Сварочный аэрозоль как источник опасных для здоровья техногенных нано- и микрочастиц: электронно-микроскопический анализ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.4

СВАРОЧНЫЙ АЭРОЗОЛЬ КАК ИСТОЧНИК ОПАСНЫХ ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ ТЕХНОГЕННЫХ НАНО- И МИКРОЧАСТИЦ: ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

© 2015 К.Ю. Кириченко1,В.А. Дрозд1, В.В. Чайка1, А.В. Гридасов1, А.А. Карабцов2, К.С. Голохваст1

1 Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток 2 Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, г. Владивосток

Статья поступила в редакцию 23.11.2015

В работе приводятся первые результаты исследования морфологического и вещественного состава частиц сварного аэрозоля. Показано, что морфологически частицы представляют собой полые и цельные шары, иногда покрытые легко скалывающейся оболочкой. Встречаются и объекты иной формы - овалы, многоугольники, иглы. Обломки оболочки полых шаров имеют размер до 10 мкм (РМ10) и неровные края, что делает их и наноразмерные частицы наиболее потенциально опасными для здоровья человека компонентами сварного аэрозоля. Установлено, что частицы аэрозоля в основном состоят из Fe>Mn>Zn>Ti, но встречаются и минорные компоненты Si, О, Zr, Со, О:, Br, А, Ca, М& К, С, S.

Ключевые слова: сварка, наночастица, металл

Известно, что при выполнении электросварочных работ одним из основных опасных производственных факторов как в зоне дыхания электросварщика, так и в воздухе рабочей зоны является предельно допустимая концентрация вредных веществ в сварочных аэрозолях. Кроме того, определенную опасность представляют и мельчайшие частицы расплавленного и кристаллизовавшегося электродного покрытия, разбрызгиваемого металла электродов и сварочной ванны.

Цель работы: с помощью лазерной гранулометрии и авторской методики отбора оценить размерность частиц в сварочных аэрозолях в воздухе рабочей зоны.

Кириченко Константин Юрьевич, ведущий специалист Дрозд Владимир Александрович, научный сотрудник Международного центра обогащения минерального сырья и использования вторичных ресурсов. E-mail: v_drozd@mail. ru

Чайка Владимир Викторович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. E-mail: chaika. vv@dvfu. ru

Гридасов Александр Валентинович, кандидат технических наук, заместитель директора, заведующий кафедрой сварочного производства Карабцов Александр Александрович, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией рентгеновских методов

Голохваст Кирилл Сергеевич, доктор биологических наук, профессор, заместитель директора по развитию. E-mail: [email protected]

Материалы и методы. Пробы отбирались следующим образом: во время процесса под место сварки подставлялся стерильный пластиковый контейнер объемом 3 л с дистиллированной водой. Затем пробы транспортировались в лабораторию и высушивались. Анализ образцов проводили на сканирующем микроскопе ¡БОЬ ¡ХЛ 8100 (Япония). Образцы не напылялись. Во время экспериментов на протяжении нескольких дней использовались разные типы электродов и различная сила тока для сварки (табл. 1). Исследования проводились с использованием оборудования ЦКП «Межведомственный центр аналитического контроля состояния окружающей среды» ДВФУ.

Результаты. Как было показано [Кириченко и др., 2015], в сварочном аэрозоле преобладают нано- и микроразмерные частицы. Их изучение с помощью микроскопии затрудненно из-за крайне малых размеров и, возникающих от этого, методических трудностей. С помощью сканирующего электронного микроскопа мы изучили морфологию наиболее крупных микрочастиц сварочного аэрозоля (рис. 1-9).

Обсуждение. На рис. 1-8 можно видеть большое количество шаровидных металлических образований из сварочного аэрозоля. Поверхность этих сварочных микрочастиц разнообразна и зависит от материала электрода и силы тока. Средний размер частиц составляет от нанодиа-пазона (рис. 7в и 8в) до почти миллиметровых агрегатов (рис. 2г и 3г).На электронных фотографиях видно, что аэрозоль состоит из достаточно

большого количества острых обломков полых шаров размером до 10 мкм (РМ10). Именно эти частицы (а также наноразмерные фракции) считаются наиболее опасными для здоровья человека.

Основные элементы в составе микрочастиц достаточно стабильны - Ре>Мп>гп>Т1, но встречаются и минорные компоненты Со, Сг, Бг, А1, Са, М& К, С, Б, Б1, С1, гг.

Таблица 1. Основные и сварочные материалы, использованные в эксперименте

№ Свариваемый элемент Электрод Сила

тока

1 Труба стальная С245 0 630x12 мм УОНИ-13/55. 03 мм. ЛЭЗ 80А

2 Арматура А111, 012 мм JHJ422 03 мм 80А

3 Труба стальная С245 0620x12 мм УОНИ-13/55. 03 мм 90А

4 Двутавр №24 С245 УОНИ-13/55. 03 мм 90А

5 Арматура А111, 012 мм JHJ422 03 мм 75А

6 Труба стальная С245 0108x5 мм УОНИ-13/55. 03 мм 75А

7 Арматура А111, 012 мм Lincoln Electric. Omnia 46. 03,2 мм 90А

8 Арматура А111, 012 мм Huyndai S6013 03,2 мм 90А

9 Силумин Электрод AlMni 02 мм 90А

10 Труба чугунная ВЧШГ 0150 мм Huyndai EST 03,2 мм 100А

11 Труба С245 0 25x4 мм AWS E6013 03,2 мм 100А

12 Арматура АШ 012 мм Lincoln Electric УОНИ 13/55 04 мм 110А

13 Арматура АШ 012 мм Lincoln Electric Omnia 46 03,2 мм 80А

14 Арматура АШ 012 мм Lincoln Electric МГМ-50К 03,25 мм 80А

15 Арматура АШ 012 мм Lincoln Electric Conarc 52 7016. 04 мм 80А

16 Металлическая пластина t=12 мм. Марка стали С245 Электроды ESAB ОК 46 Е6013. 04 мм 80А

17 Труба С245 0180x5 мм УОНИ 13/55 03,2 мм 80А

18 Уголок С245 50x5 мм УОНИ 13/55 03,2 мм 80А

19 Труба 08Х18Н12Т 089x5 мм Электроды ЦЛ-11 03 мм 60А

20 Труба 08Х18Н12Т 089x5 мм Электроды S-309L.16 03,2 мм 60А

21 Труба 08Х18Н12Т 089x5 мм Электроды KST-308L 04 мм 60А

Рис. 1. Образец 3. УОНИ 13-55 03мм, труба 0630x12мм, С245, 90А

Рис. 2. Образец 5. JHJ422 03 мм, арматура AIII 012 мм, 90А

Рис. 3. Образец 6. УОНИ 13/55 стальная труба 0108 мм, толщина 5 мм, марка стали С245, 80А

Рис. 6. Образец 11. AWS Е6013 0 3,2 мм, труба С245, 0 25х4, 100А

Рис. 7. Образец 18. УОНИ 13-55 0 3,2 мм, уголок 50х5 мм, 80А

Рис. 8. Образец 20. S-309L.16 0 3,2 мм, труба 08Х18Н12Т 0 89x5 мм, 60А

а

б

в

Рис. 9 а-в. Спектры некоторых частиц сварного аэрозоля

Работа выполнена при поддержке Научного Фонда ДВФУ (№13-06-0318-м_а) и Министерства образования и науки Российской Федерации (уникальный идентификатор работ RFMEFI59414X0006).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Кириченко, К.Ю. Сварочный аэрозоль как источник опасных для здоровья техногенных наноча-стиц: гранулометрический анализ / К.Ю. Кириченко, В.А. Дрозд, В.В. Чайка и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Том 17, №5(2). (в печати).

WELDING AEROSOL AS THE SOURCE OF DANGEROUS FOR HEALTH TECHNOGENIC NANO- AND MICROPARTICLES: ELECTRONIC AND MICROSCOPIC ANALYSIS

© 2015 K.Yu. Kirichenko1, VA. Drozd1, V.V. Chayka1, A.V. Gridasov1, A.A. Karabtsov2, K.S. Golokhvast1

1 Far Eastern Federal University, Vladivostok 2 Far Eastern Geological Institutes of RAS, Vladivostok

The first results of research the morphological and material structure of welded aerosol particles are given in work. It is shown that morphologically particles represent the hollow and integral spheres, sometimes covered with easily chopping off cover. Also objects of other form - ovals, polygons, needles meet. Fragments of cover of hollow spheres have the size to 10 microns (PM10) and uneven edges that does them and nanodimensional particles by components of welded aerosol most potentially hazardous to the person's health. It is established that aerosol particles generally consist of Fe> Mn> Zn> Ti, but also the minor components Si, Cl, Zr, Co, Cr, Br, Al, Ca, Mg, K, C, S was meet.

Key words: welding, nanoparticle, metal

Konstantin Kirichenko, Leading Specialist

Vladimir Drozd, Research Fellow at the International Center

for Enrichment the Mineral Raw Materials and Using the

Secondary Resources. E-mail: [email protected]

Vladimir Chayka, Candidate of Biology, Senior Research Fellow.

E-mail: [email protected]

Alexander Gridasov, Candidate of Technical Sciences, Deputy Director, Head of the Welding Production Department Alexander Karabtsov, Candidate of Geology and Mineralogy, Chief of the X-ray Methods Laboratory

Kirill Golokhvast, Doctor of Biology, Professor, Deputy Director on Development. E-mail: [email protected]