Определение частиц микро- и нанодиапазона в воздухе рабочей зоны на предприятиях горнодобывающей промышленности

По уровню влияния на здоровье человека взвешенные частицы, особенно мелкие, Всемирной организацией здравоохранения отнесены к приоритетным загрязняющим веществам.

Опасность пылевых частиц для здоровья человека подтверждена данными многолетних отечественных и зарубежных исследований. Наибольшую угрозу для здоровья человека представляют собой частицы фракций PM 2,5 и PM 10 . PM 2,5 – это частицы с аэродинамическим диаметром 2,5 мкм и менее, PM 10 – частицы с аэродинамическим диаметром 10 мкм и менее. PM 10 и PM 2,5 содержат респирабельные частицы, которые имеют настолько малый диаметр, что могут проникать в торакальный отдел дыхательной системы. Влияние респирабельных мелкодисперсных частиц на здоровье имеет полное документальное подтверждение [1, 3].

Это влияние обусловлено как кратковременной (в течение часов или дней), так и долговременной (в течение месяцев или лет) экспозицией и включает: респираторную и сердечно-сосудистую заболеваемость, например, обострение астмы и респираторных симптомов, и рост числа случаев госпитализации; смертность от сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний, от рака легкого.

Одним из новых актуальных направлений в современных гигиенических исследованиях является определение частиц в наноразмерном состоянии, аэродинамический диаметр которых менее 0,1 мкм. В наноразмерном состоянии любые вещества приобретают новые химические, физические и биологические свойства, существенно отличающиеся от таковых в мак-рообъемном состоянии [2, 9, 10].

Анализ большого числа научных исследований показал, что наночастицы обладают более высокой токсичностью, чем обычные микрочастицы, способны проникать в неизменном виде через клеточные барьеры, а также через гематоэнцефалический барьер в центральную нервную систему, циркулировать и накапливаться в органах и тканях, вызывая более выраженные патоморфологические поражения внутренних органов, а также, обладая длитель-

ным периодом полувыведения, крайне тяжело выводятся из организма [5, 7, 11, 13].

В связи с токсичностью мелкодисперсных и ультратонких частиц существует необходимость организации контроля их содержания в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны промышленных предприятий, в процессе производственной деятельности которых образуются взвешенные частицы.

Во многих отраслях промышленности – таких как металлургия, горнодобывающая промышленность, производство строительных материалов, производство минеральных удобрений – в основном используются сыпучие и гранулированные материалы. В процессе их переработки и транспортировки неизбежно создаются аэро-дисперсные системы [6, 12]. Но на сегодняшний день на территории Российской Федерации корректная оценка экспозиции рабочих, занятых на том или ином производстве, к мелкодисперсной пыли и наночастицам затруднена, что обусловлено недостаточностью актуальных данных о дисперсном составе пылевых выбросов производственных процессов, отсутствии норматино-мето-дических документов по контролю содержания наночастиц в воздухе рабочей зоны [2, 8].

Контроль общей запыленности воздуха является обязательным в литейных цехах, сварочных мастерских, шахтах, в строительстве, на цементных и кирпичных заводах и т.д. Промышленные аэрозоли отличаются от естественных более высокой концентрацией, дисперсностью, микроструктурой частиц и химическим составом.

В зависимости от конкретного производства изменяется не только химический, но и физический состав пыли, вследствие чего необходим систематический контроль, в том числе исследование дисперсного состава этой пыли, в особенности наиболее мелких фракций.

Высокое содержание и токсичность мелкодисперсных частиц обусловливают необходимость организации контроля их содержания в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий.

Цель работы – исследование содержания частиц микро- и нанодиапазона в воздухе рабочей зоны горнодобывающего предприятия.

Материалы и методы. Определение мелкодисперсных частиц в воздухе рабочей зоны выполнялось лазерным анализатором аэрозоля DustTrak 8533. В анализаторе пыли DustTrak 8533 (США) реализован принцип лазерной нефелометрии, что дает возможность измерений концентраций в широком динамическом диапазоне.

Диапазон размеров регистрируемых частиц 0,1–15 мкм. Диапазон измерения массовой концентрации аэрозоля 0,1–150 мг/м3. Анализатор предназначен для измерения массовой концентрации аэрозольных частиц в воздухе рабочей зоны, технологического контроля систем кондиционирования, вентиляционных систем и чистоты воздуха объектов различного назначения.

Распознавание наночастиц по размерам и измерение счетной концентрации наночастиц проводилось с использованием диффузионного аэрозольного спектрометра ДАС 2702. Прибор позволяет получать распределение частиц по размерам в диапазоне от 3 до 200 нм; предел измерения 50 000 частиц в см3.

Инструментальные исследования воздуха рабочей зоны проводили в 2015 г. на рабочих местах предприятия горнодобывающей промышленности. Исследование осуществлялось на рабочих местах машиниста мельниц, фильтровальщика ленточного конвейера, центрифу-говщика, аппаратчика дозирования в цехе с баней для выпарки аминов из бочек, в сушильногрануляционном отделении (СГО) на рабочих местах транспортерщика конвейера, аппаратчика сушки бака приготовления красителя, аппаратчика сушки скрубберов «Вентури» для мокрой очистки отходящих газов, аппаратчика гранулирования двухвалковой дробилки, аппаратчика гранулирования скребковых конвейеров. Для сравнительной оценки исследовали качество воздуха рабочей зоны административного помещения, изолированного от производственного процесса.

Обследованное предприятие является ведущим в мире производителем калия, на долю компании приходится около 20 % мирового производства калийных удобрений. Предприятие занимает первое место в мире по объемам производства хлористого калия. В основном производственном подразделении компании работают около 11 300 сотрудников. Ведущими производственными факторами, воздействующими на работников и определяющими структуру риска, являются: пыль сильвинита, шум, тяжесть трудового процесса, работа в подземных условиях. Основной из этих факторов – пылевой.

По данным научной литературы, пыль калийной руды следует относить к аэрозолям смешанного типа с преобладанием общетоксического действия. Степень и характер направ- ленности изменений показателей заболеваемости, функции внешнего дыхания, перекисного окисления липидов и активности ферментов сыворотки крови горнорабочих отражают интенсивность и длительность воздействия пылевого фактора [4, 8, 14].

Результаты и их обсуждение. По результатам исследования воздуха рабочей зоны предприятия ОАО «Уралкалий» непосредственно во время производственного процесса была установлена массовая концентрация взвешенных частиц фракций PМ 1 , РМ 2,5 , РМ 10 (табл. 1).

Максимальная запыленность воздуха установлена на рабочих местах аппаратчика гранулирования СГО 4-го разряда (двухвалковая дробилка), аппаратчика сушки 5-го разряда СГО (бак приготовления красителя), транспор-терщика СГО (конвейера) и аппаратчика сушки 5-го разряда СГО (скрубберы «Вентури» для мокрой очистки отходящих газов), массовая концентрация взвешенных частиц фракции РМ 10 (по среднему значению) для них составила 2,197; 1,520; 1,500; 1,487 мг/м³ соответственно, по максимальному значению – 3,467; 4,013; 2,127; 2,123 мг/м³ соответственно.

Минимальное содержание мелкодисперсной пыли было определено на рабочем месте аппаратчика дозирования (баня для выпарки аминов из бочек) и составило по среднему значению 0,061 мг/м3, что, вероятно, может быть объяснено высокой влажностью воздуха – более 85 % – и быстрым оседанием частиц.

Сравнительный анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что на восьми рабочих местах из девяти исследованных установлено превышение к контролю содержания мелкодисперсной пыли фракции РМ 10 от 4 до 13 раз, РМ 4,0 и РМ 2,5 – от 4 до 9 раз, РМ 1,0 – от 3,5 до 9,5 раза.

При определении мелкодисперсных частиц (PM 1,0 , PM 2,5 , PM 10 ) в воздухе рабочей зоны всех исследуемых объектов (администрация, рабочие места) установлено, что преобладают частицы размером 1 мкм и менее (PM 1,0 ). При этом мелкая фракция РМ 1,0 составляет от 53 до 85 %.

Повышенное содержание в воздухе рабочей зоны мелкодисперсных частиц фракции PM 1,0 позволило предположить наличие частиц более мелкой дисперсности и продолжить исследование содержания частиц уже в нанодиа-позоне. Результаты данной рапботы представлены в табл. 2 и на рисунке.

По результатам исследований воздуха рабочей зоны на территории администрации (рабочее место сравнения) можно сделать вывод,

Таблица 1

Концентрации состава мелкодисперсных пылей в воздухе рабочей зоны

Рабочее место	PM 1 , мг/м 3		PM 2,5 , мг/м 3		PM 10 , мг/м 3
	M ± m	min max	M ± m	min max	M ± m	min max
Администрация	0,122±0,022	0,097 0,227	0,130±0,026	0,111 0,237	0,166±0,033	0,117 0,308
Машинист мельниц	0,577±0,115	0,316 0,876	0,599±0,120	0,346 0,901	0,679±0,136	0,396 1,012
Фильтровальщик (сменный) на ленточном конвейере, перегрузка готового продукта	0,483±0,097	0,317 0,751	0,531±0,106	0,389 0,816	0,778±0,156	0,476 1,420
Центрифуговщик	0,443±0,089	0,321 0,816	0,489±0,098	0,395 0,873	0,769±0,154	0,475 1,630
Аппаратчик дозирования, баня для выпарки аминов из бочек	0,061±0,012	0,041 0,106	0,064±0,013	0,043 0,112	0,073±0,015	0,045 0,141
Транспортерщик (сменный) СГО конвейера	0,840±0,168	0,707 1,078	0,911±0,182	0,856 1,150	1,500	1,153 2,123
Аппаратчик сушки СГО, скрубберы «Вентури» для мокрой очистки отходящих газов	0,947±0,189	0,730 1,237	1,057±0,211	0,814 1,357	1,487±0,297	1,006 2,127
Аппаратчик сушки, бак приготовления красителя	0,915±0,183	0,717 2,973	1,053±0,211	0,827 3,140	1,520±0,304	1,097 4,013
Аппаратчик гранулирования, двухвалковая дробилка	1,177±0,235	0,665 1,893	1,260±0,252	0,739 1,997	2,197±0,439	1,220 3,467
Аппаратчик гранулирования (скребковые конвейеры)	0,700±0,140	0,317 1,117	0,786±0,157	0,359 1,220	1,323±0,265	0,648 2,227

Таблица 2

Рабочее место	Максимальная концентрация частиц, млн/м 3	Диапазон размера частиц с максимальной концентрацией, нм
Администрация	1012±202	30–35
Машинист мельниц	13805±2761	20–25
Фильтровальщик (сменный), ленточные конвейеры перегрузки готового продукта	6075±1215	10–15
Центрифуговщик 3-го разряда, центрифуги	9698±1940	10–15
Аппаратчик дозирования 4-го разряда, баня для выпарки аминов из бочек	42468±8494	15–20
Транспортерщик (сменный) СГО (контейнеры)	54279±10856	25–30
Аппаратчик сушки 5-го разряда СГО, скрубберы «Вентури» для мокрой очистки отходящих газов	68466±13693	45–50
Аппаратчик сушки 5-го разряда СГО, бак приготовления красителя	67144±13429	45–50
Аппаратчик гранулирования СГО 4-го разряда (двухвалковая дробилка)	19440±3888	35–40
Аппаратчик гранулирования СГО 3-го разряда (скребковые конвейеры)	26218±5243	25–30

Исследование воздуха рабочей зоны в нанодиапазоне

■ Администрация ■ Производственный процес

Рис. Сравнительная оценка концентрации наночастиц при производственном процессе и в воздухе административного помещения что максимальная концентрация частиц находится в диапазоне размеров 25–40 нм, счетная концентрация ~953–1012 млн частиц на м3 (с максимумом, принадлежащим частицам размером ~ 30–35 нм).

Максимальная счетная концентрация наночастиц установлена в воздухе рабочей зоны аппаратчика сушки 5-го разряда СГО (бак приготовления красителя), аппаратчика сушки 5-го разряда СГО (скрубберы «Вентури» для мокрой очистки отходящих газов) и составила ~63 925–68 466 млн частиц на м3 с максимумом, принадлежащим частицам размером ~40–50 нм.

Всего при исследовании всех рабочих мест установлено достоверное превышение содержания наночастиц от 5 до 68 раз в воздухе рабочей зоны непосредственно во время производственного процесса по отношению к контролю.

Особое внимание обращают на себя результаты исследования воздуха рабочей зоны аппаратчика дозирования (баня выпарки аминов из бочек), где была отмечена минимальная концентрация взвешенных частиц, значение которой было даже ниже, чем в административном помещении, в 2 раза, при этом фракция РМ 1,0 составила порядка 83 %. Фракционный анализ наноразмерных частиц для данного процесса показал сравнительно высокое значение счетной концентрации, превышающее контроль более чем в 40 раз, ~41 822–42 468 млн частиц на м³ с максимумом, принадлежащим частицам размером ~10–20 нм.

Выводы. Представленные исследования могут быть использованы в качестве дополнительной информации при оценке условий труда, вредных факторов и профессионального риска при производстве и применении материалов, содержащих микро- и наноразмерные частицы, а также производственных процессов с их образованием.

Кроме того, результаты выполненных исследований позволяют говорить о необходимости проведения контроля содержания взвешенных частиц в воздухе рабочей зоны. Полученные результаты подтверждают актуальность оценки фракционного состава воздуха рабочей зоны для дальнейшей разработки и обоснования нормативов предельно допустимых концентраций, что является значимым с гигиенической точки зрения при оценке риска здоровью рабочих, профилактике и лечении профессиональных заболеваний.