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納米材料的危害如何防范?

  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2019年11月19日

納米技術與信息技術、生物技術并列為“21世紀三大科技”。目前,納米產業已經在全球形成產值數萬億美元的產業,根據美國疾病控制和預防中心統計,納米材料被用于1000多種消費品,包括化妝品、服裝和油漆。隨著納米行業的蓬勃發展,行業內工人的健康安全問題越來越受到重視。

什么是納米材料

納米材料是微小的顆粒,一納米是十億分之一米,只有大約一個病毒的大小。在生產中使用的納米材料,指的是三維空間(高度、寬度或長度)中至少有一維小于100納米(10-7米)的材料。這樣的尺寸維度是納米材料的主要特征。納米材料的獨特性質,可能實現非常奇特、理想的性能,從而導致各種不同的應用。比如:

自清潔表面。納米結構可以防止表面上的污垢附著,其效果類似于自然界的“荷葉效應”:蓮屬植物的葉子一方面弱疏水性,另一方面在納米范圍內極為粗糙的表面結構,導致接觸表面強烈減小為水滴和污垢顆粒。

抗菌性能。銀納米顆粒(由于表面效應)比宏觀銀釋放更大量的銀離子,而銀離子具有抗菌作用。

改進的機械性能。一些納米材料(尤其是碳化合物,如石墨烯和碳納米管)具有極高的拉伸強度和低重量穩定性。當碳納米管用于復合材料時,它們可以減輕重量,穩定性或增加穩定性。其他納米材料(例如二氧化硅)應用于表面,提高其抗劃傷性。

此外,納米材料還具有表面效應、量子效應、光學性能、超順磁性,具有極廣泛的應用前景。然而,納米材料也可能會造成不同于宏觀同類物質的健康損害。

納米材料的應用領域

目前,生產工廠、建筑現場、醫院、化學實驗室、藥物實驗室等是應用納米材料的典型場所。實際上,隨著納米材料使用的日益普及,各行各業的工人都可能接觸納米產品。如醫護人員(消毒劑中使用納米銀)、保潔人員(危險廢物中會有納米顆粒),其他潛在終端用戶包括消防員、卡車司機和酒店工作人員。

例如,納米技術已被廣泛用于建筑材料,建筑工人已成為納米危害風險非常高的群體。陶瓷行業使用納米材料提升陶瓷性能。陶瓷具有易碎性,而納米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3制成的陶瓷材料具有高強度、高韌性、耐磨性等特點,其塑性性能能夠吸收相當部分的外來能量,可解決普通陶瓷易碎易被破壞的缺陷。

混凝土其實已經使用納米材料幾十年。在混凝土中添加納米二氧化硅,可有效提升混凝土的物理力學性能、抗氯離子滲透性能、自收縮性能、抗凍耐久性,生產高性能混凝土。在混凝土表面使用疏水的納米涂料,還可得到“不沾水”的水泥。

普通防護鞋(右)與具有自清潔、抗污染、防水功能的納尼防護鞋(左)對比。

納米材料還被應用于個體防護裝備(PPE)。目前納米技術在個體防護裝備上應用最廣泛的是各類防護面料。納米技術對服裝面料性能的改進可通過兩種方式實現:一是將納米顆粒添加到纖維材料中制成面料,使其具有吸濕、防腐、除臭、抑菌、放靜電等性能;二是通過直接將纖維材料制成納米纖維,然后再編制成布,具有透氣性好、阻燃性能高、能擋風、可過濾細微粒子等特性。

近年來,納米二氧化鈦作為涂料或防曬劑中的防紫外線劑,納米銀作為紡織和醫療應用中的抗微生物劑,碳納米管作為高機械強度、重量輕和散熱性能好的材料,廣泛用于航天、車輛制造以及運動設備等領域。

納米材料對人體的危害

據美國國家科學基金會估計,到2020年,將會有600萬人在納米技術領域工作。然而,目前世界上還沒有納米材料的監管標準,人們至今對納米材料對工人的健康影響知之甚少,尚無納米技術和工人安全的全面規定。

美國國家職業安全和健康研究所(NIOSH)認為,吸入、誤食或透過皮膚進入人體的納米材料,可能會對健康產生不良影響。有些納米材料是不溶的,所以它們在體內停留時間更長。其他一些可能穿透細胞膜并造成損傷。

《美國工業醫學雜志》的一篇研究文章則介紹了一個人類案例:一名26歲的化學家用處理大尺寸材料的方式處理納米材料,在不通風、沒有保護措施的實驗臺上處理鎳納米顆粒粉末,出現了喉嚨刺激、鼻塞、鼻液倒流、面部潮紅等生理反應。幾項研究還測試了納米技術對動物的影響。

納米材料對肺的傷害作用已被證實,包括炎癥和組織損傷、纖維化和腫瘤生成。心血管系統也可能受到納米材料的影響,而某些類型的碳納米管會導致類似石棉的影響。2017年,世界衛生組織下屬的國際癌癥研究機構(IARC)將數種碳納米管列為致癌物。除了肺以外,納米材料被人體攝入后,還可到達其他器官和組織,如肝臟、腎臟、心臟、大腦、骨骼和軟組織。

研究認為,一些納米材料具有毒性效應。細胞的氧化應激反應、炎癥反應是兩種解釋納米材料毒性的主要機制。雖然有些人造納米材料對健康的危害已被證實,但并非所有的納米材料都必然具有毒性效應。此外,由于其尺寸小和表面積大,粉末形式的顆粒狀納米材料可能存在爆炸風險,而它們各自的粗糙材料可能不會發生爆炸。

目前,NIOSH推薦了兩種納米材料的接觸限值。根據實驗室研究、工業實踐的研究和觀察,NIOSH將碳納米管和碳納米纖維的接觸限值設定為1微克/立方米;推薦細二氧化鈦的接觸限值為2.4毫克/立方米,超細二氧化鈦為0.3毫克/立方米。

如何預防納米材料危害

目前已有不少公司采取措施防范納米危害。如成立于2002年的納米技術公司Quantum Sphere,要求NIOSH幫助保護其工人。在過去的三年中,NIOSH到訪該公司四次,審查環境和工程控制并提出改進建議。對于一般企業來說,管理人員和員工應提高納米危害的意識,在生產的各個環節加以防范。

工人可向雇主詢問其工作場所內是否存在納米材料,而雇主則可向工作場所化學品或材料的生產商核實,以確定是否存在工程納米材料。若納米材料容易分散(如粉狀、噴霧或小液滴)或沒有隔離,或沒有加以控制,那它的潛在健康安全風險就更大。

納米材料生產和使用相關企業,應為員工提供相關信息和培訓。這至少應包括:企業使用的具體納米材料和涉及的具體作業環節;工作場所暴露評估結果;控制暴露的工程措施和管理措施以及個人防護裝備;個人防護裝備用途和缺陷;發生納米材料泄漏故事時應采取的應急措施。此外,隨著納米材料的相關研究和應用日益普及和深化,它的潛在健康風險信息和暴露限值數據也在不斷完善,企業可綜合使用以下措施控制風險:

工程控制措施。作業任務涉及納米材料時,使用帶有高效過濾膜的通風密封設備(如工藝箱);若不能隔離作業,要使用帶有高效過濾膜的局部排風設備(如捕獲罩和密封罩),在納米材料產生或釋放時將其捕獲。

管理控制措施。為員工提供洗手設施,提供相關信息,鼓勵員工保持良好衛生習慣;制定納米材料泄漏或污染的應對程序。比如,禁止使用干掃或空氣壓縮的方法清理泄漏漏的納米材料,應使用濕掃和配有高效過濾膜的真空吸塵器進行清理。

個人防護裝備。為工人提供合適的個人防護裝備,如呼吸器、手套和防護衣等。

醫療檢查和監護。進行體檢,并對納米材料暴露人員進行醫療監護;參照OSHA相關標準對醫療監護的具體要求。

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