿物粉尘,例如石英、石棉、滑石、煤等。
(3)人工无机粉尘,例如水泥、玻璃纤维、金刚砂等。
(1)植物性粉尘,例如木尘、烟草、棉、麻、谷物、茶、甘蔗等粉尘。
(2)动物性粉尘,例如畜毛、羽毛、角粉、骨质等粉尘。
(3)合成材料粉尘(synthetic material dust),主要见于塑料加工过程中。塑料的基本成分除高分子聚合物外,还含有填料、增塑剂、稳定剂、色素及其他添加剂。
混合性粉尘包含无机性粉尘和有机性粉尘。
固态分散性气溶胶,固体物料经机械性撞击、研磨、碾轧而形成,粒径为0.25~20μm,其中大部分为0.5~5μm。
固态凝聚性气溶胶,包括:金属熔炼过程中产生的氧化微粒或升华凝结产物、燃烧过程中产生的烟,粒径<1μm,其中较多的粒径为0.01~0.1μm。
1.粉尘也称全尘 粒径小于75μm所有粉尘。
2.可吸入性粉尘 粉尘粒径(空气动力学直径)小于15μm。由于粉尘颗粒重力沉降作用及呼吸道的生理特点,使15μm以上的粉尘颗粒在鼻腔内被阻流,15μm以下的粉尘颗粒可进入上、下呼吸道。
3.呼吸性粉尘 粒径5μm以下的粉尘颗粒可进入呼吸道深部和肺泡区,对人体的危害极大。
4.有毒粉尘
5.放射性粉尘
粉尘粒子直径10~100μm,颗粒较大,在静止空气中,以加速度下降,不扩散。
粉尘粒子直径在0.25~10μm之间,在静止空气中,以等速度下降,不易扩散。
该粉尘在普通显微镜下看不到,可在电子显微镜下看到,粒子直径小于0.25μm。因其大小接近于空气分子,受空气分子的冲撞而成布朗运动存在于空气中,有相当强的扩散能力,在静止空气中几乎完全不降落或非常缓慢而曲折地降落。
游离二氧化硅含量越高,对人体的危害越大,其致肺纤维化的能力越强。
分别有中毒作用(如铅及其化合物、锰及其化合物)、过敏、刺激作用(如铍、铝等)。
粉尘的分散度指物质被粉碎的程度,用来表示粉尘粒子粒径大小的百分构成称为数量分散度,粒径较小的颗粒越多,其分散度越高;用来表示粉尘粒子质量大小的百分构成称为质量分散度,粒子质量小的颗粒占总质量百分比越大,其质量分散度越高。
现在国家标准测量的分散度为数量分散度。粉尘粒子大小一般用直径(μm)表示。
粉尘被吸入人体的机会及其在空气中的稳定程度与分散度有直接关系。分散度越高的粉尘,在空气中飘浮时间越长,沉降速度越慢,被机体吸入的机会也就愈多;而且分散度越高,表面积越大,越易参与理化反应,对人体的危害越大。
由于粉尘的粒径范围很宽,可从0.001μm到10000μm以上。目前任何一种采样方法,都不可能将所有粒径的粉尘采集。对于职业卫生,主要关心那些通过人体呼吸就能够被带进体内的粉尘粒子。
粉尘粒子的直径、比重、形状不同,其在呼吸道各区域的阻流沉积率不同。为便于测量和比较,用空气动力学当量直径表示。空气动力学当量直径是根据粒子在空气中的惯性和受地球引力作用的运动而确定的,具体表示为:当粉尘粒子a,不论其几何形状、大小和密度如何,如果它在空气中与一种密度为1g/cm 3 的球形粒子b的沉降速度相同时,则b的直径即可作为a的空气动力学当量直径。
空气动力学当量直径不能直接测定,但可以通过粉尘粒子投影直径或颗粒的沉降速度计算出来。
(1)由粉尘粒子投影直径( d p )换算成空气动力学当量直径( d a )
对于投影直径为 d p 的球体粉尘,其质量为:
式(3-14)中:
m ——颗粒的质量,单位为克(g);
V ——颗粒的体积,单位为立方厘米(cm 3 );
ρ ——颗粒的密度,单位为克/立方厘米(g/cm 3 );
d p ——投影直径,单位为厘米(cm)。
当转换为空气动力学当量直径为 d a 时,其质量为:
式(3-15)中:
d a ——粉尘的空气动力学当量直径,单位为微米(μm);
ρ 0 ——颗粒的密度为1,单位为克/立方厘米(g/cm 3 )。
则:
(2)由颗粒的沉降速度计算空气动力学当量直径( d a )
其计算公式如下
式(3-17)中:
d a ——空气动力学当量直径,单位为微米(μm);
C a ——与空气动力学当量直径相应的坎宁汉修正系数;
其他符号同式(3-7)和式(3-9)。
(1)同一空气动力学当量直径的尘粒,趋向于沉降在人体呼吸道内的相同区域。
(2)同一空气动力学当量直径的尘粒,在大气中具有相同的沉降速度和悬浮时间。
(3)同一空气动力学当量直径的尘粒,在透过滤料、旋风器和其他除尘装置时具有相同的概率。
(4)同一空气动力学当量直径的尘粒,在进入粉尘采样系统中具有相同的概率。
从空气动力学当量直径上来说,各种空气动力学当量直径的粒子均可沉积在鼻咽区,只是不同粒径的沉积比率不同。空气动力学当量直径小于15μm的尘粒可以沉积在气管、支气管区,沉积在此处的尘粒长期慢性刺激可引起慢性气管炎或支气管炎。而空气动力学当量直径小于7.07μm的粒子可以沉积在肺泡区,而只有长期沉积于肺泡区的尘粒才有可能引起尘肺。
空气动力学当量直径在15μm以上的粒子,在空气中沉降速度快,不易吸入机体,把空气动力学当量直径>15μm的粒子称为非吸入性粉尘,而空气动力学当量直径<15μm的粉尘多可吸入人体,称为可吸入性粉尘。一般来说,10~15μm粉尘粒子主要沉着于鼻咽区,5~10μm粉尘粒子主要沉着于气管、支气管区,而小于5μm的粉尘粒子多可达到呼吸道深部和肺区,称为呼吸性粉尘。
我国颁布的呼吸性粉尘卫生标准规定的呼吸性粉尘是指粉尘空气动力学当量直径均在7.07μm以下,而空气动力学直径5μm粉尘采集效率为50%的粉尘粒子。
指单位体积空气中粉尘的含量。空气中粉尘浓度越高,吸入量相对越大,尘肺病发生的可能性越大,对人体危害也越大。
质量浓度:单位体积空气中所含有固体微粒的质量。用mg/m 3 表示。
为了更准确地反映工作场所的粉尘污染现状和对作业工人的危害程度,我国在规定总粉尘质量浓度的同时,也规定了部分危害较重粉尘的呼吸性粉尘的质量浓度,如矽尘、煤尘、水泥尘、石膏尘、石灰石尘等。根据采样方法的不同来确定总粉尘质量浓度和呼吸性粉尘的质量浓度。
数量浓度:单位体积空气中所含有固体微粒的颗粒数。颗粒粉尘的数量浓度用个/ml表示;纤维粉尘浓度用根/毫升(f/ml)表示。
粉尘的密度是指粉尘自身的单位体积的质量(g/cm 3 ),粉尘的密度不一定是形成它的母体物质的密度。一般说来,由破碎、碾磨等方法形成的固体颗粒与其母体物质的密度基本相同,但类似烟这一类的凝聚性粒子,因其本身往往含有空隙,粒子的密度就要比母体物质的密度小很多。
由于粉尘与粉尘之间有许多空隙,有些颗粒本身还有孔隙,所以粉尘的密度有多种表示方法。
这是不考虑粉尘颗粒与颗粒间空隙,仅考虑颗粒本身实有的密度。若颗粒本身是多孔性物质,则它的密度还分为两种:
真密度:考虑颗粒本身孔隙在内的颗粒物质,在抽真空的条件下测得的密度,表3-6列出部分粉尘的真密度。
表3-6 主要生产性粉尘密度(g/cm 3 )
注:本表摘自《大气污染控制工程》(第3版)
颗粒密度(视密度):包含颗粒本身空隙在内的单个颗粒的密度称为颗粒密度,一般用比重瓶法测得,又称为视密度。
一般颗粒密度低于真密度,对于无孔隙颗粒的真密度和颗粒密度是一样的。
假密度是粉尘颗粒质量与所占体积之比。这个体积包括颗粒内闭孔、气泡、非均匀性等。光滑、单一的以及初始颗粒所具有的假密度实际上与真密度视为一致。对一般机械破碎过程产生的粉尘,其颗粒常没有内闭孔,具有凝聚和黏结性的初始粉尘颗粒的假密度与真密度的比值下降,这些粉尘如烟尘飞灰、炭黑、金属氧化物等,其真密度比假密度大。影响粉尘沉降速度的是假密度。
铅、砷等有毒性粉尘可在呼吸道溶解吸收,其溶解度越高,对人体毒性越强;石英粉尘很难溶解,可在体内持续产生危害作用。
坚硬且外形尖锐的尘粒可引起呼吸道黏膜机械损伤。而进入呼吸道的尘粒,由于质量小,肺泡环境湿润,机械损伤不明显。