< id="header" class="marauto"> < id="nav"> < class="weizhi-a">五. 生产性粉尘的特性 < class="marauto con-con">  生产性粉尘的特性包括粉尘粒度分布、真密度、相对密度、充填性质、安置角与滑动角、湿润性、扩散性、粘附性、荷电性、光学特性、磨损性、团聚性、化学成分、爆炸性等。
    生产性粉尘的理化特性不同,造成人体危害的性质和程度不同,发生致病作用也不相同,粉尘损害机体的特性主要有以下几种。
一、粉尘的化学成分
    作业场所空气中粉尘的化学组成成分是直接决定其对人体危害性质和严重程度的重要因素之一。
    由于化学性质不同,粉尘对人体可产生炎症、纤维化、中毒、过敏和肿瘤等作用。例如,某些金属粉尘通过肺组织吸收,进入血液循环引起中毒。某些动植物粉尘可导致过敏性哮喘或肺炎,某些岩尘可引发接触性皮炎。
    成分相同的粉尘,由于化学结构和表面结构的差异,或者由于表面吸附或包裹其他化学成分的情况不同,对人体造成的毒作用程度不一。如二氧化硅具有致纤维化的作用,游离型的作用远远高于结合型的,结晶型的作用又大于非结晶型的。实际生产过程中粉尘的性质还会随工艺流程发生变化,比如在陶瓷的生产过程中,其原料高岭土中含有大量游离型二氧化硅,是陶瓷粗胚生产过程中的主要职业危害因素,具有很强的致尘肺作用。当粗胚经过高温煅烧,大部分的游离型二氧化硅转化成结合型二氧化硅,粉尘致尘肺纤维化能力减弱。常见生产性粉尘中游离二氧化硅的含量见表1-1。   
                    
                                      表1-1               常见粉尘中游离二氧化硅的含量

                     
                  
    化学成分与危害程度的关系,还突出表现在粉尘的新鲜程度影响着粉尘颗粒危害的大小。由于外力的机械切割或挤压作用,破碎而产生的新粉尘颗粒被称作新鲜粉尘。新鲜粉尘放置一段时间后称陈旧粉尘。最新的研究认为,新鲜粉尘表面有大量氧化活性很强的自由基,从而增强了粉尘颗粒本身的毒作用,致病作用变强,例如,新鲜煤尘的致病作用最强。而陈旧粉尘表面的活性自由基已被氧化失效,并且表面常被黏土等惰性物质包裹,毒性的作用降低,造成机体损害的时间变长。
    粉尘长期漂浮在空气中,由于体积小,相对表积面大,具有较强的吸附能力,可以吸附空气中的气态或液体物质,粉尘颗粒表面吸附的各种物质有可能增强其毒
作用,例如吸附致癌性的多环芳烃类物质,使原本无毒无致癌作用的普尘,变成有毒有致癌作用的毒尘,如图1-4所示。
              
                                       
                                                                                           
                                                   图1-4 粉尘颗粒表面吸附的各种物质 


、粉尘的浓度和接触时间
同一种粉尘在作业环境中浓度越高,暴露时间越长,对人体危害越严重。由于机体对侵入体内的粉尘有一定的清除能力,因此,低浓度的粉尘对机体的损伤相对较小,即使长期接触也不大可能引起临床症状,例如,如果能保证煤矿呼吸性粉尘浓度低于5mg/m3,那么一个煤矿工人在工作30年后得尘的可能性将小于5%,但在50mg/m3以上高浓度粉尘接触作业中,可能在1-5年内即造成明显的病损。对于能在机体蓄积或者有损伤能力的粉尘,其造成的机体损伤与粉尘累积接触剂量(粉尘浓度×时间)密切相关,研究发现,矽肺的发病危害与粉尘累积接触剂量之间存在明确的接触剂量反应关系,而与作业点的瞬时粉尘浓度关系不确定。
 
三、粉尘分散度
分散度是指物质被粉碎的程度,以粉尘粒径大小的数量或质量组成百分构成比来表示,前者称粒子分散度,粒径小的颗粒越多,则分散度越高;后者称质量分散度,质量小的颗粒占总质量百分比越大,质量分散度越高。粉尘粒子的大小一般以直径微米(µm)表示。
粉尘被机体吸入的机会与其在空气中的稳定程度和分散度有关,粉尘粒子分散度越高,在空气中漂浮的时间越长,沉降速度越慢,被人体吸入的机会就越多。当粉尘粒子密度相同时,分散度越高,粒子沉降速度越慢;而当尘粒大小相同时,密度越大的尘粒沉降速度越快。因此,在设计通风防尘措施时,应当根据粉尘的密度,采用不同的风速。当粉尘质量相同时,其形状越接近球形,在空气中所受阻力越小,沉降速度越快。例如,在静止空气中10µm的石英尘,数分钟就降落下来,1µm的石英尘降落到地面需5~7h,0.1µm石英尘24h左右才能降落下来。一般能较长时间悬浮在空气中的粉尘多为10µm以下的尘粒,而生产环境空气中的粉尘,也以10µm以下最多,其中5µm以下的占30%-90%。需要指出的是,生产环境中的空气是流动的,所以这些粉尘在空气中漂浮时间长,很难降落,可被人持续吸入。不同粒径的粉尘在静止空气中的沉降速度见表1-2。
 
                                 表1-2      不同粒径的粉尘在静止空气中的沉降速度 

   
    
粉尘分散度越高,单位体积总表面积越大,越容易参与理化反应,对人体危害也越大,总表面积是指单位体积中所有粒子表面积的总和。随着粒子表面积增加,表面吸附能力随之增强,例如,有些粉尘可与空气中的氧气发生反应而引起粉尘的自燃或爆炸。有些粉尘能吸附气体分子,在尘粒表面形成一层薄膜,阻碍粉尘团聚,增加粉尘在空气中的悬浮时间。粉尘表面还可以吸附有毒气体,如一氧化碳、氮氧化物等,分散度愈高,吸附量愈多,对人体危害也愈大。分散度高的粉尘,由于其表面积大,在液体或溶液中的溶解度也会增加。
粉尘分散度还与粉尘在呼吸道中各部位的滞留有关。根据粉尘吸入试验,肺泡部位沉降最多的是直径1~2µm 的尘粒见表1-3。
 
                                   表1-3       不同直径尘粒可到达呼吸系统的部位

                                             
            
四、粉尘的溶解度
   粉尘溶解度的大小影响其对人体造成的危害。溶解度高的粉尘常在上呼吸道溶解吸收,而溶解度低的粉尘在上呼吸道不能溶解,往往能进入肺泡部位,在体内持续发挥作用。例如某些含有铅、砷等有毒成分的粉尘可在呼吸道溶解吸收,其溶解度越高,吸收剂量越大,对人体的毒作用越强,反过来,溶解度低的粉尘,如石英粉尘,由于难于溶解,可在呼吸道细支气管和肺泡中聚集,持续产生严重危害。此外,正常情况下,呼吸道粘膜的pH值为6.8~7.4,如果吸入的粉尘溶解后引起pH值范围改变,会引起呼吸道黏液纤毛上皮系统排除功能障碍,导致粉尘积聚。
    黏附在皮肤上的粉尘,被汗液或空气中水分溶解后,如果具有一定的脂溶性,可以穿透皮肤角质层被人体吸收,脂溶性高则皮肤吸收量大,但如果不同时具有一定的水溶性,则无法进入真皮的毛细血管。
五、粉尘硬度
   在研究粉尘致肺纤维化的早期,首先提出了机械损伤学说,对粉尘硬度给予了相当的重视。现在认为,粉尘的硬度对致肺纤维化的作用影响不大,其机械损伤作用主要发生在上呼吸道,比如金刚石、碳化硅硬度很大,但对机体的危害则很小。
六、粉尘的表面活性
   粉尘表面生物活性影响其致肺纤维化作用。新产生的粉尘颗粒表面有较多的氧化硅和硅自由基(SiO·和Si·),可与二氧化碳、氧气和水反应产生H2O2和羟基自由基(·OH)等,因而具有更强的细胞毒性作用。
七、粉尘的荷电性
   物质在粉碎过程和流动中互相摩擦或吸附空气中离子而带电。尘粒的荷电量除取决于其粒径大小、密度外,还与作业环境的温度和湿度有关。温度高荷电增加,湿度高荷电减少,漂浮在空气中90%~95%的粒子带正电或负电。一般而言,非金属粉尘常常带正电荷,金属粉尘则带负电荷,研究结果表明,8µm以下的粉尘一般带负电。荷电性对粉尘在空气中的稳定程度有影响,同性电荷相斥,增强了粒子在空气中的稳定程度,异性电荷相吸,使尘粒团聚并沉降。一般来说,荷电性的颗粒在呼吸道内易被阻留。在其他条件相同时,荷电粉尘在肺内阻留量达70%~74%,而不荷电者只有10%~16%。有研究认为,荷电粉尘颗粒可能影响巨噬细胞对其吞噬速度,增加了粉尘的危害。粉尘的荷电性质对捕尘有重要意义,在防尘技术中,已愈来愈多地利用粉尘的荷电性质来捕集粉尘。粉体都有比较固定的介电率(相对介电常数)见表1-4。
 
                                    表1-4           常见粉体的介电常数


   
八、粉尘的几何特征
    研究发现,在自然界及人类活动中所产生的尘粒极少是球形的。气溶胶科学与技术的研究对象主要是悬浮于气体中的固体颗粒,无论是研究粒子的光学性质、电学性质、力学性质、运动行为和分布特征,还是研究粉尘分离机理和捕集性能,无不与粉尘的大小和形状有关。对于形状不规则的尘粒,人们提出了平均径、等效径、球形度、形状系数等概念,其中等效径用得最普遍。研究中发现,这种等效径是粗糙的、有条件的。例如:靠空气动力分离机理除尘时,同等密度的球形尘粒比等效体积径相同的扁平或条形尘粒容易分离;在静电及过滤分离机理中,无论用空气动力径,还是等效体积径,不规则尘粒比接近球形的尘粒更容易捕捉。


                       

                                               图 1-5  粉尘不同形状
                            (a)球形、(b)近球形、(c)多角形、(d)片状、(e)树枝状;           
                           (f)不规则形、(g)多孔海绵状、(h)菱角状

球形颗粒在空气中的阻力小,易于沉降,而形态不规则的颗粒相对来说沉降较慢,悬浮时间较长, 粉尘粒子形状与尘肺的发病速度也有着密切关系,例如,球形粒子吸入人体后容易排出,而非球形粒子(如菱角状或多角状煤尘)吸入人体后很难排出,所以当煤尘中非球形粒子较多时,肺部粉尘沉积量增加,从而导致尘肺发病率和检出率高、发病期短,这一点已在我国江西萍乡矿业公司得到证实。萍乡矿业公司开采相同煤种的安源矿和高坑矿,尽管粉尘浓度、粉尘分散度及游离SiO2含量等指标安源矿均低于高坑矿,但由于安源矿非球形粒子粉尘多,以致安源矿尘肺发病率高于高坑矿。另外,不同形状的粉尘粒子,对防尘口罩过滤效率在实际应用中的稳定性产生影响。
九、粉尘形状术语见表1-5      
                                         表1-5          粉尘形状术语


 

十、粉尘的湿润性
粉尘粒子能否与液体相互附着,主要取决于粒径、温度、自然含水率、表面形状、荷电性等因素 ,同时与液体的表面张力、尘粒与液体的接触时间及尘粒与液体之间的粘附力有关,许多粉尘都具有一定的吸湿能力,特别是亲水性粉尘粒子表面的吸附能力强,易与水结合,使粒子团聚、重量增加而易于沉降,对于疏水性粉尘可以在水中添加适量表面活性物质,用以解决水的表面张力过高问题。粉尘对水的亲疏性见表1-6。  


                                                                                                         表1-6                   粉尘对水的亲疏性
                          

十一、粉尘的爆炸性
    爆炸是某些粉尘的特性,例如:高分散度的煤尘、面粉、糖、亚麻、硫磺、铅锌等可氧化的粉尘,在适宜的温度和浓度下一旦遇到明火、电火花和放电时,会发生爆炸,粉尘粒径越小,比表面积越大,空气越干燥粉尘爆炸危险性越大,部分粉尘爆炸下限见表1-7。


                                                                                                           表1-7             部分粉尘爆炸下限
                         
 
 十二、粉尘的团聚性
固态物质按分散程度不同分为,致密体、粉末体和胶体三类,大小在1µm以上的称为致密体或常说的固体,0.1µm以下的称为胶体,介于两者之间的称为粉末体。粉末中能分开并独立存在的最小实体称为单颗粒,单颗粒如果以某种形式团聚就构成所谓二次颗粒,其中原始颗粒称为一次颗粒。图1-6生动地描绘了若干一次颗粒团聚成二次颗粒的情形。


                               


                                                                  

                                                                                                   图1-6 颗粒团聚情形
                                                                                   a-单颗粒;b-二次颗粒;c-晶粒;a2- 一次颗粒
 
 
 一次颗粒之间形成一定的粘结面,在二次颗粒内存在一些微细的孔隙。一次颗粒或单颗粒可能是单晶颗粒,也可能是多晶颗粒,但晶粒间不存在空隙。
    二次颗粒是由单颗粒以某种方式团聚而成,通常由化合物的单晶体或多晶体经分解、焙烧、置换、还原、吸附或化合等物理化学反应并通过相变或晶型转变而形成,也可以由极细的单颗粒通过高温处理(如煅烧、退火)烧结形成 。
    二次颗粒又称为聚合体或凝集颗粒。实际上颗粒还可以团粒成絮凝体。所谓团粒是由单颗粒或二次颗粒靠范德华引力黏结而成的。
在气动情况下,自然团聚之间、自然团聚与颗粒之间、颗粒与颗粒之间相互交换组合,形成的流态化聚团,聚团与附近的聚团相互碰撞,使聚团体最外层黏附的颗粒更紧密或脱落,因此,对流态化聚团的认识,除了考虑聚团体与最外层黏附的颗粒之间的黏性力和最外层被黏附的颗粒重力外,还应考虑流体曳力作用。
十三、粉尘的黏附性
黏性粉尘的特点是粉尘颗粒粒径小(微米级或纳米级),粉尘的黏附性对静电捕尘有很大的影响。如果粉尘的黏附性较强,附着在滤料上的粉尘不易震落下来,使滤料累积尘量加大,空气穿过变弱,阻力上升。粉尘的黏附性不仅与烟尘和粉尘的组成成分有关,而且与粉尘的粒径有关,粒径愈小,黏附性愈强,粉尘的黏附力主要包括分子引力、毛细管黏着力及静电库仑引力,关于这些力的理论计算较为复杂,其结果也不一定可靠性,为此可采用粉尘层的黏附强度作为评定粉尘黏附性的指标,根据粉尘的黏附强度将粉尘分为4类见表1-8。表中分类是有条件的,粉尘受潮、烟尘湿度较大时,会增加其黏附力。
                                                                                  
                                                                                                             表1-8                        粉尘黏附性的分类

                      
十四、粉尘的密度
    单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度,粉尘体积不包括尘粒之间的空隙称为真密度。一般情况下,粉尘的真密度与组成这种粉尘的物质密度是不同的,因为粉尘在形成过程中,尘粒的表面,甚至其内部可能形成某些空隙,只有尘粒表面光滑而又密实的粉尘的真密度才能与其矿物、岩石密度相同。通常情况下,矿物、岩石密度比矿尘真密度大20%~50%。
    粉尘的真密度,对设定含尘风流净化的技术途径有重要价值。颗粒粗、真密度大的粉尘宜选用旋风除尘器;真密度小的粉尘,即使颗粒粗也不宜采用这种类型的除尘器。(一些工业粉尘的真密度见表1-9)。  

                                                                                                          表1-9           一些工业粉尘的真密度
                  



 
 十五、粉尘的扩散性
    粉尘的扩散性是指,悬浮于空气中的粉尘由高浓度区域向低浓度区域移动的现象。矿井中粉尘的扩散主要受风流吹激影响,在风流作用下,粉尘扩散、飘浮于作业空间。选择合适的通风风速可以稀释或排走粉尘。粉尘的扩散性对捕尘器、除尘器、防尘口罩的设计有直接影响。粉尘的扩散状态及形式主要有布朗扩散、紊流扩散、电力扩散3种。
布朗扩散   粉尘粒子在静止空气中作不规则的布朗运动形成的粉尘粒子由高浓度区域向低浓度区域的移动。影响这种扩散的诸因素可用粒子扩散系数D来表征(悬浮于空气中的粉尘粒子通量和浓度梯度的恒定比值),其斯托克-爱因斯坦(Stokes-Einstein)表达式为:




                                                                                                        

式中D为扩散系数,cm2/s;k为玻尔兹曼(Boltz-mann)常数;T为绝对温度,Cc为库宁汉滑动修正系数;µ为气体粘滞系数,Pa·s;d为粉尘粒子的粒径。
粉尘粒子的扩散系数随温度增高和粒径的减小而增大。对于粒径较大的尘粒,可以忽略滑动修正量不计,D与尘粒粒径成反比;对于滑动修正系数较大的细尘粒子,D正比于d-2。粉尘粒径对扩散系数的影响见表1-10。扩散系数越大,扩散越快,粉尘愈易被捕获。
 

表1-10         单位密度球形尘粒在20℃时有关扩散的性质
                         
               &