Экологические нормы и протоколы безопасности для производства наночастиц
Производство наночастиц представляет собой один из самых динамичных рубежей промышленных инноваций, позволяющий добиться прогресса в области электроники, медицины, хранения энергии и материаловедения. В качестве производственных масштабов от лабораторного синтеза до коммерческих объемов экологические и безопасные проблемы, присущие обработке вещества на наноуровне, требуют строгого регулирующего надзора и надежных эксплуатационных протоколов. Без тщательного управления наночастицы могут проникать в воздух, воду и почву, создавая острые и хронические опасности как для здоровья человека, так и для экосистем. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение экологических норм и протоколов безопасности, которые регулируют производство наночастиц, предлагая действенные рекомендации для операторов объектов, менеджеров по охране окружающей среды и специалистов по безопасности.
Понимание наночастиц и их рисков
Что такое наночастицы?
Наночастицы определяются как частицы с по меньшей мере одним измерением между 1 и 100 нанометрами. В этом масштабе материалы проявляют уникальные физические, химические и биологические свойства, которые заметно отличаются от их объемных аналогов. Высокое соотношение площади поверхности к объему, повышенная реактивность, квантовые эффекты и измененная растворимость являются одними из характеристик, которые позволяют новые применения, но также вводят неизвестные опасности. Общие инженерные наночастицы включают углеродные нанотрубки (CNTs), диоксид титана (TiO2), наночастицы серебра, оксид цинка, кремнезем и различные оксиды металлов.
Маршруты воздействия и воздействия на здоровье
Из-за их мельчайших размеров наночастицы могут вдыхаться, попадать внутрь или всасываться через кожу. Вдыхание является основной проблемой в производственных средах. Частицы могут откладываться глубоко в альвеолярной области легких, перемещаться через альвеолярно-капиллярный барьер и проникать в кровоток, достигая мозга, печени, сердца и других органов. Эпидемиологические исследования в профессиональных условиях связывают хроническое воздействие углеродных нанотрубок с легочным фиброзом, образованием гранулем и воспалением. Исследования на животных показывают, что некоторые наночастицы оксида металла могут вызывать окислительный стресс, генотоксичность и даже сердечно-сосудистые эффекты.
Дермальное воздействие может привести к локализованному раздражению или проникновению через скомпрометированную кожу. Проглатывание может происходить через перенос из рук в рот или загрязненную пищу и воду. Малый размер также позволяет наночастицам уклоняться от естественных механизмов клиренса, что приводит к долгосрочному накоплению в тканях. Появляющиеся данные свидетельствуют о том, что некоторые наноматериалы могут пересекать гематоэнцефалический барьер и плацентарный барьер, вызывая опасения по поводу развития и неврологической токсичности.
Экологические риски и экотоксичность
При выбросе в окружающую среду наночастицы могут сохраняться, транспортироваться и накапливаться. Их высокая площадь поверхности и реактивность позволяют им адсорбировать другие загрязнители, потенциально усиливая токсичность. В водных экосистемах наночастицы серебра, как известно, выделяют токсичные ионы серебра, наночастицы диоксида титана могут генерировать реактивные виды кислорода под ультрафиолетовым светом, воздействуя на водные организмы. Почвенные микроорганизмы и дождевые черви показали чувствительность к наночастицам оксида цинка и оксида меди. Долгосрочная экологическая судьба многих инженерных наноматериалов остается плохо изученной, что делает критической предупредительную регуляцию.
Экологические нормы, регулирующие производство наночастиц
Правительства и регулирующие органы во всем мире отреагировали на рост нанотехнологий, адаптируя существующие рамки и разрабатывая конкретные правила для наноматериалов. Основными целями являются ограничение выбросов, мандат практики управления отходами, требование экологического мониторинга и обеспечение соблюдения требований к раскрытию информации.
США: EPA и TSCA
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) регулирует наночастицы в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами (TSCA). В 2015 году в рамках реформы TSCA EPA начало рассматривать определенные наноразмерные материалы как «новые» химические вещества, если они уже не перечислены в инвентаре TSCA. Производители должны представлять уведомления о предварительном производстве (PMN) для новых наноматериалов, предоставляя данные о физико-химических свойствах, экологической судьбе, экотоксичности и воздействии на рабочих. EPA выпустило значительные новые правила использования (SNURs) для конкретных наноматериалов, включая многостенные углеродные нанотрубки и некоторые оксиды металлов, требующие 90-дневного обзора, прежде чем производство или импорт могут продолжаться. Кроме того, Стратегия исследований наноматериалов EPA направляет оценку и мониторинг рисков. Для текущей информации см. страницу EPA наноматериалы .
Европейский союз: REACH и ECHA
Европейское химическое агентство (ECHA) осуществляет надзор за наноматериалами в соответствии с правилами регистрации, оценки, авторизации и ограничения химических веществ (REACH). По состоянию на 2020 год производители и импортеры должны явно регистрировать наноформы веществ, с конкретными требованиями к данным, охватывающими распределение размеров частиц, форму, химию поверхности и токсикологические конечные точки. Европейская комиссия также приняла рекомендацию по определению наноматериала (2011/696/EU), а ECHA опубликовала руководство по оценке воздействия и рисков для наноматериалов на рабочем месте. Европейское химическое агентство поддерживает специальный центр наноматериалов на веб-сайте ECHA .
В соответствии с Регламентом ЕС по классификации, маркировке и упаковке (CLP) наноформы должны быть классифицированы и маркированы на предмет опасности, а паспорта безопасности (SDS) должны отражать наноспецифическую информацию. Управление отходами регулируется Рамочной директивой по отходам и Директивой о свалках, которые требуют, чтобы наноматериалы рассматривались как опасные отходы, когда они проявляют опасные свойства.
Другие международные рамки
Страны, включая Японию, Китай, Южную Корею и Австралию, ввели наноспецифические правила или руководство. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии (METI) требует уведомления о новых наноматериалах в соответствии с Законом о контроле химических веществ. Министерство охраны окружающей среды Китая выпустило технические руководящие принципы для экологического управления наноматериалами. Национальная система уведомления и оценки промышленных химических веществ Австралии (NICNAS) требует предварительного уведомления о наноматериалах для вариантов перечисленных химических веществ. Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) разработала серию программ испытаний для безопасности изготовленных наноматериалов, обеспечивая согласованные руководящие принципы испытаний для физико-химических свойств, экологической судьбы и экотоксичности.
Ключевые регуляторные органы и стандарты
Помимо основных природоохранных учреждений, органы безопасности работников и организации по стандартизации играют решающую роль в установлении допустимых пределов воздействия (PEL), протоколов мониторинга и технических руководящих принципов.
Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA)
OSHA еще не установила конкретный допустимый предел воздействия (PEL) для инженерных наноматериалов, но она обеспечивает общую оговорку об обязанности предоставлять рабочее место, свободное от признанных опасностей. OSHA рекомендует работодателям применять существующие PEL для сыпучих материалов в качестве отправной точки (например, для углеродного черного, диоксида титана) при признании того, что наноформы могут быть более опасными. Агентство также ссылается на рекомендуемые пределы воздействия (REL) Национального института охраны труда (NIOSH) для углеродных нанотрубок (1 мкг / м3 в качестве элементарного углерода) и диоксида титана (0,3 мг / м3 для ультрадисперсного, включая наноразмер). Подробное руководство доступно через страницу нанотехнологий OSHA [[FLT: 1]] ,
Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH)
NIOSH является лидером в разработке предельных значений профессионального воздействия (OEL) для наноматериалов. Их текущие разведывательные бюллетени предоставляют оценки рисков и рекомендуемые средства контроля для углеродных нанотрубок, диоксида титана и наночастиц серебра. NIOSH также публикует лучшие практики для безопасной обработки и рекомендует подходы «иерархии контроля»: элиминация, замена, инженерный контроль, административный контроль и СИЗ. Научно-исследовательский центр нанотехнологий агентства Нанотехнология является богатым ресурсом.
Международные стандарты: ISO/TC 229 и ASTM E56
Технический комитет 229 Международной организации по стандартизации (ISO/TC 229) опубликовал десятки стандартов, связанных с нанотехнологиями, включая терминологию, характеристику, токсикологию и безопасность труда (например, ISO/TR 12885:2018 для практики в области здравоохранения и безопасности). Комитет E56 ASTM International по нанотехнологиям обеспечивает стандарты для измерения, оценки воздействия и оценки риска. Многие из этих стандартов ссылаются регулирующие органы и необходимы для производителей, стремящихся продемонстрировать должную осмотрительность.
Протоколы по безопасности для защиты работников
Комплексная программа безопасности для производства наночастиц должна реализовывать многоуровневый подход с использованием иерархии элементов управления. В следующих разделах подробно описаны инженерные, административные и меры личной защиты.
Инженерные контрольные
Инженерные средства управления являются наиболее эффективным средством снижения воздействия. К ключевым системам относятся:
- Закрытые процессы — реакторы, фрезерное оборудование и распылители должны быть полностью закрыты и работать под отрицательным давлением для предотвращения высвобождения наночастиц.
- Местная вытяжная вентиляция (LEV) — Вытяжки, перчатки и вытяжки должны быть оснащены высокоэффективными фильтрами для фильтрации воздуха твердых частиц (HEPA), способными захватывать наночастицы. Системы вентиляции должны регулярно тестироваться и сертифицироваться.
- Изоляция и автоматизация — По возможности используйте устройства дистанционного управления или роботизированные системы для отделения работников от прямого контакта с порошками и подвесками.
- Мокрые методы — Когда сухой порошок нельзя избежать, смачивание или обработка суспензии уменьшает образование пыли в воздухе.
Административный контроль
Административные меры дополняют инженерные системы и включают:
- Стандартные операционные процедуры (SOP) — Письменные протоколы для приема, обработки, передачи, хранения и утилизации наноматериалов. SOP должны регулярно пересматриваться и обновляться на основе новых данных об опасности.
- Контроль доступа — Ограничение областей, где наноматериалы обрабатываются только уполномоченным персоналом. Используйте вывески, указывающие на наличие наноматериалов и требуемого СИЗ.
- Медицинское наблюдение — Установить базовые оценки состояния здоровья и периодический медицинский мониторинг для работников, включая легочные функциональные тесты и, где указано, биомаркеры воздействия.
- Ведение домашнего хозяйства — Используйте вакуумную очистку HEPA для предотвращения повторного использования. Избегайте сухой подметки. Правильно содержать и утилизировать загрязненные салфетки, одежду и фильтры.
Персональное защитное оборудование (PPE)
Если инженерно-административный контроль недостаточен, СИЗ является окончательным барьером. Для производства наночастиц рекомендуемый СИЗ включает:
- Защита органов дыхания — Как минимум, используйте фильтрующие респираторы для гарнитуры N95 или N100. Для материалов повышенной опасности (например, углеродных нанотрубок) используйте полулицо или полнолицые эластомерные респираторы с фильтрами P100. Мощные респираторы для очистки воздуха (PAPR) предлагают более высокие коэффициенты защиты для долгосрочных задач.
- Защитная одежда — одноразовые комбинезоны (Tyvek или аналогичные) с эластичными манжетами и капюшонами.Ткани должны иметь низкое проникновение частиц и быть антистатическими, если присутствуют легковоспламеняющиеся растворители.
- Перчатки — Выберите перчатки на основе данных о проникновении. Нитрильные перчатки распространены, но для агрессивных растворителей или наноматериалов высокого риска, рассмотрите ламинированные плёночные перчатки (например, Silver Shield).
- Защита глаз — защитные очки с непрямыми вентиляционными отверстиями или щитом с полным лицом для предотвращения брызг или контакта частиц с глазами в воздухе.
Подготовка кадров и контроль
Все сотрудники, поступающие в районы обработки наночастиц, должны пройти документированную подготовку, которая охватывает: опасности, характерные для используемых наноматериалов, надлежащее использование инженерных средств управления, правильное использование и дофтинг СИЗ, процедуры аварийного реагирования и протоколы обработки отходов.
Непрерывный мониторинг воздуха с использованием приборов прямого считывания (например, счетчиков частиц конденсации, сканирующих подвижных частиц) обеспечивает обратную связь в режиме реального времени о потенциальных выбросах. Периодическая личная и зональная выборка с использованием гравиметрического анализа на основе фильтра должна выполняться для проверки эффективности управления. Результаты должны сравниваться с применимыми OEL (например, NIOSH REL) и поддерживаться в записях экспозиции.
Реагирование на чрезвычайные ситуации и управление отходами
Даже при надежном контроле могут произойти разливы, утечки и сбои оборудования.Тщательно разработанный план реагирования на чрезвычайные ситуации и сертифицированная программа управления отходами незаменимы.
Реакция на разлив
Разливы с использованием сухих нанопорошек или суспензий требуют немедленного сдерживания.
- Эвакуация и выделение области.
- Сдерживание — Используйте абсорбирующие прокладки или вермикулит для жидкостей; для сухих порошков аккуратно поместите влажную ткань над разливом, чтобы минимизировать аэрозоль.
- Clean-up — Используйте HEPA-вакуум, предназначенный для разливов наноматериалов. Не используйте стандартные вакуумы с фильтрами, не относящимися к HEPA. Соберите все материалы для очистки в герметичных, меченных контейнерах.
- Деконтаминация — стирать поверхности мокрыми тканями; задействованный персонал должен принимать душ и менять одежду. Утилизировать загрязненный СИЗ в качестве опасных отходов.
Наборы для аварийного реагирования должны проводиться ежеквартально. Наборы для разлива, содержащие HEPA-вакуум, абсорбенты, одноразовые СИЗ и герметичные мешки, должны быть расположены в стратегических точках объекта.
Утилизация и утилизация отходов
Отходы наноматериалов включают неиспользованное сырье, загрязненный СИЗ, использованные фильтры, остатки процесса и неспецифические характеристики продукта. Поскольку многие наноматериалы классифицируются как опасные в соответствии с RCRA (в США) или Европейским каталогом отходов (EWC), применяются строгие протоколы:
- Характеризация — Определите, проявляют ли отходы опасные характеристики (токсичные, коррозионные, реактивные, воспламеняющиеся). Многие наноформы, которые не перечислены как опасные, все еще могут нуждаться в управлении как таковые на основе их свойств.
- Упаковка — Используйте герметичные, негерметичные контейнеры с соответствующей маркировкой (включая код отходов и утверждение о том, что отходы содержат наноматериалы).
- Хранение (FLT:0) Хранение (FLT:1) — Хранение в выделенной области с вторичным сдерживанием, вдали от несовместимых материалов и с ограниченным доступом.
- Транспорт и утилизация — Договор с лицензированным транспортером опасных отходов и установкой по утилизации. Сжигание при высоких температурах может уничтожить многие органические наноматериалы; заполнение земельных участков не рекомендуется из-за возможности выщелачивания. Варианты утилизации или рекуперации (например, для наночастиц металлов) следует исследовать там, где это возможно.
Стратегии минимизации отходов, такие как оптимизация выходов реакции и повторное использование растворителей процесса, должны быть интегрированы в производственные рабочие процессы.
Вывод: путь к безопасному и устойчивому производству наночастиц
Быстрая эволюция нанотехнологий требует одинаково динамичных нормативных и безопасных рамок. Сегодня производители должны ориентироваться в лоскутном одеянии национальных и международных правил при реализации современных инженерных средств контроля, строгой подготовки и всеобъемлющих планов управления отходами. По мере углубления научного понимания токсикологии наноматериалов допустимые пределы воздействия, вероятно, станут более строгими, а требования к мониторингу окружающей среды расширятся. Активное соблюдение существующих руководящих принципов и постоянные инвестиции в безопасные по дизайну подходы будут не только защищать работников и окружающую среду, но и укреплять общественное доверие и обеспечивать долгосрочную жизнеспособность отрасли. Рассматривая протоколы окружающей среды и безопасности как неотъемлемую часть производства - а не запоздалые мысли - менеджеры предприятий могут раскрыть преобразующий потенциал наночастиц при минимизации риска.