Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
employee
Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Russian Federation
BBK 3893 Санитарное благоустройство населенных мест
Dust particles are formed in the premises of manicure rooms in connection with the procedure of filing the surface of painted or extended nails. The movement of dust particles in the working area is determined by the form of dust particles, its dispersion and density. With prolonged exposure, dust can lead to a deterioration in master’s health, in particular to the development of occupational diseases of respiratory tract. The aim of the work is to study the physico-mechanical properties of dust aerosols formed in the manicure room during the process of filing nails. In the study, parameters of interest are the true density, the dispersion composition, the coefficient of dynamic form. Consideration of these parameters is necessary for the development of an efficient dust collection system, as well as a mathematical model for the movement of dust near the local exhaust ventilation
local exhaust ventilation, dedusting system, the working zone air, nail dust, manicure cabinet, coefficient of dynamic forms
Введение. В ходе выполнения процедуры наращивания ногтей мастер маникюра подвергается воздействию широкого спектра веществ, входящих в состав используемых в работе материалов. Образуемые пары и летучие соединения могут раздражать слизистые оболочки глаз и органов дыхания. Также мастер маникюра осуществляет опиливание ногтей, выполняемое с целью придания им формы, снятия старого покрытия и т.д. Опиливание производится маникюрными пилками или при помощи специального аппарата (аппаратный маникюр). Входе опиливания образуется значительное количество пыли, негативно влияющей на здоровье мастера маникюра. Характер воздействия пыли на организм человека зависит от следующих факторов: форма частиц пыли, дисперсность, химический состав. Наиболее опасными являются размеры взвешенных части пыли менее 10 мкм (РМ10) (сокр.
PM – от англ. «particulate matter»). 80…90 % пылевых частиц величиной до 10 мкм задерживается ы верхних дыхательных путях [1]. В работах [2–5] были измерены концентрации пыли, образуемой при опиливании ногтей с гелевым и акриловым покрытием. Результаты показали, что эти концентрации значительно завышены по сравнению с рекомендуемыми европейскими и американскими стандартами.
Комплексное воздействие пыли и химических веществ, может привести к развитию профессиональных заболеваний у мастера маникюра. Наиболее распространенные виды заболеваний: аллергическая астма, ринит, конъюнктивит (в случае поражения зрительных органов), дерматит (в случае поражения кожных покровов). Стоит отметить, что содержание в пыли токсических компонентов также оказывает негативное влияние и способствует "отравлению" организма. Так как мастер маникюра находится в помещении продолжительное время важность рассматриваемого вопроса очень актуальна.
Согласно требованиям СанПиН 2.1.2.2631-10 рабочее место мастера маникюра должно быть оборудовано системой местной вытяжной вентиляции. Одной из главных задач системывытяжной вентиляции является удаление образуемых вредностей. Однако, данным требованиям, к сожалению, большинство маникюрных кабинетов и мастеров пренебрегают. Связано это с различными факторами, такими как стоимость вентиляционных систем, удобство их размещения, эффективность пылеудаления и другое. В работах [6, 7], была показана необходимость размещения на рабочих местах систем местной вытяжной вентиляции, а в [8] проведен аналитический обзор имеющихся пылеулавливающих систем для маникюрных кабинетов.
Пылевые частицы, в отличие от летучих соединений и паров, попадая в дыхательные пути, своими острыми кромками могут травмировать слизистые поверхности или оседать на них и со временем накапливаться. Так как в состав пыли могут входить опасные для здоровья химические вещества, то воздействие этих компонентов будет носить отравляющий характер.
По форме пылевые аэрозоли разделяют по сравнительной протяженности частиц в трех измерениях на три класса [9]:
- изометрические частицы, имеющие в трех измерениях примерно одинаковые размеры (шар, правильный многогранник);
- частицы, имеющие в двух измерениях значительную протяженность, чем в третьем (чешуйки, пластинки и др.);
- частицы, имеющие большую протяженность в одном измерении (иглы, стержни, волокна).
Целью работы является: исследование физико-механических характеристик пылевых аэрозолей, таких как истинная плотность, дисперсный состав, коэффициент динамической формы, необходимых для разработки эффективной системы пылеулавливания, а также математической модели движения пылевых частиц вблизи местного вентиляционного отсоса.
Методы и материалы исследования.
Исследуемая пыль. Для определения истинной плотности, дисперсного состава и коэффициента динамической формы использовались образцы пыли, полученные мастерами маникюра путем опиливания поверхности ногтей с покрытием гель-лакманикюрной пилкой с абразивностью 180-240 грит. Данные пилки используются для спиливания окрашенной поверхности ногтя, при этом есть вероятность опиливания и поверхности самого ногтя. Таким образом в конечном итоге в исследуемых образцах присутствовала ногтевая и гелевая пыль. Полученные образцы №1-3 исследовались на истинную плотность, дисперсность, микроскопию.
Определение истинной плотности пылевых частиц. Одним из основных параметров определяющих характердвижения пыли является плотность частиц. Для исследований использовалась отобранная в ходе опиливания поверхности ногтей пыль. Плотность пылевых частиц определялась пикнометрическим методом для образцов №1-2 и при помощи электронного пикнометра АТСс автоматической регулировкой температуры Pycnomatic ATC – образец №3.
Суть пикнометрического метода заключается в том, что плотность исследуемого образца определяется путем его погружения в жидкость с известной плотностью. В качестве вспомогательной жидкости использовалась дистиллированная вода с известной плотностью 1000 кг/м3. Вначале измерялась масса сухого пикнометра . Затем бралась навеска исследуемой пыли
массой 0,01 кг. Навеска помещалась в пикнометр и заливалась жидкостью до мерной риски. Пикнометр с жидкостью и навеской нагревался до состояния кипения. Таким образом, воздух, содержащийся в порах исследуемой пыли полностью удалялся из нее. По истечение 20 минут пикнометр с навеской и жидкостью снова взвешивался и определялась масса
. После этого пикнометр вымывался и в него наливалась дистиллированная вода до мерной риски, и пикнометр снова взвешивался - масса пикнометра с водой
. После всего определялась истинная плотность пыли по формуле:
Работа электронного пикнометра осуществляется по принципу вытеснения газа. Пикнометр состоит из двух камер, которые соединены между собой. Камеры оснащены датчиками давления и температуры. Сначала рабочим газом заполняется эталонная камера, затем, он перемещается в измерительную камеру известного объема. В измерительную камеру помещается образец твердого материала, плотность которого необходимого определить. В ходе проведения эксперимента снимаются показания датчиков, составляются уравнения материального баланса, из которых определяется объем исследуемого материала. По полученным значениям массы и объема образца, рассчитывается его истинная плотность. В результате измерения истинной плотности образца №3 ее значение составило 1240 кг/м3. Отличие полученных данных входе проведения экспериментов для исследуемых образцов пыли составила менее 1 %.
Определение дисперсного (гранулометрического) состава.
Рассеивание пылевых аэрозолей в воздухе в значительной мере определяется их дисперсным составом. Мелкие частицы пыли осаждаются медленнее, что позволяет ей дольше задерживаться в воздухе и, соответственно, вероятность попадания такой пыли в организм увеличивается.
В процессе опиливания поверхности окрашенных или наращенных ногтей образуется значительное количество мелкодисперсной пыли. Попадая в воздух рабочей зоны частицы размером менее 10 микрон способны оставаться во взвешенном состоянии достаточно долго [12, 14].
В работе [13] частицы, которые могут попасть в дыхательные пути, разделены на три типа. Во-первых, ингаляционные частицы, которые осаждаются во рту, гортани и глотке и имеют диаметр более 20 мкм; во-вторых, торакальный, который залегает за пределы гортани, но выше дыхательных путей и находится между 5–20 мкм в диаметре; и, в-третьих, вдыхаемые, которые могут осаждать в бронхиолах и альвеолярных протоках. Эти меньшие частицы имеют диаметрне более 5 мкм и считаются наиболее раздражающими и опасными, т.к. могут вызвать эмфизему и фиброз [14].
Крупность частиц пыли, образуемой в процессе опиливания, определялась путем проведения дисперсного анализа лазерным анализатором размера частиц Analysette 22. Принцип действия прибора заключается виспользовании физического принципа рассеяния электромагнитных волн. При помощи диспергирующего устройства частицы подаются в измерительную ячейку и проходят сквозь лазерный луч, при этом свет, рассеянный пропорционально размеру частиц, посредством линзы фокусируется на детектор. Распределение частиц по размерам рассчитывается по распределению рассеянного света. В результате этого получают объемные доли, которые соответствуют эквивалентным диаметрам при лазерной дифракции.
Определение коэффициента динамической формы частиц.
Частицы пыли чаще всего имеют неправильную форму, которая свойственна для обломков твердых тел, которые образуются при определенных технологических процессах. Форма пылевой частицы оказывает влияние на характер ее движения особенно при осаждении, оказывая тем самым влияние на скорость осаждения частицы и время нахождения ее во взвешенном состоянии.
В решении некоторых инженерных задач необходимо знать численное значение степени неправильности формы частиц. Численная характеристика формы частиц описывается такими параметрами как коэффициент формы ,коэффициент сферичности
, а также коэффициент динамической формы
. Чаще всего эти коэффициенты определяют путем сравнения исследуемой частицы с частицей имеющей форму шара, эквивалентной рассматриваемой по какому-либо признаку.
В литературе коэффициент сферичности [10, 15] принимается равным отношению поверхности шара с объемом, равным объему данной частицы, к площади ее поверхности
(1)
Для шарообразных частиц коэффициент сферичности , а для частиц неправильной формы –
. Зависимость между коэффициентом формы и коэффициентом сферичности можно выразить следующим образом
(2)
В этом случае для шарообразной частицы , а для частиц другой формы –
.
В работе [11] определение коэффициента динамической формы частицы для малых значений числа Рейнольдса представляет собой отношение аэродинамической силы сопротивления рассматриваемой частицы к аэродинамической силе сопротивления шара
, эквивалентного частице по объему, при одинаковой относительной скорости:
(3)
или с учетом
, (4)
, (5)
где – площадь характерного сечения частицы, м2;
– плотность частицы, кг/м3;
– относительная скорость частицы, м/с;
– коэффициент сопротивления частицы;
– эквивалентный диаметр частицы, м.
Если за характерное сечение частицы принять миделево сечение шара, эквивалентного частице по объему, то
, (6)
Коэффициент динамической формы можно также определить как отношение квадратов эквивалентного диаметра и седиментационного
– диаметр шара имеющий плотность и скорость осаждения, что и рассматриваемая частица [9, 11, 15]:
, (7)
В некоторых случаях скорость падения частицы сравнивают со скоростью падения шара, эквивалентного частице по объему
, (8)
Зависимость между коэффициентом динамической формы и
согласно [11] выражается зависимостью:
- для области автомодельности:
;
- для области вязкого обтекания:
.
Зависимость между коэффициентом динамической формы, коэффициентом формы и числом Рейнольдса рассмотрена в работе [15]:
- при Re<0,2:
;
- при
:
;
- при
:
.
Результаты и их анализ. Полученные значения дисперсного состава исследуемых образцов пыли, полученных нами от мастеров маникюра, представлены в таблицах 1–3 и на рисунках 1–3.
Таблица 1
Дисперсный состав образца пыли №1
|
Диаметр частиц |
< 5 |
5–10 |
10–20 |
20–40 |
40–60 |
60–100 |
> 100 |
|
Содержание отдельных фракций частиц от общей массы пыли |
1,6 |
0,3 |
4,82 |
11,22 |
10,31 |
22,12 |
49,63 |
|
Доля частиц мельче |
1,6 |
1,9 |
6,72 |
17,94 |
28,25 |
50,37 |
100 |
Рис. 1. График распределения частиц пыли образца №1
Таблица 2
Дисперсный состав образца пыли №2
|
Диаметр частиц |
< 5 |
5–10 |
10–20 |
20–40 |
40–60 |
60–100 |
> 100 |
|
Содержание отдельных фракций частиц от общей массы пыли |
2,73 |
1,65 |
6,07 |
10,88 |
10,83 |
21,95 |
45,9 |
|
Доля частиц мельче |
2,73 |
4,38 |
10,45 |
21,32 |
32,15 |
54,1 |
100 |
Рис. 2. График распределения частиц пыли образца №2
Таблица 3
Дисперсный состав образца пыли №3
|
Диаметр частиц |
< 5 |
5–10 |
10–20 |
20–40 |
40–60 |
60–100 |
> 100 |
|
Содержание отдельных фракций частиц от общей массы пыли |
2,24 |
1,31 |
3,27 |
6,3 |
7,9 |
18,45 |
60,53 |
|
Доля частиц мельче |
2,24 |
3,55 |
6,82 |
13,12 |
21,02 |
39,47 |
100 |
Рис. 3. График распределения частиц пыли образца №3
По результатам дисперсного анализа содержание в исследуемой пыли частиц размером меньше 10 мкм составляет менее 5 %. Однако стоит обратить внимание на тот факт, что мастер маникюра проводит по несколько процедур в день, таким образом, количество вредной пыли в воздухе рабочей зоны может накапливаться. Кроме этого процесс опиливания мастер проводит достаточно близко к области пылеобразования, тем самым подвергая себя большей вероятности попадания пыли в организм. Большое количество частиц крупностью выше 100 мкр объясняется использованием пилки с крупными частицами абразивного материала.
Изображения, полученные по результатам микроскопии, представлены на рисунках 4 и 5.
Согласно проведенному визуальному анализубыло установлено, что в исследуемых образцах пыли преобладают частицы продолговатой и пластинчатой форм (рис. 4 б, д, е; рис. 5 б-г), которые могут иметь грубые и неровные края. Данные частицы, могут длительное время находится во взвешенном состоянии и перемещаться по воздуху в помещении. В результате этого вероятность попадания таких частиц в дыхательную системы возрастает. Скорость оседания исследуемых частиц значительно ниже, чем, например, шарообразных, так как имея пластинчатую и продолговатую форму, сила аэродинамического сопротивленияу них значительно выше. Микроскопия ногтевой пыли, полученная в работе [13] практически совпадает с результатами, полученными в нашей работе (см. рис. 6) – преобладают частицы пластинчатой формы. Более мелкие частицы размером меньше 20 микрометров можно описать как куски неправильной формы или осколки (рис. 4в).
Для определения численных значений коэффициента динамической формы пластинчатых частиц исследуемой пыли выберем несколько частиц (рисунок 7). Выборка частиц производилась произвольно, в частности были выбраны частицы, чьи линейные размеры в трех измерениях возможно определить. Для выбранных частиц по результатам полученных фотографий определяются их геометрические параметры: длина, ширина и толщина.
Методика определения коэффициента динамической формы заключается в следующем: [15].
Определим объемы рассматриваемых частиц V, мм3путем измерения ее геометрических размеров по максимальной протяженности в каждом измерении. Были выбраны частицы, чьи геометрические размеры по результатам микроскопии можно измерить в трех изммерениях с минимальной погрешностью, а также различной протяженности. Предпочтения отдавалось частицам пластинчатой формы (форма определялась визуально).
|
а |
б |
|
в |
г |
|
д |
е |
|
Рис. 4. Микроскопия ногтевой пылиобразцов №1-2: а) при 40 кратном увеличении; б-в) при 2000 кратном увеличении; г-е) при 200 кратном увеличении |
|
|
а |
б |
|
в |
г |
|
Рис. 5. Микроскопия ногтевой пылиобразца №3: а) при 40 кратном увеличении; б-г) при 200 кратном увеличении |
|
Рис. 6. Микроскопия ногтевой пыли [13]
Рис. 7. Выборка пластинчатых частиц
Для рассматриваемых частиц объемы составили:
мм3,
мм3,
мм3.
мм3.
- Найдем диаметр шара
, эквивалентного по объему рассматриваемой частице.
мм,
мм,
мм.
мм.
- Определим площадь поверхности эквивалентного по объему шара и частицы.
мм2,
мм2,
мм2,
мм2,
мм2,
мм2,
мм2,
мм2.
- Отношение площади поверхности рассматриваемой частицы к площади поверхности эквивалентного по объему шара даст численное значение коэффициента формы.
- Определим критерий Архимеда для шарообразной частицы, эквивалентной рассматриваемой. Динамическая вязкость воздуха
и плотность воздуха
принимаются равными
и 1,2 кг/м3 соответственно (для температуры воздуха в помещении 20 °С). Значение плотности
примем равным 1250 кг/м3 (данное значение получено в ходе исследования истинной плотности пыли).
- Вычислим число Рейнольдса и по найденному значению определим режим обтекания эквивалентной частицы
- Определим значение коэффициента динамической формы для рассматриваемых частиц с учетом найденного значения числа Рейнольдса
Полученные численные значения коэффициента динамической формы для рассматриваемых частиц находятся в пределах 1,38–1,55. Учитывая, что толщина частиц более чем в 10 раз меньше длины и ширины, то данные пластинчатые частицы можно классифицировать как чешуйки. В [11] значение коэффициента динамической формы для пластинчатой частицы составили 6,5, однако данное значение было получено для области автомодельности и описания геометрических характеристик рассматриваемых частиц в работе нет
Выводы. В ходе проведенной работы было выявлено следующее:
- определено значение истинной плотности гелевой пыли, которое в среднем составляет 1250 кг/м3;
- получен гранулометрический состав пыли, исходя из которого можно определить содержание частиц пыли различной фракции;
- по фотографиям, полученным с электронного микроскопа было определено, что значительную долю составляют частицы пыли, имеющие форму пластин различной протяженности;
- посчитаны численные значения коэффициента динамической формы для выбранных пластинчатых частиц, которые находятся в пределах 1,4–1,5.
Полученные в ходе исследования данные позволят провести численное исследование движения рассматриваемых пылевых частиц, что позволит в дальнейшем для их локализации и удаления спроектировать и подобрать необходимое вытяжное оборудование.
Источник финансирования. Грант Российского научного фонда (проект № 18-79-10025).
1. Luzhnikov E.A. Medical Toxicology: Na-tional Leadership, Ed. E.A. Luzhnikov. M.: GE-OTAR-Media, 2012, 928 p.
2. Goldinn L.J., Ansher L., Berlin A. etc. In-door air quality survey of nail salons in Boston. Journal of Immigrant and Minority Health, 2014, vol. 16, issue 3, pp. 508-514.
3. Roelofs C, Do T. Exposure assessment in nail salons: an indoor air approach. International Scholarly Research Network Public Health, 2012, vol. 2012, pp. 1-7.
4. Averkova O.A., Kryukov I.V., Kryukova O.S. On the issue of local exhaust ventilation systems in rooms with high dust content. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2018, no. 4, pp. 50-55.
5. Hiipakka D., Samimi B. Exposure of acrylic fingernail sculptors to organic vapors and methacrylate dusts. Am Ind Hyg Assoc J. 1987, 48, pp. 230-237.
6. Marlow D.A., Looney T., Reutman S. An Evaluation of Local Exhaust Ventilation Systems for Controlling Hazardous Exposures in Nail Sa-lons. Washington, DC: Centers for Disease Con-trol and Prevention (CDC), National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH); 2012. Division of Applied Research and Technology, Engineering and Physical Hazards Branch, EPHB Report No. 005-164.
7. Shakibaei N. Reducing Workers’ Expo-sures to Chemicals and Dust in Nail Salons Using Local Exhaust Ventilation Systems. Diss. Uni-versity of Washington, 2014.
8. Averkova O.A., Zaitsev O.N., Kryukov I.V., Uvarov V.A., Kryukova O.S. Ways and means of localization of dust emissions in cos-metological cabinets. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2018, no. 10, pp. 80-89.
9. Fuchs N.A. Mechanics of aerosols. M. The USSR Academy of Sciences, 1955, 383 p.
10. Gavrilova N.N., Nazarov V.V., Yarovaya O.V. Microscopic methods for determining the particle size of dispersed materials: study guide. M.: RHTU them. DI. Mendeleev, 2012, 52 p.
11. Neykov O.D., Logachev I.N. Aspiration and dedusting of air in the production of powders. Moscow, Metallurgy, 1981, 192 p.
12. Purkiss R. Air safety and environmental protection equipment. Brit Pod Med, 1997, vol. 52, pp. 129-136.
13. Donaldson C., Carline T., Brown D., Gilmour P., Donaldson K. A study to ascertain the potential hazardous dust. British Journal of Podiatry, February 2003, 6 (1), pp. 28-32.
14. Abramson C., Wilton J. Inhalation of Nail dust onychomycotic toenails. Part I. Charac-terization of particles. Journal of the American Podiatric Medical Association, 1985a, 75, pp. 563-567.
15. Razumov I.M. Pneumo and hydrotran-sport in the chemical industry. M., "Chemistry", 1979, 248 p
