Aerosol

Suspensión de finas partículas sólidas o gotitas de líquido en el aire u otro gas

Este artículo trata sobre las propiedades físicas de un aerosol. Para latas presurizadas diseñadas para producir un aerosol, consulte Aerosol . Para la transmisión de enfermedades a través de pequeñas partículas, consulte Transmisión por aerosoles .

No confundir con aerosil .

La niebla y la niebla son aerosoles

Un aerosol (abreviatura de "aero-solución") es una suspensión de finas partículas sólidas o gotitas de líquido en el aire u otro gas . ^{[1] Los} aerosoles pueden ser naturales o antropogénicos . Ejemplos de aerosoles naturales son niebla o neblina , polvo , exudados forestales y vapor de géiser . Ejemplos de aerosoles antropogénicos son las partículas contaminantes del aire y el humo . ^[1] Las partículas líquidas o sólidas tienen diámetros típicamente menores de 1 µm ; las partículas más grandes con una velocidad de sedimentación significativa hacen que la mezcla sea una suspensión , pero la distinción no es clara. En la conversación general, aerosol generalmente se refiere a un aerosol que entrega un producto de consumo desde una lata o recipiente similar. Otras aplicaciones tecnológicas de los aerosoles incluyen la dispersión de plaguicidas, el tratamiento médico de enfermedades respiratorias y la tecnología de combustión. ^{[2] Las} enfermedades también se pueden propagar por medio de pequeñas gotas en el aliento , también llamadas aerosoles (oa veces bioaerosoles ). ^[3]

La ciencia de los aerosoles cubre la generación y eliminación de aerosoles, la aplicación tecnológica de aerosoles, los efectos de los aerosoles en el medio ambiente y las personas, y otros temas. ^[1]

Definiciones

Microfotografía realizada con un microscopio electrónico de barrido (SEM): partículas de cenizas volantes a 2000 aumentos. La mayoría de las partículas de este aerosol son casi esféricas.

El aerosol se define como un sistema de suspensión de partículas sólidas o líquidas en un gas. Un aerosol incluye tanto las partículas como el gas de suspensión, que normalmente es aire. ^{[1] Se} presume que Frederick G. Donnan utilizó por primera vez el término aerosol durante la Primera Guerra Mundial para describir una aero- solución , nubes de partículas microscópicas en el aire. Este término se desarrolló de manera análoga al término hidrosol , un sistema coloide con agua como medio disperso. ^[4] Los aerosoles primarios contienen partículas que se introducen directamente en el gas; Los aerosoles secundarios se forman a través de la conversión de gas a partículas. ^[5]

Varios tipos de aerosoles, clasificados según su forma física y cómo se generaron, incluyen polvo, humo, neblina, humo y neblina. ^[6]

Hay varias medidas de concentración de aerosoles. La ciencia ambiental y la salud ambiental a menudo usan la concentración de masa ( M ), definida como la masa de materia particulada por unidad de volumen, en unidades como μg / m ³ . También se usa comúnmente el número de concentración ( N ), el número de partículas por unidad de volumen, en unidades tales como número por m ³ o número por cm ³ . ^[7]

El tamaño de las partículas tiene una gran influencia en las propiedades de las partículas, y el radio o diámetro de las partículas del aerosol ( d _p ) es una propiedad clave utilizada para caracterizar los aerosoles.

Los aerosoles varían en su dispersión . Un aerosol monodisperso , que se puede producir en el laboratorio, contiene partículas de tamaño uniforme. La mayoría de los aerosoles, sin embargo, como sistemas coloidales polidispersos , exhiben una variedad de tamaños de partículas. ^[8] Las gotas de líquido son casi siempre casi esféricas, pero los científicos usan un diámetro equivalente para caracterizar las propiedades de varias formas de partículas sólidas, algunas muy irregulares. El diámetro equivalente es el diámetro de una partícula esférica con el mismo valor de alguna propiedad física que la partícula irregular. ^[9] El diámetro de volumen equivalente ( d _e) se define como el diámetro de una esfera del mismo volumen que el de la partícula irregular. ^[10] También se usa comúnmente el diámetro aerodinámico ,  d _a .

Distribución de tamaño

La misma distribución de aerosol logarítmica normal hipotética representada, de arriba a abajo, como una distribución de número frente a diámetro, una distribución de área de superficie frente a diámetro y una distribución de volumen frente a diámetro. Los nombres de los modos típicos se muestran en la parte superior. Cada distribución está normalizada para que el área total sea 1000.

Para un aerosol monodisperso, un solo número, el diámetro de las partículas, es suficiente para describir el tamaño de las partículas. Sin embargo, distribuciones de tamaño de partículas más complicadas describen los tamaños de las partículas en un aerosol polidisperso. Esta distribución define las cantidades relativas de partículas, clasificadas según su tamaño. ^[11] Un enfoque para definir la distribución del tamaño de partículas utiliza una lista de los tamaños de cada partícula en una muestra. Sin embargo, este enfoque resulta tedioso de determinar en aerosoles con millones de partículas y es incómodo de usar. Otro enfoque divide el rango de tamaño completo en intervalos y encuentra el número (o proporción) de partículas en cada intervalo. Entonces se pueden visualizar estos datos en un histogramacon el área de cada barra que representa la proporción de partículas en el contenedor de ese tamaño, normalmente normalizada dividiendo el número de partículas en un contenedor por el ancho del intervalo de modo que el área de cada barra sea proporcional al número de partículas en el tamaño rango que representa. ^[12] Si el ancho de los contenedores tiende a cero , se obtiene la función de frecuencia: ^[13]

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

dónde

${\displaystyle d_{p}}$es el diámetro de las partículas

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$es la fracción de partículas que tienen diámetros entre y +${\displaystyle d_{p}}$${\displaystyle d_{p}}$${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$ es la función de frecuencia

Por lo tanto, el área bajo la curva de frecuencia entre dos tamaños ayb representa la fracción total de partículas en ese rango de tamaño: ^[14]

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

También se puede formular en términos de la densidad numérica total N : ^[15]

${\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

Suponiendo partículas de aerosol esféricas, el área de superficie del aerosol por unidad de volumen ( S ) viene dada por el segundo momento : ^[15]

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

Y el tercer momento da la concentración de volumen total ( V ) de las partículas: ^[15]

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

También es útil aproximar la distribución del tamaño de partícula utilizando una función matemática . La distribución normal normalmente no describe adecuadamente las distribuciones de tamaño de partículas en aerosoles debido a la asimetría asociada a una larga cola de partículas más grandes. También para una cantidad que varía en un rango grande, como ocurre con muchos tamaños de aerosoles, el ancho de la distribución implica tamaños de partículas negativos, claramente no realistas físicamente. Sin embargo, la distribución normal puede ser adecuada para algunos aerosoles, como los aerosoles de prueba, ciertos granos de polen y esporas . ^[dieciséis]

Una distribución logarítmica normal más ampliamente elegida da la frecuencia del número como: ^[16]

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

dónde:

${\displaystyle \sigma }$es la desviación estándar de la distribución de tamaño y

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$es el diámetro medio aritmético .

La distribución logarítmica normal no tiene valores negativos, puede cubrir una amplia gama de valores y se ajusta razonablemente bien a muchas distribuciones de tamaño observadas. ^[17]

Otras distribuciones que a veces se utilizan para caracterizar el tamaño de las partículas incluyen: la distribución Rosin-Rammler , aplicada a polvos y aerosoles de dispersión gruesa; la distribución Nukiyama-Tanasawa , para aerosoles de rangos de tamaño extremadamente amplios; la distribución de la función de potencia , aplicada ocasionalmente a los aerosoles atmosféricos; la distribución exponencial , aplicada a materiales en polvo; y para las gotas de nubes, la distribución de Khrgian-Mazin . ^[18]

Física

Velocidad terminal de una partícula en un fluido

Para valores bajos del número de Reynolds (<1), verdadero para la mayoría de los movimientos de aerosoles, la ley de Stokes describe la fuerza de resistencia sobre una partícula esférica sólida en un fluido. Sin embargo, la ley de Stokes solo es válida cuando la velocidad del gas en la superficie de la partícula es cero. Sin embargo, para partículas pequeñas (<1 μm) que caracterizan a los aerosoles, esta suposición falla. Para dar cuenta de esta falla, se puede introducir el factor de corrección de Cunningham , siempre mayor que 1. Incluyendo este factor, se encuentra la relación entre la fuerza de resistencia sobre una partícula y su velocidad: ^[19]

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

dónde

${\displaystyle F_{D}}$ es la fuerza de resistencia sobre una partícula esférica

${\displaystyle \eta }$es la viscosidad dinámica del gas

${\displaystyle V}$ es la velocidad de la partícula

${\displaystyle C_{c}}$ es el factor de corrección de Cunningham.

Esto nos permite calcular la velocidad terminal de una partícula que sufre un asentamiento gravitacional en aire en calma. Sin tener en cuenta los efectos de flotabilidad , encontramos: ^[20]

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

dónde

${\displaystyle V_{TS}}$ es la velocidad de sedimentación terminal de la partícula.

La velocidad terminal también se puede derivar para otros tipos de fuerzas. Si se cumple la ley de Stokes, entonces la resistencia al movimiento es directamente proporcional a la velocidad. La constante de proporcionalidad es la movilidad mecánica ( B ) de una partícula: ^[21]

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

Una partícula que viaja a cualquier velocidad inicial razonable se acerca a su velocidad terminal exponencialmente con un tiempo de plegado e igual al tiempo de relajación: ^[22]

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

dónde:

${\displaystyle V(t)}$ es la velocidad de la partícula en el tiempo t

${\displaystyle V_{f}}$ es la velocidad final de las partículas

${\displaystyle V_{0}}$ es la velocidad inicial de las partículas

Para tener en cuenta el efecto de la forma de las partículas no esféricas, se aplica a la ley de Stokes un factor de corrección conocido como factor de forma dinámica . Se define como la relación entre la fuerza resistiva de la partícula irregular y la de una partícula esférica con el mismo volumen y velocidad: ^[23]

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

dónde:

${\displaystyle \chi }$ es el factor de forma dinámica

Diámetro aerodinámico

El diámetro aerodinámico de una partícula irregular se define como el diámetro de la partícula esférica con una densidad de 1000 kg / m ³ y la misma velocidad de sedimentación que la partícula irregular. ^[24]

Sin tener en cuenta la corrección de deslizamiento, la partícula se asienta a la velocidad terminal proporcional al cuadrado del diámetro aerodinámico, d _a : ^[24]

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

dónde

${\displaystyle \ \rho _{0}}$= densidad de partículas estándar (1000 kg / m ³ ).

Esta ecuación da el diámetro aerodinámico: ^[25]

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

Se puede aplicar el diámetro aerodinámico a partículas contaminantes oa fármacos inhalados para predecir en qué parte del tracto respiratorio se depositan dichas partículas. Las empresas farmacéuticas suelen utilizar un diámetro aerodinámico, no un diámetro geométrico, para caracterizar las partículas de los fármacos inhalables. ^{[ cita requerida ]}

Dinámica

La discusión anterior se centró en partículas de aerosol individuales. Por el contrario, la dinámica de los aerosoles explica la evolución de poblaciones completas de aerosoles. Las concentraciones de partículas cambiarán con el tiempo como resultado de muchos procesos. Los procesos externos que mueven partículas fuera de un volumen de gas en estudio incluyen la difusión , el asentamiento gravitacional y las cargas eléctricas y otras fuerzas externas que causan la migración de partículas. Un segundo conjunto de procesos internos a un volumen dado de gas incluye la formación de partículas (nucleación), la evaporación, la reacción química y la coagulación. ^[26]

Una ecuación diferencial llamada Ecuación dinámica general de aerosoles (GDE) caracteriza la evolución de la densidad numérica de partículas en un aerosol debido a estos procesos. ^[26]

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

Cambio en el tiempo = Transporte convectivo + difusión browniana + interacciones gas-partículas + coagulación + migración por fuerzas externas

Dónde:

${\displaystyle n_{i}}$ es la densidad numérica de partículas de categoría de tamaño ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$ es la velocidad de la partícula

${\displaystyle D_{p}}$es la difusividad de partículas de Stokes-Einstein

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$ es la velocidad de la partícula asociada con una fuerza externa

Coagulación

Cuando las partículas y las gotas de un aerosol chocan entre sí, pueden sufrir coalescencia o agregación. Este proceso conduce a un cambio en la distribución del tamaño de las partículas del aerosol, y el modo aumenta en diámetro a medida que disminuye el número total de partículas. ^[27] En ocasiones, las partículas pueden romperse en numerosas partículas más pequeñas; sin embargo, este proceso generalmente ocurre principalmente en partículas demasiado grandes para ser consideradas como aerosoles.

Regímenes dinámicos

El número de Knudsen de la partícula define tres regímenes dinámicos diferentes que gobiernan el comportamiento de un aerosol:

${\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}$

donde es el camino libre medio del gas en suspensión y es el diámetro de la partícula. ^[28] Para partículas en régimen molecular libre , K _n >> 1; partículas pequeñas en comparación con la trayectoria libre media del gas en suspensión. ^[29] En este régimen, las partículas interactúan con el gas en suspensión a través de una serie de colisiones "balísticas" con moléculas de gas. Como tales, se comportan de manera similar a las moléculas de gas, tienden a seguir líneas de corriente y se difunden rápidamente a través del movimiento browniano. La ecuación de flujo de masa en el régimen molecular libre es:${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle d}$

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

donde a es el radio de la partícula, P _∞ y P _A son las presiones lejos de la gota y en la superficie de la gota respectivamente, k _b es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, C _A es la velocidad térmica media y α es la masa coeficiente de acomodación. ^{[ cita requerida ]} La derivación de esta ecuación supone una presión constante y un coeficiente de difusión constante.

Las partículas están en el régimen continuo cuando K _n << 1. ^[29] En este régimen, las partículas son grandes en comparación con la trayectoria libre media del gas en suspensión, lo que significa que el gas en suspensión actúa como un fluido continuo que fluye alrededor de la partícula. ^[29] El flujo molecular en este régimen es:

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

donde a es el radio de la partícula A , M _A es la masa molecular de la partícula A , D _AB es el coeficiente de difusión entre las partículas A y B , R es la constante del gas ideal, T es la temperatura (en unidades absolutas como kelvin ), y P _A∞ y P _AS son las presiones en el infinito y en la superficie, respectivamente. ^{[ cita requerida ]}

El régimen de transición contiene todas las partículas entre los regímenes molecular libre y continuo o K _n ≈ 1. Las fuerzas experimentadas por una partícula son una combinación compleja de interacciones con moléculas de gas individuales e interacciones macroscópicas. La ecuación semi-empírica que describe el flujo de masa es:

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

donde I _cont es el flujo de masa en el régimen continuo. ^{[ cita requerida ]} Esta fórmula se llama fórmula de interpolación de Fuchs-Sutugin. Estas ecuaciones no tienen en cuenta el efecto de liberación de calor.

Partición

Condensación y evaporación

La teoría de la partición de aerosoles gobierna la condensación y la evaporación de una superficie de aerosol, respectivamente. La condensación de la masa hace que aumente el modo de distribución del tamaño de partícula del aerosol; a la inversa, la evaporación hace que el modo disminuya. La nucleación es el proceso de formación de una masa de aerosol a partir de la condensación de un precursor gaseoso, específicamente un vapor . La condensación neta del vapor requiere sobresaturación, una presión parcial mayor que su presión de vapor . Esto puede suceder por tres razones: ^{[ cita requerida ]}

1. Bajar la temperatura del sistema reduce la presión de vapor.
2. Las reacciones químicas pueden aumentar la presión parcial de un gas o disminuir su presión de vapor.
3. La adición de vapor adicional al sistema puede reducir la presión de vapor de equilibrio de acuerdo con la ley de Raoult .

Hay dos tipos de procesos de nucleación. Los gases se condensan preferentemente sobre superficies de partículas de aerosol preexistentes, lo que se conoce como nucleación heterogénea . Este proceso hace que el diámetro en el modo de distribución del tamaño de partícula aumente con una concentración de número constante. ^[30] Con una sobresaturación suficientemente alta y sin superficies adecuadas, las partículas pueden condensarse en ausencia de una superficie preexistente, lo que se conoce como nucleación homogénea . Esto da como resultado la adición de partículas muy pequeñas que crecen rápidamente a la distribución del tamaño de partículas. ^[30]

Activación

El agua recubre las partículas en aerosoles y las activa , generalmente en el contexto de la formación de una gota de nube. ^{[ cita requerida ]} Siguiendo la ecuación de Kelvin (basada en la curvatura de las gotas de líquido), las partículas más pequeñas necesitan una humedad relativa ambiental más alta para mantener el equilibrio que las partículas más grandes. La siguiente fórmula da la humedad relativa en equilibrio:

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

donde es la presión de vapor de saturación sobre una partícula en equilibrio (alrededor de una gota de líquido curva), p ₀ es la presión de vapor de saturación (superficie plana del mismo líquido) y S es la relación de saturación.${\displaystyle p_{s}}$

La ecuación de Kelvin para la presión de vapor de saturación sobre una superficie curva es:

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

donde r _p radio de la gota, σ tensión superficial de la gota, ρ densidad del líquido, M masa molar, T temperatura y R constante molar del gas.

Solución a la ecuación dinámica general

No hay soluciones generales para la ecuación dinámica general (GDE); ^[31] Los métodos comunes utilizados para resolver la ecuación dinámica general incluyen: ^[32]

• Método del momento ^[33]
• Método modal / seccional, ^[34] y
• Método de cuadratura de momentos ^{[35] [36]} / Método de expansión de momentos de la serie de Taylor, ^{[37] [38]} y
• Método de Monte Carlo. ^[39]

Generación y aplicaciones

Las personas generan aerosoles para diversos fines, que incluyen:

• como aerosoles de prueba para calibrar instrumentos, realizar investigaciones y probar equipos de muestreo y filtros de aire; ^[40]
• para entregar desodorantes , pinturas y otros productos de consumo en aerosoles; ^[41]
• para aplicaciones agrícolas y de dispersión
• para el tratamiento médico de enfermedades respiratorias ; ^[42] y
• en sistemas de inyección de combustible y otras tecnologías de combustión . ^[43]

Algunos dispositivos para generar aerosoles son: ^[2]

• Aerosol
• Boquilla atomizadora o nebulizador
• Electropulverización
• Cigarrillo electrónico
• Generador de aerosol de orificio vibratorio (VOAG)

Estabilidad de las partículas de aerosol generadas

La estabilidad de los aglomerados de nanopartículas es fundamental para estimar la distribución del tamaño de las partículas en aerosol de nanopolvos u otras fuentes. En los lugares de trabajo de nanotecnología, los trabajadores pueden estar expuestos por inhalación a sustancias potencialmente tóxicas durante la manipulación y el procesamiento de nanomateriales. Las nanopartículas en el aire a menudo forman aglomerados debido a fuerzas atractivas entre partículas, como la fuerza de van der Waals o la fuerza electrostática si las partículas están cargadas. Como resultado, las partículas de aerosol se observan normalmente como aglomerados en lugar de partículas individuales. Para las evaluaciones de exposición y riesgo de las nanopartículas en el aire, es importante conocer la distribución del tamaño de los aerosoles. Cuando los humanos las inhalan, las partículas de diferentes diámetros se depositan en diversas localizaciones del sistema respiratorio central y periférico.Se ha demostrado que las partículas a nanoescala penetran la barrera aire-sangre en los pulmones y se trasladan a órganos secundarios del cuerpo humano, como el cerebro, el corazón y el hígado. Por lo tanto, el conocimiento sobre la estabilidad de los aglomerados de nanopartículas es importante para predecir el tamaño de las partículas de aerosol, lo que ayuda a evaluar el riesgo potencial de las mismas para el cuerpo humano.

Se han establecido diferentes sistemas experimentales para probar la estabilidad de las partículas en el aire y su potencial para desaglomerarse en diversas condiciones. Un sistema completo del que se informó recientemente es capaz de mantener un proceso de aerosolización robusto y generar aerosoles con una concentración de número estable y un tamaño medio a partir de nanopolvos. ^[44] El potencial de desaglomeración de varios nanomateriales aerotransportados también se puede estudiar utilizando orificios críticos. ^[45] Además, se desarrolló un dispositivo de fragmentación por impacto para investigar las energías de enlace entre partículas. ^[46]

Se podría prever un procedimiento estándar de prueba de desaglomeración con los desarrollos de los diferentes tipos de sistemas existentes. La probabilidad de desaglomeración de partículas de aerosol en entornos ocupacionales puede clasificarse posiblemente para diferentes nanomateriales si se dispone de un método de referencia. Con este fin, se podría iniciar una comparación entre laboratorios de los resultados de las pruebas de diferentes configuraciones para explorar las influencias de las características del sistema en las propiedades de los aerosoles de nanomateriales generados.

Detección

El aerosol se puede medir in situ o con técnicas de teledetección .

Observaciones in situ

Algunas técnicas de medición in situ disponibles incluyen:

• Espectrómetro de masas en aerosol (AMS)
• Analizador de movilidad diferencial (DMA)
• Espectrómetro de aerosol eléctrico (EAS)
• Medidor de partículas aerodinámico (APS)
• Clasificador aerodinámico de aerosoles (AAC)
• Espectrómetro de partículas de amplio rango (WPS)
• Impactador de depósito uniforme de microorificio (MOUDI)
• Contador de partículas de condensación (CPC)
• Epifaniómetro
• Impactador eléctrico de baja presión (ELPI)
• Analizador de masas de partículas en aerosol (APM)
• Analizador de masa de partículas centrífugas (CPMA)

Enfoque de teledetección

Los enfoques de teledetección incluyen:

• Fotómetro solar
• Lidar
• Espectroscopía de imágenes

Muestreo selectivo por tamaño

Las partículas se pueden depositar en la nariz , la boca , la faringe y la laringe (la región de las vías respiratorias de la cabeza), más profundamente dentro del tracto respiratorio (desde la tráquea hasta los bronquiolos terminales ) o en la región alveolar . ^[47] La ubicación de la deposición de partículas de aerosol dentro del sistema respiratorio determina en gran medida los efectos sobre la salud de la exposición a tales aerosoles. ^[48] Este fenómeno llevó a las personas a inventar muestreadores de aerosoles que seleccionan un subconjunto de partículas de aerosol que llegan a ciertas partes del sistema respiratorio. ^[49]Ejemplos de estos subconjuntos de la distribución del tamaño de partículas de un aerosol, importantes en la salud ocupacional, incluyen las fracciones inhalable, torácica y respirable. La fracción que puede ingresar a cada parte del sistema respiratorio depende del depósito de partículas en las partes superiores de las vías respiratorias. ^[50] La fracción inhalable de partículas, definida como la proporción de partículas originalmente en el aire que pueden entrar por la nariz o la boca, depende de la velocidad y dirección del viento externo y de la distribución del tamaño de las partículas por diámetro aerodinámico. ^[51] La fracción torácica es la proporción de partículas en el aerosol ambiental que pueden alcanzar el tórax o la región del tórax. ^[52]La fracción respirable es la proporción de partículas en el aire que pueden llegar a la región alveolar. ^[53] Para medir la fracción respirable de partículas en el aire, se utiliza un colector previo con un filtro de muestreo. El colector previo excluye las partículas, ya que las vías respiratorias eliminan las partículas del aire inhalado. El filtro de muestreo recoge las partículas para su medición. Es común utilizar la separación ciclónica para el pre-colector, pero otras técnicas incluyen impactadores, elutriadores horizontales y filtros de membrana de poros grandes . ^[54]

Dos criterios alternativos de selección de tamaño, que se utilizan a menudo en el monitoreo atmosférico, son PM ₁₀ y PM _2,5 . PM ₁₀ se define por ISO como partículas que pasan a través de una entrada selectiva por tamaño con un corte de eficiencia del 50% a un diámetro aerodinámico de 10 μm y PM _2.5 como partículas que pasan a través de una entrada selectiva por tamaño con un corte de eficiencia del 50%. a 2,5 μm de diámetro aerodinámico . PM ₁₀ corresponde a la “convención torácica” como se define en ISO 7708: 1995, Cláusula 6; PM _2.5 corresponde a la “convención respirable de alto riesgo” como se define en ISO 7708: 1995, 7.1. ^[55] ElLa Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos reemplazó los estándares más antiguos para material particulado basados ​​en el total de partículas suspendidas con otro estándar basado en PM ₁₀ en 1987 ^[56] y luego introdujo estándares para PM _2.5 (también conocido como material particulado fino) en 1997. ^[57]

Atmosférico

Contaminación por aerosoles en el norte de India y Bangladesh

Artículo principal: Material particulado atmosférico

Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: volcánico, polvo del desierto, sal marina, que se origina a partir de fuentes biogénicas y de origen humano. El aerosol volcánico se forma en la estratosfera después de una erupción como gotitas de ácido sulfúrico que pueden prevalecer hasta por dos años y reflejar la luz solar, bajando la temperatura. El polvo del desierto, las partículas minerales que vuelan a grandes altitudes, absorben el calor y pueden ser responsables de inhibir la formación de nubes de tormenta. Los aerosoles de sulfato de origen humano, principalmente de la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. ^[58]

Aunque todos los hidrometeoros , sólidos y líquidos, pueden describirse como aerosoles, comúnmente se hace una distinción entre tales dispersiones (es decir, nubes) que contienen gotas y cristales activados y partículas de aerosol. La atmósfera de la Tierra contiene aerosoles de varios tipos y concentraciones, incluidas cantidades de:

• materiales inorgánicos naturales : polvo fino, sal marina o gotas de agua
• materiales orgánicos naturales : humo, polen , esporas o bacterias
• productos antropogénicos de la combustión tales como: humo, cenizas o polvos

Los aerosoles se pueden encontrar en los ecosistemas urbanos en varias formas, por ejemplo:

• Polvo
• Humo de cigarro
• Niebla de latas de aerosol
• Hollín o humos en el escape de los automóviles

La presencia de aerosoles en la atmósfera terrestre puede influir en su clima, así como en la salud humana.

Efectos

• Las erupciones volcánicas liberan grandes cantidades de ácido sulfúrico , sulfuro de hidrógeno y ácido clorhídrico a la atmósfera. Estos gases representan aerosoles y eventualmente regresan a la tierra como lluvia ácida , lo que tiene una serie de efectos adversos sobre el medio ambiente y la vida humana. ^[59]
• Los aerosoles interactúan con el balance energético de la Tierra de dos formas, directa e indirectamente.

Por ejemplo, un efecto directo es que los aerosoles se dispersan y absorben la radiación solar entrante. ^[60] Esto conducirá principalmente a un enfriamiento de la superficie (la radiación solar se dispersa de regreso al espacio) pero también puede contribuir a un calentamiento de la superficie (causado por la absorción de la energía solar entrante). ^[61] Este será un elemento adicional al efecto invernadero y, por lo tanto, contribuirá al cambio climático global. ^[62]

Los efectos indirectos se refieren a los aerosoles que interfieren con las formaciones que interactúan directamente con la radiación. Por ejemplo, pueden modificar el tamaño de las partículas de las nubes en la atmósfera inferior, cambiando así la forma en que las nubes reflejan y absorben la luz y, por lo tanto, modificando el balance energético de la Tierra. ^[59]

Existe evidencia que sugiere que los aerosoles antropogénicos en realidad compensan los efectos de los gases de efecto invernadero, razón por la cual el hemisferio norte muestra un calentamiento superficial más lento que el hemisferio sur, aunque eso solo significa que el hemisferio norte absorberá el calor más tarde a través de las corrientes oceánicas que traen aguas más cálidas. del Sur. ^[63]

• Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilita la deposición de contaminantes a la superficie de la tierra así como a las masas de agua. ^[62] Esto tiene el potencial de ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.
• Los aerosoles en el rango de 20 μm muestran un tiempo de persistencia particularmente largo en habitaciones con aire acondicionado debido a su comportamiento de "jet rider" (movimiento con chorros de aire, caída gravitacional en aire que se mueve lentamente); ^[64] dado que este tamaño de aerosol se adsorbe más eficazmente en la nariz humana, ^[65] el sitio de infección primordial en COVID-19 , tales aerosoles pueden contribuir a la pandemia.
• Las partículas de aerosol con un diámetro efectivo menor de 10 μm pueden ingresar a los bronquios, mientras que aquellas con un diámetro efectivo menor a 2.5 μm pueden ingresar hasta la región de intercambio de gases en los pulmones, ^{[66] lo} que puede ser peligroso para la salud humana.

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con aerosoles .

• Aerogel
• Aeroplancton
• Spray de aerosol , el dispositivo de pulverización
• Materia particulada atmosférica
• Bioaerosol
• Deposición (física de aerosoles)
• Oscurecimiento global
• Nebulizador

Referencias

1. Hinds, 1999, p. 3
2. Hidy, 1984, p. 254.
3. Fuller, Joanna Kotcher (31 de enero de 2017). Tecnología quirúrgica - Libro electrónico: Principios y práctica . Ciencias de la salud de Elsevier. ISBN 978-0-323-43056-2.
4. Hidy, 1984, p. 5
5. Hinds, 1999, p. 8
6. Colbeck, 2014, cap. 1.1
7. Hinds, 1999, págs. 10-11.
8. Hinds, 1999, p. 8.
9. Hinds, 1999, p. 10.
10. Hinds, 1999, p. 51.
11. Jillavenkatesa, A; Dapkunas, SJ; Lin-Sien, Lum (2001). "Caracterización del tamaño de partículas". Publicación especial del NIST . 960–1.
12. Hinds, 1999, págs. 75-77.
13. Hinds, 1999, p. 79
14. Hinds, 1999, p. 79.
15. Hidy, 1984, p. 58
16. Hinds, 1999, p 90.
17. Hinds, 1999, p 91.
18. Hinds, 1999, p 104-5
19. Hinds, 1999, p. 44-49
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Obras citadas

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Lectura adicional

• Friedlander, Sheldon K. (2000). Smoke, Dust and Haze (2ª ed.). ISBN 978-0-19-512999-1.
• Kulkarni, Pramod; Baron, Paul A .; Willeke, Klaus, Medición de aerosoles: principios, técnicas y aplicaciones, 2011 John Wiley & Sons, ISBN 978-0-470-38741-2 . 
• Preining, Othmar y E. James Davis (eds.), Historia de la ciencia de los aerosoles, Österreichische Akademie der Wissenschaften, ISBN 3-7001-2915-7 (pbk.) 
• Recursos educativos sobre aerosoles
• Pruppacher, HR; JD Klett (31 de diciembre de 1996). Microfísica de nubes y precipitación (2ª ed.). Saltador. ISBN 978-0-7923-4409-4.
• Seinfeld, John; Spyros Pandis (1998). Química y física atmosférica: de la contaminación del aire al cambio climático (2ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-17816-3.

Enlaces externos

• Asamblea Internacional de Investigación de Aerosoles
• Asociación Estadounidense para la Investigación de Aerosoles
• Manual de métodos analíticos de NIOSH (consulte los capítulos sobre muestreo de aerosoles)