Dustiness and deagglomeration testing: interlaboratory comparison of systems for nanoparticle powders

Different types of aerosolization and deagglomeration testing systems exist for studying the properties of nanomaterial powders and their aerosols. However, results are dependent on the specific methods used. In order to have well-characterized aerosols, we require a better understanding of how system parameters and testing conditions influence the properties of the aerosols generated. In the present study, four experimental setups delivering different aerosolization energies were used to test the resultant aerosols of two distinct nanomaterials (hydrophobic and hydrophilic TiO2). The reproducibility of results within each system was good. However, the number concentrations and size distributions of the aerosols created varied across the four systems; for number concentrations, e.g., from 10(3) to 10(6) #/cm(3). Moreover, distinct differences were also observed between the two materials with different surface coatings. The article discusses how system characteristics and other pertinent conditions modify the test results. We propose using air velocity as a suitable proxy for estimating energy input levels in aerosolization systems. The information derived from this work will be especially useful for establishing standard operating procedures for testing nanopowders, as well as for estimating their release rates under different energy input conditions, which is relevant for occupational exposure.

Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.

Suitability of human and mammalian cells of different origin for the assessment of genotoxicity of metal and polymeric engineered nanoparticles.

Nanogenotoxicity is a crucial endpoint in safety testing of nanomaterials as it addresses potential mutagenicity, which has implications for risks of both genetic disease and carcinogenesis. Within the NanoTEST project, we investigated the genotoxic potential of well-characterised nanoparticles (NPs): titanium dioxide (TiO2) NPs of nominal size 20 nm, iron oxide (8 nm) both uncoated (U-Fe3O4) and oleic acid coated (OC-Fe3O4), rhodamine-labelled amorphous silica 25 (Fl-25 SiO2) and 50 nm (Fl-50 SiO) and polylactic glycolic acid polyethylene oxide polymeric NPs - as well as Endorem® as a negative control for detection of strand breaks and oxidised DNA lesions with the alkaline comet assay. Using primary cells and cell lines derived from blood (human lymphocytes and lymphoblastoid TK6 cells), vascular/central nervous system (human endothelial human cerebral endothelial cells), liver (rat hepatocytes and Kupffer cells), kidney (monkey Cos-1 and human HEK293 cells), lung (human bronchial 16HBE14o cells) and placenta (human BeWo b30), we were interested in which in vitro cell model is sufficient to detect positive (genotoxic) and negative (non-genotoxic) responses. All in vitro studies were harmonized, i.e. NPs from the same batch, and identical dispersion protocols (for TiO2 NPs, two dispersions were used), exposure time, concentration range, culture conditions and time-courses were used. The results from the statistical evaluation show that OC-Fe3O4 and TiO2 NPs are genotoxic in the experimental conditions used. When all NPs were included in the analysis, no differences were seen among cell lines - demonstrating the usefulness of the assay in all cells to identify genotoxic and non-genotoxic NPs. The TK6 cells, human lymphocytes, BeWo b30 and kidney cells seem to be the most reliable for detecting a dose-response.

A fotocatálise heterogênea e sua aplicação ambiental

This article gives some basic principles of heterogeneous photocatalysis using titanium dioxide as photocatalyst and the state of art of its applications to the abatement of aqueous and atmospheric pollutants.

Characterization of Mechanically Alloyed Nanocrystalline Fe(Al): Crystallite Size and Dislocation Density

A nanostructured disordered Fe(Al) solid solution was obtained from elemental powders of Fe and Al using a high-energy ball mill. The transformations occurring in the material during milling were studied with the use of X-ray diffraction. In addition lattice microstrain, average crystallite size, dislocation density, and the lattice parameter were determined. Scanning electron microscopy (SEM) was employed to examine the morphology of the samples as a function of milling times. Thermal behaviour of the milled powders was examined by differential scanning calorimetry (DSC). The results, as well as dissimilarity between calorimetric curves of the powders after 2 and 20 h of milling, indicated the formation of a nanostructured Fe(Al) solid solution

Influence of elastic anisotropy on structural nanoscale textures

We study the influence of elastic anisotropy on nanoscale precursor textures that exist in some shape-memory alloys and show that tweed occurs in the limit of high elastic anisotropy while a nanocluster phase-separated state occurs for values of anisotropy inhibiting the formation of martensite. These results are consistent with specific heat data, elastic constant measurements, and zero-field cooling or field cooling experiments in nonstoichiometric NiTi alloys.

Suodatuskalvon puhdistaminen UV-valolla tai ultraäänellä aktivoidulla titaanidioksidilla

Kalvotekniikan suurin ongelma on edelleen kalvon likaantuminen, jonka tuloksena kalvon erotuskyky voi muuttua ja liuoksen vuo kalvon läpi pientyä huomattavasti. Kalvotekniikan teollisissa sovelluksissa kalvojen puhdistus on yksi tärkeimmistä pääkohdista, sillä se määrittää kalvon käyttöikää ja käyttötehokkuutta. Yleisimmin käytetyn kemiallisen pesun tuloksena muodostuu hävitettävä pesuliuos, joka sisältää sekä kemikaaleja, että kalvosta poistetun lian. Työssä on tutkittu kalvon puhdistusta ultravioletti-valo- tai ultraäänikäsittelyssä titaanidioksidin läsnäollessa. Menetelmien mahdollisina etuina ovat kalvosta poistetun lian hajotus harmittomiksi komponenteiksi ja mahdollisesti kalvon pienempi kuluminen pesussa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden hajottamista ultraviolettivalon tai ultraäänikäsittelyn avulla titaanidioksidin läsnäollessa sekä olosuhteiden vaikutusta menetelmien tehokkuuteen. Tämän lisäksi työssä on keskitytty polymeerikalvojen UV-valo- ja ultraäänikäsittelykestävyyteen. Kokeellisessa osassa on tutkittu UV-valo- ja ultraäänikäsittelyjen sopivuutta liatun PVDF-kalvon puhdistukseen titaanidioksidin läsnäollessa. Tavoitteena oli liatun kalvon permeabiliteetin palautus puhtaan kalvon tasolle käsittelyn avulla. Kalvon kestävyyttä on myös tutkittu. Tämän työn perusteella tutkittuja menetelmiä ei voida soveltaa tarkistettavan PVDF-kalvon puhdistukseen, ainakaan testeissä käytetyissä olosuhteissa, sillä kalvon ominaisuudet muuttuvat käsittelyissä.

Dióxido de titânio sol-gel: propriedades e comportamento eletrocrômico

Titanium dioxide was prepared by hydrolysis and polycondensation of titanium tetraisopropoxide. TiO2 films were obtained by spin coating of the precursor solution on ITO substractes (glass covered with indium doped tin oxide). Films were prepared using different temperatures and hydrochloric acid contents. The effect of the drying temperature of the films (100 or 400ºC) was also investigated. TiO2 films were characterized by cyclic voltammetry, chronoamperometry, ultraviolete-visible spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffractrometry.

Estudo do biomaterial Ti-6Al-4V empregando-se técnicas eletroquímicas e XPS

The Ti-6Al-4V alloy used as biomaterial has been used over the last years. The literature shows controversies concerning the kind and the chemical composition of the film naturally and elctrochemically formed on the surface of the titanium alloy. The presente work studies the film composition before and after the electrochemical polarization tests using the x Ray photoelectron spectroscopy (XPS) technique. The results showed that the film naturally formed on the metallic surface is constituted of a variety of oxides which do not cover the whole surface of the metallic alloy and therefore, metallic Ti, Al and V can be found on the uncovered areas. The tests of XPS made after the polarization up to 4V (SCE) showed that the electrochemically formed film is constituted only of TiO2 and that the peak current observed around 1,5 V (SCE) is due to the oxidation of any kind of titanium oxide or the growth of the film.

Redução de poluentes de efluentes das indústrias de papel e celulose pela floculação/coagulação e degradação fotoquímica

The abatement of recalcitrant lignin macromolecules from effluents of pulp and paper industry was investigated by combined process. Flocculation and coagulation with aluminum sulfate and natural polyelectrolytes extracted from cactus Cereus peruvianus were used in the first step. After separation of solid residues by filtration, the photochemical methods using TiO2 as catalyst were employed for photocatalytic degradation of lignin compounds from solution. The abatement of lignin compounds after flocculation and coagulation was 46%, and after the overall process, the pollutants reduction observed were 66%. The remaining organic compounds may be removed by any biological treatment.

Proposição de um reator fotocatalítico para destruição de microrganismos em ambientes interiores

The TiO2/UV photocatalytic reactor was investigated as an alternative system to inactivate airborne microorganisms. The experiments performed in the absence of the catalyst showed that direct photolysis was not efficient to destruct microorganisms, with only 30% of inactivation. Similar inactivation percentage was obtained using TiO2 in absence of UV radiation. The destruction of microorganisms present in a contaminated indoor atmosphere, using the combination of TiO2/UV was very efficient, reaching more than 98% of destruction.

Fotocatálise eletroquímica de atrazina sobre dióxido de titânio: efeito de diferentes parâmetros experimentais

The atrazine photoelectrochemical degradation has been examined in solutions containing TiO2 on immobilized films under a variety of experimental conditions. It was possible to observe that the supporting electrolyte nature affects the intensity of the photocurrent, being an indicative of the adsorption process. The disappearance of the organic molecule follows approximately a pseudo-first order kinetic. As mineralization product, NH4+ and NO3- ion have been identified. These results indicated that the formation of NH4+ ion can be associated to the effect of atrazine adsorption, due to need of potential adaptation together with a variation in the supporting electrolyte concentration.

Dióxido de estanho nanoestruturado: síntese e crescimento de nanocristais e nanofitas

The objectives of this work are to supply a basic background on nanostructured materials and also to report about the obtaining of nanoparticles, mainly, tin dioxide nanocrystalline particles (obtained by using the polymeric precursor method) presenting a high stability against particle growth due to the usage of a metastable solid solution. The synthesis and growth of SnO2 nanoribbons by a carbothermal reduction process are also discussed.

Inativação por oxidação fotocatalítica de Escherichia coli e Pseudomonas sp.

This study presents the bactericidal activity of titanium dioxide photocatalysis, using as model Escherichia coli and Pseudomonas sp. cells. It was observed that the process efficiency is related to initial cell concentration, light intensity, UV irradiation exposure time, TiO2 concentration increase. The ultimate removal efficiency was above 99.9%.

Tratamento de efluentes industriais por processos oxidativos na presença de ozônio

A large variety of organic and inorganic compounds may be found in wastewater which can contribute to environmental contamination. Oxidation processes with ozone (O3; O3/UV; O3/H2O2; O3/TiO2; O3/Mn+2) and the use of ozone in the pre- or post-treatment of wastewater combined with biological processes has been extensively studied for the treatment of effluents. The aim of this work was to evaluate the potential of the ozonation process in the treatment of several industrial wastewaters, namely effluents from paper mills, and textile, whey (dairy industry), pharmaceutic sand pesticides plants.