Aerosol

Ambalaj türü için aerosol sprey sayfasına bakın ⓘ

Aerosol, bir katının veya bir sıvının gaz ortamı içerisinde dağılmasıdır. Duman, sis ve spreyler örnek olarak gösterilebilir. 10 mikrondan daha küçük çaplı sıvı veya katı parçacıklardan oluşan çok fazlı sistem. Son yıllarda aerosoller köpük veya jel şeklinde hazırlanmaktadır. Aerosoller; itici gaz, çözücü ve aerosol kabından oluşur. Aerosol kabı sprey kabı olarak da bilinir. İçindeki sıvıyı bir sis veya köpük halinde saçmak üzere düşünülmüş ve genellikle madeni bir kutu veya plastik bir şişe biçimindedir. Eskiden böcek ilaçlarını püskürtmek maksadıyla geliştirilen aerosol, günümüzde çok çeşitli ürünler için kullanılmaktadır. İtici gaz basınç altında tutulan sıvılaştırılmış gaz veya gazlar karışımıdır. Bu gazların kaynama noktası normal ısının altındadır. Bu sebeple itici gaz karışımı atmosfer ile temasa gelir gelmez sür'atla buharlaşır. Etken madde de saç veya cilt üzerinde kalır. Köpük ve toz aerosoller için de prensip aynıdır. İtici gaz olarak kullanılan maddelerin inert, kokusuz ve renksiz olmasına, toksik ve yanıcı olmamasına dikkat edilir. Bu amaçla fluorokarbonlardan trikloromonofluorometan, diklorodifluorometan çok kullanılmakla birlikte, son yıllarda ozon tabakasına verdiği zararlar sebebiyle terk edilip yerlerine propan, izobütan, n-bütan gibi gazlar veya karışımları kullanılmaktadır. Aerosollerin başlıcaları oda deodoranları, saç laklarıdır ve yanlış kullanımda tehlikeli olabilir. ⓘ

Sis ve buğu aerosollerdir ⓘ

Sprey kutusu ⓘ

Bir aerosoldeki sıvı veya katı partiküllerin çapları tipik olarak 1 μm'den küçüktür (önemli bir çökelme hızına sahip daha büyük partiküller karışımı bir süspansiyon haline getirir, ancak ayrım net değildir). Genel konuşmada aerosol genellikle bir tüketici ürününü bir kutudan veren bir dağıtım sistemini ifade eder. ⓘ

Hastalıklar, bazen biyoaerosoller olarak adlandırılan nefesteki küçük damlacıklar yoluyla yayılabilir. ⓘ

Tanımlar

Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile yapılan fotomikrograf: 2,000× büyütmede uçucu kül parçacıkları. Bu aerosoldeki partiküllerin çoğu neredeyse küreseldir. ⓘ

Aerosol, bir gaz içindeki katı veya sıvı partiküllerin süspansiyon sistemi olarak tanımlanır. Bir aerosol hem partikülleri hem de genellikle hava olan süspansiyon halindeki gazı içerir. Meteorologlar genellikle bunları partikül madde olarak adlandırır - boyutlarına bağlı olarak PM2.5 veya PM10. Frederick G. Donnan muhtemelen aerosol terimini ilk olarak I. Dünya Savaşı sırasında havadaki mikroskobik parçacık bulutlarını tanımlamak için kullanmıştır. Bu terim, dağılmış ortam olarak su içeren bir kolloid sistem olan hidrosol terimine benzer şekilde gelişmiştir. Birincil aerosoller doğrudan gaza katılan partiküller içerir; ikincil aerosoller gazdan partiküle dönüşüm yoluyla oluşur. ⓘ

Temel aerosol grupları arasında sülfatlar, organik karbon, siyah karbon, nitratlar, mineral toz ve deniz tuzu yer alır, bunlar genellikle karmaşık bir karışım oluşturmak üzere bir araya toplanır. Fiziksel biçimlerine ve nasıl üretildiklerine göre sınıflandırılan çeşitli aerosol türleri arasında toz, duman, sis, duman ve sis bulunur. ⓘ

Aerosol konsantrasyonunun çeşitli ölçüleri vardır. Çevre bilimi ve çevre sağlığı genellikle μg/m³ gibi birimlerde birim hacim başına partikül madde kütlesi olarak tanımlanan kütle konsantrasyonunu (M) kullanır. Ayrıca, m³ başına sayı veya cm³ başına sayı gibi birimlerde birim hacim başına partikül sayısı olan sayı konsantrasyonu (N) da yaygın olarak kullanılır. ⓘ

Partikül boyutunun partikül özellikleri üzerinde önemli bir etkisi vardır ve aerosol partikül yarıçapı veya çapı (dp) aerosolleri karakterize etmek için kullanılan önemli bir özelliktir. ⓘ

Aerosoller dağılma özelliklerine göre değişir. Laboratuvarda üretilebilen tek dağılımlı bir aerosol, tek tip boyutta parçacıklar içerir. Ancak çoğu aerosol, polidispers kolloidal sistemler olarak bir dizi partikül boyutu sergiler. Sıvı damlacıkları neredeyse her zaman neredeyse küreseldir, ancak bilim adamları, bazıları çok düzensiz olan çeşitli katı parçacık şekillerinin özelliklerini karakterize etmek için eşdeğer bir çap kullanırlar. Eşdeğer çap, düzensiz parçacıkla aynı fiziksel özellik değerine sahip küresel bir parçacığın çapıdır. Eşdeğer hacim çapı (de), düzensiz parçacığınki ile aynı hacme sahip bir kürenin çapı olarak tanımlanır. Ayrıca aerodinamik çap da yaygın olarak kullanılır. ⓘ

Boyut dağılımı

Aynı varsayımsal log-normal aerosol dağılımı, yukarıdan aşağıya doğru, sayıya karşı çap dağılımı, yüzey alanına karşı çap dağılımı ve hacme karşı çap dağılımı olarak çizilmiştir. Tipik mod isimleri en üstte gösterilmektedir. Her dağılım, toplam alan 1000 olacak şekilde normalize edilmiştir. ⓘ

Tek dağılımlı bir aerosol için tek bir sayı (partikül çapı) partiküllerin boyutunu tanımlamak için yeterlidir. Bununla birlikte, daha karmaşık parçacık boyutu dağılımları çok dağılımlı bir aerosoldeki parçacıkların boyutlarını tanımlar. Bu dağılım, boyuta göre sıralanmış parçacıkların göreceli miktarlarını tanımlar. Partikül boyutu dağılımını tanımlamak için bir yaklaşım, bir numunedeki her partikülün boyutlarının bir listesini kullanır. Ancak bu yaklaşım milyonlarca partikül içeren aerosollerde sıkıcı ve kullanımı zor bir yöntemdir. Başka bir yaklaşım, boyut aralığını aralıklara böler ve her aralıktaki partikül sayısını (veya oranını) bulur. Bu veriler, her bir çubuğun alanının o boyut aralığındaki partiküllerin oranını temsil ettiği bir histogramda sunulabilir ve genellikle bir kutudaki partikül sayısı aralığın genişliğine bölünerek normalleştirilir, böylece her bir çubuğun alanı temsil ettiği boyut aralığındaki partiküllerin sayısıyla orantılı olur. Bölmelerin genişliği sıfıra eğilimliyse, frekans fonksiyonu şöyledir:

$\mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}$

burada

$d_{p}$partiküllerin çapıdır

$\,\mathrm {d} f$ arasında çaplara sahip parçacıkların oranıdır. $d_{p}$ ve $d_{p}$ + $\mathrm {d} d_{p}$

$f(d_{p})$ frekans fonksiyonudur ⓘ

Bu nedenle, iki a ve b boyutu arasındaki frekans eğrisinin altındaki alan, o boyut aralığındaki parçacıkların toplam oranını temsil eder:

$f_{ab}=\int _{a}^{b}f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}$ ⓘ

Toplam sayı yoğunluğu N cinsinden de formüle edilebilir:

$dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}$ ⓘ

Küresel aerosol partikülleri varsayıldığında, birim hacim başına aerosol yüzey alanı (S) ikinci moment tarafından verilir:

$S=\pi /2\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}$ ⓘ

Üçüncü moment ise partiküllerin toplam hacim konsantrasyonunu (V) verir:

$V=\pi /6\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}$ ⓘ

Parçacık boyutu dağılımı yaklaşık olarak hesaplanabilir. Normal dağılım genellikle aerosollerdeki partikül boyutu dağılımlarını uygun bir şekilde tanımlamaz çünkü daha büyük partiküllerin uzun kuyruğuyla ilişkili çarpıklık söz konusudur. Ayrıca, birçok aerosol boyutunda olduğu gibi geniş bir aralıkta değişen bir miktar için, dağılımın genişliği negatif parçacık boyutları anlamına gelir ki bu fiziksel olarak gerçekçi değildir. Bununla birlikte, normal dağılım test aerosolleri, belirli polen taneleri ve sporlar gibi bazı aerosoller için uygun olabilir. ⓘ

Daha yaygın olarak seçilen log-normal dağılım sayı frekansını şu şekilde verir:

$\mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(ln(d_{p})-{\bar {d_{p}}})^{2}}{2\sigma ^{2}}}}\mathrm {d} d_{p}$ ⓘ

burada:

$\sigma$ boyut dağılımının standart sapması ve

${\bar {d_{p}}}$ aritmetik ortalama çaptır. ⓘ

Log-normal dağılımın negatif değerleri yoktur, geniş bir değer aralığını kapsayabilir ve gözlemlenen birçok boyut dağılımına oldukça iyi uyum sağlar. ⓘ

Bazen parçacık boyutunu karakterize etmek için kullanılan diğer dağılımlar şunlardır: kaba dağılmış tozlara ve spreylere uygulanan Rosin-Rammler dağılımı; son derece geniş boyut aralıklarındaki spreyler için Nukiyama-Tanasawa dağılımı; bazen atmosferik aerosollere uygulanan güç fonksiyonu dağılımı; toz halindeki malzemelere uygulanan üstel dağılım; ve bulut damlacıkları için Khrgian-Mazin dağılımı. ⓘ

Fizik

Bir akışkan içindeki bir parçacığın son hızı

Çoğu aerosol hareketi için geçerli olan Reynolds sayısının düşük değerleri (<1) için Stokes yasası, bir akışkan içindeki katı küresel bir parçacık üzerindeki direnç kuvvetini tanımlar. Bununla birlikte, Stokes yasası yalnızca parçacığın yüzeyindeki gazın hızı sıfır olduğunda geçerlidir. Ancak aerosolleri karakterize eden küçük parçacıklar (<1 μm) için bu varsayım başarısız olur. Bu başarısızlığı açıklamak için, her zaman 1'den büyük olan Cunningham düzeltme faktörü eklenebilir. Bu faktör dahil edildiğinde, bir parçacık üzerindeki direnç kuvveti ile hızı arasındaki ilişki bulunur:

$F_{D}={\frac {3\pi \eta Vd}{C_{c}}}$

burada

$F_{D}$ küresel bir parçacık üzerindeki direnç kuvvetidir

$\eta$ gazın dinamik viskozitesidir

$V$ parçacık hızıdır

$C_{c}$ Cunningham düzeltme faktörüdür. ⓘ

Bu, durgun havada yerçekimsel çökelmeye maruz kalan bir parçacığın son hızını hesaplamamızı sağlar. Yüzdürme etkilerini ihmal edersek:

$V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}$

burada

$V_{TS}$ parçacığın son çökelme hızıdır. ⓘ

Terminal hız diğer kuvvet türleri için de türetilebilir. Stokes yasası geçerliyse, harekete karşı direnç hız ile doğru orantılıdır. Orantı sabiti, bir parçacığın mekanik hareketliliğidir (B):

$B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}$ ⓘ

Herhangi bir makul başlangıç hızında hareket eden bir parçacık, gevşeme süresine eşit bir e-katlanma süresi ile son hızına üstel olarak yaklaşır:

$V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}$ ⓘ

burada:

$V(t)$ t zamanındaki parçacık hızıdır

$V_{f}$ nihai parçacık hızıdır

$V_{0}$ ilk parçacık hızıdır ⓘ

Küresel olmayan parçacıkların şeklinin etkisini hesaba katmak için Stokes yasasına dinamik şekil faktörü olarak bilinen bir düzeltme faktörü uygulanır. Bu faktör, düzensiz parçacığın direnç kuvvetinin aynı hacim ve hıza sahip küresel bir parçacığınkine oranı olarak tanımlanır:

$\chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}$ ⓘ

burada:

$\chi$ dinamik şekil faktörüdür ⓘ

Aerodinamik çap

Düzensiz bir parçacığın aerodinamik çapı, 1000 kg/m³ yoğunluğa ve düzensiz parçacıkla aynı çökelme hızına sahip küresel parçacığın çapı olarak tanımlanır. ⓘ

Kayma düzeltmesi ihmal edildiğinde, partikül aerodinamik çapın karesi ile orantılı terminal hızda çöker, da:

$V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}$ ⓘ

burada

$\ \rho _{0}$ = standart parçacık yoğunluğu (1000 kg/m³). ⓘ

Bu denklem aerodinamik çapı verir:

$d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}$ ⓘ

Aerodinamik çap, partikül kirleticilere veya solunan ilaçlara uygulanarak bu partiküllerin solunum yolunun neresinde biriktiği tahmin edilebilir. İlaç şirketleri, solunabilir ilaçlardaki partikülleri karakterize etmek için genellikle geometrik çapı değil aerodinamik çapı kullanır. ⓘ

Dinamikler

Önceki tartışma tek aerosol parçacıklarına odaklanmıştı. Buna karşılık, aerosol dinamikleri tüm aerosol popülasyonlarının evrimini açıklar. Parçacıkların konsantrasyonları birçok sürecin sonucu olarak zaman içinde değişecektir. Parçacıkları incelenen gaz hacminin dışına taşıyan dış süreçler arasında difüzyon, yerçekimsel çökelme ve elektrik yükleri ve parçacık göçüne neden olan diğer dış kuvvetler bulunur. Belirli bir gaz hacminin içinde yer alan ikinci bir dizi süreç ise partikül oluşumu (çekirdeklenme), buharlaşma, kimyasal reaksiyon ve koagülasyonu içerir. ⓘ

Aerosol Genel Dinamik Denklemi (GDE) adı verilen bir diferansiyel denklem, bu süreçler nedeniyle bir aerosoldeki parçacıkların sayı yoğunluğunun evrimini karakterize eder. ⓘ

${\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}=-\nabla \cdot n_{i}\mathbf {q} +\nabla \cdot D_{p}\nabla _{i}n_{i}+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {growth} }+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {coag} }-\nabla \cdot \mathbf {q} _{F}n_{i}$ ⓘ

Zaman içinde değişim = Konvektif taşıma + brownian difüzyon + gaz-parçacık etkileşimleri + pıhtılaşma + dış kuvvetler tarafından göç ⓘ

Nerede:

$n_{i}$ boyut kategorisindeki partiküllerin sayı yoğunluğudur $i$

$\mathbf {q}$ parçacık hızıdır

$D_{p}$ parçacık Stokes-Einstein difüzivitesidir

$\mathbf {q} _{F}$ harici bir kuvvetle ilişkili parçacık hızıdır ⓘ

Pıhtılaşma

ⓘ

Bir aerosoldeki partiküller ve damlacıklar birbirleriyle çarpıştıkça, birleşme veya toplanma sürecine girebilirler. Bu süreç aerosol parçacık boyutu dağılımında bir değişikliğe yol açar ve toplam parçacık sayısı azaldıkça modun çapı artar. Bazen, parçacıklar çok sayıda daha küçük parçacığa ayrılabilir; ancak bu süreç genellikle aerosol olarak değerlendirilemeyecek kadar büyük parçacıklarda meydana gelir. ⓘ

Dinamik rejimler

Parçacığın Knudsen sayısı, bir aerosolün davranışını yöneten üç farklı dinamik rejimi tanımlar:

$K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}$ ⓘ

burada $\lambda$ askıdaki gazın ortalama serbest yoludur ve $d$ parçacığın çapıdır. Serbest moleküler rejimdeki partiküller için Kn >> 1; partiküller askıdaki gazın ortalama serbest yoluna kıyasla küçüktür. Bu rejimde, parçacıklar gaz molekülleriyle bir dizi "balistik" çarpışma yoluyla asılı gazla etkileşime girer. Bu nedenle, gaz moleküllerine benzer şekilde davranırlar, akış çizgilerini takip etme eğilimindedirler ve Brownian hareketi yoluyla hızla yayılırlar. Serbest moleküler rejimde kütle akışı denklemi şöyledir:

$I={\frac {\pi a^{2}}{k_{b}}}\left({\frac {P_{\infty }}{T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{T_{A}}}\right)\cdot C_{A}\alpha$ ⓘ

Burada a parçacık yarıçapı, P_∞ ve P_A sırasıyla damlacıktan uzaktaki ve damlacık yüzeyindeki basınçlar, kb Boltzmann sabiti, T sıcaklık, C_A ortalama termal hız ve α kütle uyum katsayısıdır. Bu denklemin türetilmesinde sabit basınç ve sabit difüzyon katsayısı varsayılmaktadır. ⓘ

Kn << 1 olduğunda partiküller süreklilik rejimindedir. Bu rejimde, partiküller askıdaki gazın ortalama serbest yoluna kıyasla büyüktür, yani askıdaki gaz partikülün etrafında akan sürekli bir sıvı gibi davranır. Bu rejimde moleküler akı şöyledir:

$I_{cont}\sim {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)$ ⓘ

Burada a A parçacığının yarıçapı, M_A A parçacığının moleküler kütlesi, D_AB A ve B parçacıkları arasındaki difüzyon katsayısı, R ideal gaz sabiti, T sıcaklık (kelvin gibi mutlak birimlerde) ve P_A∞ ve P_AS sırasıyla sonsuzdaki ve yüzeydeki basınçlardır. ⓘ

Geçiş rejimi, serbest moleküler ve süreklilik rejimleri veya Kn ≈ 1 arasındaki tüm parçacıkları içerir. Bir parçacığın maruz kaldığı kuvvetler, tek tek gaz molekülleri ile etkileşimlerin ve makroskopik etkileşimlerin karmaşık bir kombinasyonudur. Kütle akışını tanımlayan yarı ampirik denklem şöyledir:

$I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}$ ⓘ

Burada I_cont süreklilik rejimindeki kütle akısıdır. Bu formüle Fuchs-Sutugin interpolasyon formülü denir. Bu denklemler ısı salınım etkisini dikkate almaz. ⓘ

Bölümleme

Yoğuşma ve buharlaşma ⓘ

Aerosol bölümleme teorisi, sırasıyla bir aerosol yüzeyindeki yoğunlaşmayı ve aerosol yüzeyinden buharlaşmayı yönetir. Kütlenin yoğunlaşması aerosolün parçacık boyutu dağılımlarının modunun artmasına neden olur; tersine, buharlaşma modun azalmasına neden olur. Çekirdeklenme, gaz halindeki bir öncülün, özellikle de bir buharın yoğunlaşmasından aerosol kütlesi oluşturma sürecidir. Buharın net yoğunlaşması, buhar basıncından daha büyük bir kısmi basınç olan aşırı doygunluk gerektirir. Bu üç nedenden dolayı gerçekleşebilir:

1. Sistemin sıcaklığını düşürmek buhar basıncını düşürür.
2. Kimyasal reaksiyonlar bir gazın kısmi basıncını artırabilir veya buhar basıncını düşürebilir.
3. Sisteme ilave buhar eklenmesi, Raoult yasasına göre denge buhar basıncını düşürebilir. ⓘ

İki tür çekirdeklenme süreci vardır. Gazlar tercihen önceden var olan aerosol partiküllerinin yüzeyleri üzerinde yoğunlaşır, bu da heterojen çekirdeklenme olarak bilinir. Bu süreç, partikül boyutu dağılımı modundaki çapın sabit sayı konsantrasyonu ile artmasına neden olur. Yeterince yüksek aşırı doygunluk ve uygun yüzeyler olmadığında, partiküller homojen çekirdeklenme olarak bilinen önceden var olan bir yüzeyin yokluğunda yoğunlaşabilir. Bu, partikül boyutu dağılımına çok küçük, hızla büyüyen partiküllerin eklenmesiyle sonuçlanır. ⓘ

Aktivasyon

Su, aerosollerdeki partikülleri kaplayarak, genellikle bir bulut damlacığı oluşturma bağlamında (bir ormandaki ağaçlardan gelen aerosollerin doğal bulut tohumlaması gibi) onları aktif hale getirir. Kelvin denklemini takiben (sıvı damlacıklarının eğriliğine dayanarak), daha küçük parçacıklar dengeyi korumak için daha büyük parçacıklara göre daha yüksek bir ortam bağıl nemine ihtiyaç duyar. Aşağıdaki formül denge durumundaki bağıl nemi verir:

$RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%$ ⓘ

burada $p_{s}$ p0 dengedeki bir parçacığın üzerindeki doygunluk buhar basıncı (kavisli bir sıvı damlacığının etrafında), p0 doygunluk buhar basıncı (aynı sıvının düz yüzeyi) ve S doygunluk oranıdır. ⓘ

Kavisli bir yüzey üzerindeki doygunluk buhar basıncı için Kelvin denklemi şöyledir:

$\ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}$ ⓘ

Burada rp damlacık yarıçapı, σ damlacığın yüzey gerilimi, ρ sıvının yoğunluğu, M molar kütle, T sıcaklık ve R molar gaz sabitidir. ⓘ

Genel dinamik denklemin çözümü

Genel dinamik denklemin (GDE) genel bir çözümü yoktur; genel dinamik denklemi çözmek için kullanılan yaygın yöntemler şunlardır:

• Moment yöntemi
• Modal/kesitsel yöntem ve
• Momentlerin kareleme yöntemi/Taylor serisi genişleme yöntemi ve
• Monte Carlo yöntemi. ⓘ

Üretim ve uygulamalar

İnsanlar aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli amaçlarla aerosol üretirler:

• aletleri kalibre etmek, araştırma yapmak ve örnekleme ekipmanı ve hava filtrelerini test etmek için test aerosolleri olarak;
• deodorantları, boyaları ve diğer tüketici ürünlerini spreylerle dağıtmak için;
• dağılma ve tarımsal uygulama için
• solunum yolu hastalıklarının tıbbi tedavisi için; ve
• yakıt enjeksiyon sistemlerinde ve diğer yanma teknolojilerinde kullanılır. ⓘ

Aerosol üretmek için kullanılan bazı cihazlar şunlardır:

• Aerosol sprey
• Atomizer nozulu veya nebülizör
• Elektrosprey
• Elektronik sigara
• Titreşimli orifis aerosol jeneratörü (VOAG) ⓘ

Üretilen aerosol partiküllerinin kararlılığı

Nanopartikül aglomeralarının stabilitesi, nano tozlardan veya diğer kaynaklardan aerosolize partiküllerin boyut dağılımını tahmin etmek için kritik öneme sahiptir. Nanoteknoloji işyerlerinde çalışanlar, nanomalzemelerin taşınması ve işlenmesi sırasında soluma yoluyla potansiyel olarak toksik maddelere maruz kalabilirler. Havadaki nanoparçacıklar, van der Waals kuvveti veya parçacıkların yüklü olması halinde elektrostatik kuvvet gibi çekici parçacıklar arası kuvvetler nedeniyle genellikle aglomeratlar oluşturur. Sonuç olarak, aerosol partikülleri genellikle tek tek partiküller yerine aglomeralar olarak gözlemlenir. Havadaki nanopartiküllerin maruziyet ve risk değerlendirmeleri için aerosollerin boyut dağılımını bilmek önemlidir. İnsanlar tarafından solunduğunda, farklı çaplara sahip partiküller merkezi ve periferik solunum sisteminin çeşitli yerlerinde birikir. Nano ölçekteki partiküllerin akciğerlerdeki hava-kan bariyerini geçtiği ve insan vücudundaki beyin, kalp ve karaciğer gibi ikincil organlara taşındığı gösterilmiştir. Bu nedenle, nanopartikül aglomeralarının stabilitesi hakkındaki bilgi, aerosol partiküllerinin boyutunu tahmin etmek için önemlidir, bu da insan vücuduna yönelik potansiyel riskleri değerlendirmeye yardımcı olur. ⓘ

Havadaki partiküllerin stabilitesini ve çeşitli koşullar altında dağılma potansiyellerini test etmek için farklı deneysel sistemler kurulmuştur. Yakın zamanda rapor edilen kapsamlı bir sistem, sağlam aerosolizasyon sürecini sürdürebilmekte ve nano tozlardan sabit sayı konsantrasyonuna ve ortalama boyuta sahip aerosoller üretebilmektedir. Havadaki çeşitli nanomateryallerin deaglomerasyon potansiyeli kritik delikler kullanılarak da incelenebilir. Ayrıca, partiküller arasındaki bağlanma enerjilerini araştırmak için bir darbe parçalama cihazı geliştirilmiştir. ⓘ

Mevcut sistemlerin farklı türlerinin geliştirilmesiyle standart bir deaglomerasyon test prosedürü öngörülebilir. Mesleki ortamlarda aerosol partiküllerinin deaglomerasyon olasılığı, referans bir yöntem mevcutsa, farklı nanomalzemeler için muhtemelen sıralanabilir. Bu amaçla, sistem özelliklerinin üretilen nanomalzeme aerosollerinin özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmak için farklı kurulumlardan elde edilen test sonuçlarının laboratuvarlar arası karşılaştırması başlatılabilir. ⓘ

Tespit

Aerosol ya yerinde ya da uzaktan algılama teknikleriyle ölçülebilir. ⓘ

Yerinde gözlemler

Mevcut bazı in situ ölçüm teknikleri şunlardır:

• Aerosol kütle spektrometresi (AMS)
• Diferansiyel hareketlilik analizörü (DMA)
• Elektrikli aerosol spektrometresi (EAS)
• Aerodinamik parçacık boyutlandırıcı (APS)
• Aerodinamik aerosol sınıflandırıcı (AAC)
• Geniş aralıklı parçacık spektrometresi (WPS)
• Mikro-Orifis Düzgün Birikinti Çarpıştırıcı (MOUDI)
• Yoğuşma parçacık sayacı (CPC)
• Epifaniometre
• Elektrikli düşük basınçlı çarpma tertibatı (ELPI)
• Aerosol partikül kütle analizörü (APM)
• Santrifüjlü Partikül Kütle Analizörü (CPMA) ⓘ

Uzaktan algılama yaklaşımı

Uzaktan algılama yaklaşımları şunları içerir:

• Güneş fotometresi
• Lidar
• Görüntüleme spektroskopisi ⓘ

Boyut seçici örnekleme

Partiküller burun, ağız, farinks ve larinkste (baş hava yolları bölgesi), solunum yolunun derinliklerinde (trakeadan terminal bronşiyollere kadar) veya alveolar bölgede birikebilir. Aerosol partiküllerinin solunum sistemi içinde biriktiği yer, bu tür aerosollere maruz kalmanın sağlık üzerindeki etkilerini büyük ölçüde belirler. Bu olgu, insanları solunum sisteminin belirli kısımlarına ulaşan aerosol partiküllerinin bir alt kümesini seçen aerosol örnekleyicileri icat etmeye yöneltmiştir. İş sağlığında önemli olan bir aerosolün partikül boyutu dağılımının bu alt kümelerine örnek olarak solunabilir, torasik ve solunabilir fraksiyonlar verilebilir. Solunum sisteminin her bir bölümüne girebilen fraksiyon, partiküllerin hava yolunun üst kısımlarında birikmesine bağlıdır. Burun veya ağza girebilen orijinal olarak havada bulunan partiküllerin oranı olarak tanımlanan partiküllerin solunabilir fraksiyonu, dış rüzgar hızına ve yönüne ve aerodinamik çapa göre partikül boyutu dağılımına bağlıdır. Torasik fraksiyon, ortam aerosolündeki partiküllerin toraks veya göğüs bölgesine ulaşabilen oranıdır. Solunabilir fraksiyon, havadaki partiküllerin alveolar bölgeye ulaşabilen oranıdır. Havadaki partiküllerin solunabilir kısmını ölçmek için bir örnekleme filtresi ile bir ön toplayıcı kullanılır. Hava yolları solunan havadan partikülleri uzaklaştırdığı için ön toplayıcı partikülleri dışarıda bırakır. Örnekleme filtresi ölçüm için partikülleri toplar. Ön toplayıcı için siklonik ayırma kullanılması yaygındır, ancak diğer teknikler arasında impaktörler, yatay elutriatörler ve büyük gözenekli membran filtreler bulunur. ⓘ

Atmosferik izlemede sıklıkla kullanılan iki alternatif boyut seçici kriter PM₁₀ ve PM_2.5'tir. PM₁₀ ISO tarafından 10 μm aerodinamik çapta %50 verimlilik kesintisi ile boyut seçici bir girişten geçen partiküller ve PM_2.5 2.5 μm aerodinamik çapta %50 verimlilik kesintisi ile boyut seçici bir girişten geçen partiküller olarak tanımlanmaktadır. PM₁₀, ISO 7708:1995, Madde 6'da tanımlanan "torasik konvansiyona" karşılık gelir; PM_2.5, ISO 7708:1995, 7.1'de tanımlanan "yüksek riskli solunabilir konvansiyona" karşılık gelir. Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı, 1987 yılında Toplam Asılı Partiküle dayalı eski partikül madde standartlarını PM₁₀'a dayalı başka bir standartla değiştirmiş ve ardından 1997 yılında PM_2.5 (ince partikül madde olarak da bilinir) için standartlar getirmiştir. ⓘ

Atmosferik

Kuzey Hindistan ve Bangladeş üzerinde aerosol kirliliği ⓘ

Çeşitli atmosferik aerosol türleri Dünya'nın iklimi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir: volkanik, çöl tozu, deniz tuzu, biyojenik kaynaklardan kaynaklananlar ve insan yapımı olanlar. Volkanik aerosol, bir patlamadan sonra stratosferde sülfürik asit damlacıkları şeklinde oluşur ve iki yıla kadar varlığını sürdürebilir ve güneş ışığını yansıtarak sıcaklığı düşürür. Çöl tozu, yüksek irtifalara savrulan mineral parçacıkları, ısıyı emer ve fırtına bulutu oluşumunu engellemekten sorumlu olabilir. Başta yanan petrol ve kömürden kaynaklanan insan yapımı sülfat aerosolleri bulutların davranışını etkiler. ⓘ

Katı ve sıvı tüm hidrometeorler aerosol olarak tanımlanabilse de, genellikle aktif damlalar ve kristaller içeren bu tür dağılımlar (yani bulutlar) ile aerosol partikülleri arasında bir ayrım yapılır. Dünya atmosferi, aşağıdakilerin miktarları da dahil olmak üzere çeşitli tip ve konsantrasyonlarda aerosoller içerir:

• doğal inorganik malzemeler: ince toz, deniz tuzu veya su damlacıkları
• doğal organik maddeler: duman, polen, sporlar veya bakteriler
• duman, kül veya tozlar gibi insan kaynaklı yanma ürünleri ⓘ

Aerosoller kentsel ekosistemlerde çeşitli şekillerde bulunabilir, örneğin:

• Toz
• Sigara dumanı
• Aerosol sprey kutularından çıkan sis
• Araba egzozundaki is veya dumanlar ⓘ

Dünya atmosferindeki aerosollerin varlığı iklimi ve insan sağlığını etkileyebilir. ⓘ

Etkileri

• Volkanik patlamalar atmosfere büyük miktarlarda sülfürik asit, hidrojen sülfür ve hidroklorik asit salmaktadır. Bu gazlar aerosolleri temsil eder ve sonunda asit yağmuru olarak yeryüzüne geri döner, çevre ve insan yaşamı üzerinde bir dizi olumsuz etkiye sahiptir.
• Aerosoller Dünya'nın enerji bütçesi ile doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki şekilde etkileşime girer. ⓘ

Örneğin, aerosollerin gelen güneş radyasyonunu dağıtması ve emmesi doğrudan bir etkidir. Bu esas olarak yüzeyin soğumasına yol açacaktır (güneş radyasyonu uzaya geri saçılır), ancak yüzeyin ısınmasına da katkıda bulunabilir (gelen güneş enerjisinin emilmesinden kaynaklanır). Bu, sera etkisine ek bir unsur olacak ve dolayısıyla küresel iklim değişikliğine katkıda bulunacaktır. ⓘ

Dolaylı etkiler, aerosollerin radyasyonla doğrudan etkileşime giren oluşumlara müdahale etmesini ifade eder. Örneğin, alt atmosferdeki bulut parçacıklarının boyutunu değiştirebilir, böylece bulutların ışığı yansıtma ve emme şeklini değiştirebilir ve dolayısıyla Dünya'nın enerji bütçesini değiştirebilirler.

Antropojenik aerosollerin bazı bölgelerde sera gazlarının etkilerini dengelediğini gösteren kanıtlar vardır, bu nedenle Kuzey Yarımküre Güney Yarımküre'den daha yavaş yüzey ısınması gösterir, ancak bu sadece Kuzey Yarımküre'nin Güney'den daha sıcak sular getiren okyanus akıntıları yoluyla ısıyı daha geç emeceği anlamına gelir. Ancak küresel ölçekte aerosol soğutması, sera gazlarının neden olduğu ısınmayı tamamen dengelemeden azaltır.

• Aerosoller kirleticileri emdiğinde, kirleticilerin dünya yüzeyine ve su kütlelerine birikmesini kolaylaştırır. Bu durum hem çevreye hem de insan sağlığına zarar verme potansiyeline sahiptir.
• 20 μm aralığındaki aerosoller, "jet rider" davranışları (hava jetleri ile hareket eder, yavaş hareket eden havada yerçekimi ile düşer) nedeniyle klimalı odalarda özellikle uzun bir kalıcılık süresi gösterir; bu aerosol boyutu, COVID-19'daki ilk enfeksiyon bölgesi olan insan burnunda en etkili şekilde adsorbe edildiğinden, bu tür aerosoller pandemiye katkıda bulunabilir.
• Etkili çapı 10 μm'den küçük olan aerosol partikülleri bronşlara girebilirken, etkili çapı 2,5 μm'den küçük olanlar akciğerlerdeki gaz değişim bölgesine kadar girebilir ve bu da insan sağlığı için tehlikeli olabilir. ⓘ