Long-term dust generation from silicon carbide powders

Most dustiness studies do not measure dust release over long durations, nor do they characterize the effect of dust release on bulk powders. In this study, we tested the dustiness of two different samples of silicon carbide (SiC) powders (referred to as F220 and F320) over six hours using a vortex shaker. Additionally, we characterized the bulk sample for change in shape and size distribution due to the testing. Both powders release respirable fractions of dust particles but differ in their dust generation behavior. The numbers of released respirable particles for powder F220 are more than two times higher than those of powder F320. The dust generation mechanism might include the release of aerosols due to the attrition of particles owing to inter-particle and particle-wall impaction. This study emphasizes the need for long duration dustiness tests for hard materials like SiC and characterization for change in bulk material properties due to dust generation and release. Furthermore, the results can aid in selecting the bulk material for long-term applications based on dustiness

Study of the particle motion induced by a vortex shaker

The behaviour of a traced alumina particle lying on limestone powders with similar features has been studied in a test tube agitated by a vortex shaker aiming at studying dust emissions from powders. PEPT (Positron Emission Particle Tracking) was used for measuring the particle's position. Population densities were computed as the frequency of the particle's presence in different regions dividing the two horizontal axes and the vertical axis, respectively. The velocities of the particle were calculated by filtering out all displacements inferior to a critical distance dcrit so as not to consider spurious movements caused by experimental noise. After its validation, the methodology was applied to the standard condition of a vortex shaker experiment (ω = 1500 rpm, 2 g of powder and open test tube). While the horizontal coordinates and velocity components follow a symmetric distribution, the vertical coordinate is characterised by a large asymmetrical plateau. The heights reached by the particle (up to 24.3 mm) are small in comparison to that of the test tube (150 mm). The greatest velocities are found near the inner wall of the test tube and at the highest heights where the population densities are the lowest. The median velocity of the particle is 0.0613 m.s −1 whereas its median kinetic energy is 8.4E-12 J. The method explicated in the present study is directly applicable to any other sets of data obtained through PEPT, especially if the system is of small dimension

Poussières et propriétés mécaniques des solides en vrac cohésifs et non cohésifs

Handling and processing of granular material release fine solid dust particles, which in an occupational setting, can severely affect worker health & safety and the overall plant operation. Dustiness or the ability of a material to release dust particles depends on several material and process parameters and is usually measured by lab-scale dustiness testers. Dustiness tests remain mostly experimental studies and lack reliable predictive ability due to limited understanding of the dust generation mechanisms and the complex interactions between the particles, wall and fluid, occurring simultaneously during dust generation. In the framework of EU ITN project T-MAPPP, this thesis uses an experimental approach to understand the dust generation mechanisms by studying: a) the effects of key bulk and particle properties on powder dustiness; b) the nature and magnitude of inter-particle, particle-wall and particle-fluid interactions; c) the evolution of dustiness and generation mechanisms for long duration powder applications. The results indicate that the dust generation mechanisms differ based on particle size and size distribution of the powder. For the given test samples and experimental conditions, the differences in powder dustiness and dust emission patterns can be characterized by three different groups of powders; powders containing fine cohesive particles, bi-modal (consisting of fine and large particles) powders and lastly, powders consisting of only large particles. While bulk cohesion, especially that stemming from van der Waals forces (measured using shear testers) determines the level of dustiness for the fine powders (in such a way that higher bulk cohesion leads to lower dustiness), both the fraction of fine particles and cohesion determine the dustiness of bi-modal powders. The large particles can emit dust only through attrition of the primary particles into smaller aerosolizable fine particles. Analysis of a traced particle motion inside a cylindrical tube agitated by a vortex shaker dustiness tester shows the cyclic nature of the particle motion. The motion (position and velocity) is symmetric and isotropic in the horizontal plane with lowest radial velocities close to the tube centre and highest at the boundary wall of the test tube. The particles tend to rise up slowly in the middle of the tube while descending rapidly close to the wall. The highest values of the velocity are found at the highest heights and close to the wall of the test tube, where the population densities are lowest. Increasing particle size and vortex rotation speeds tends to increase particle velocity whereas increase in powder mass leads to a decrease in particle velocity for rotation speeds up to 1500 rpm. For the given samples (silicon carbide, alumina and acetylene coke) and the experimental conditions, the initial dustiness is determined by the fraction of fine respirable particles present in the powder but the long-term dust generation patterns and levels are influenced by the material attrition behaviour. Dust is generated by the fragmentation and/or abrasion of primary particles, which may lead to the production and emission of fine daughter particles as dust. The samples with large irregularly shaped particles are likely to show high dustiness by shedding angular corners through inter-particle and particle-wall collisions, thus becoming more spherical in shape. On the contrary, the smaller particles are more resistant to abrasion and generate relatively less dust. While the vortex shaker dustiness tests show similar trends as an attrition tester, our study using alumina and acetylene coke indicate that the results are not interchangeable. Results from this thesis help understand the influence of powder and process parameters which may be manipulated to reduce dust generation. Furthermore, experimental results can be used to develop and validate numerical models to predict dustiness.La manutention et la mise en œuvre des matériaux granulaires libèrent de fines particules de poussière qui, dans un contexte professionnel, peuvent gravement affecter la santé et la sécurité des travailleurs, ainsi que le fonctionnement global de l'installation. L’émission de poussières et la capacité d'un matériau à libérer des particules de poussière, dépendent de plusieurs paramètres relatifs au matériau mais aussi au procédé. Ces émissions sont généralement mesurées par des tests d'empoussièrement à l'échelle du laboratoire. Ces tests reposent principalement sur des études expérimentales et manquent de capacité prédictive fiable en raison d'une compréhension limitée des mécanismes mis en jeu et des interactions complexes entre particules, paroi et fluide, survenant simultanément pendant la génération de poussières. Dans le cadre du projet EU ITN T-MAPPP, cette thèse utilise des approches expérimentales et statistiques pour comprendre les mécanismes de génération de poussières en étudiant: a) les effets des caractéristiques des particules et poudres en vrac sur l’émission de poussières; b) la nature et l'ampleur des interactions entre particules, entre particules et parois, et entre particules et fluides; c) l'évolution de l'empoussièrement et des mécanismes de génération pour des applications de poudre de longue durée. Les résultats indiquent que les mécanismes de génération de poussière diffèrent en fonction de la taille des particules et de la distribution de taille de la poudre. Pour les échantillons d'essai et les conditions expérimentales donnés, les différences dans les modèles initiaux de libération de poussière peuvent être caractérisées par trois groupes différents de poudres : - des poudres contenant des particules cohésives fines, - des poudres bimodales (constituées de fines et de grosses particules), - et enfin des poudres constituées de grosses particules. Tandis que la cohésion globale, surtout celle due aux forces de van der Waals (mesurée à l'aide de testeurs de cisaillement) détermine le niveau de poussières pour les poudres fines, de telle sorte qu'une cohésion globale plus élevée conduit à moins de poussière, la fraction de particules fines et la cohésion déterminent toutes deux l'empoussièrement provenant des poudres bi-modales. Les grosses particules peuvent émettre de la poussière uniquement par usure des particules primaires en particules fines aérosolisables plus petites. L'analyse d'un mouvement de particules tracées à l'intérieur d'un tube cylindrique agité par un testeur d'empoussiérage à vortex montre une nature cyclique du mouvement des particules. Le mouvement des particules (position et vitesse) est symétrique et isotrope dans le plan horizontal, les vitesses radiales les plus basses et les plus élevées étant proches du centre du tube et de la paroi, respectivement. Les particules ont tendance à s'élever lentement au milieu du tube tout en descendant rapidement près de la paroi. Les valeurs les plus élevées de la vitesse se trouvent aux hauteurs les plus élevées et près de la paroi interne du tube à essai, où les densités de population sont les plus faibles. Les valeurs plus élevées de la vitesse pourraient provenir d’une diminution du nombre de chocs due à des densités de population plus faibles. L'augmentation de la taille des particules et des vitesses de rotation des tourbillons tend à augmenter la vitesse des particules tandis que l'augmentation de la masse de poudre conduit à une diminution de la vitesse des particules pour des vitesses de rotation allant jusqu'à 1500 tr / min. Pour les échantillons donnés (carbure de silicium, alumine et coke d'acétylène) et les conditions expérimentales, l'empoussièrement initial est déterminé par la fraction de fines particules respirables présentes dans la poudre, mais les modèles et les niveaux de génération de poussière à long terme sont influencés par le comportement d’attrition matérielle

Les propriétés mécaniques des solides en vrac pulvérulents et cohésives : transition de non-cohérente de poudres cohésives

Handling and processing of granular material release fine solid dust particles, which in an occupational setting, can severely affect worker health & safety and the overall plant operation. Dustiness or the ability of a material to release dust particles depends on several material and process parameters and is usually measured by lab-scale dustiness testers. Dustiness tests remain mostly experimental studies and lack reliable predictive ability due to limited understanding of the dust generation mechanisms and the complex interactions between the particles, wall and fluid, occurring simultaneously during dust generation. In the framework of EU ITN project T-MAPPP, this thesis uses an experimental approach to understand the dust generation mechanisms by studying: a) the effects of key bulk and particle properties on powder dustiness; b) the nature and magnitude of inter-particle, particle-wall and particle-fluid interactions; c) the evolution of dustiness and generation mechanisms for long duration powder applications. The results indicate that the dust generation mechanisms differ based on particle size and size distribution of the powder. For the given test samples and experimental conditions, the differences in powder dustiness and dust emission patterns can be characterized by three different groups of powders; powders containing fine cohesive particles, bi-modal (consisting of fine and large particles) powders and lastly, powders consisting of only large particles. While bulk cohesion, especially that stemming from van der Waals forces (measured using shear testers) determines the level of dustiness for the fine powders (in such a way that higher bulk cohesion leads to lower dustiness), both the fraction of fine particles and cohesion determine the dustiness of bi-modal powders. The large particles can emit dust only through attrition of the primary particles into smaller aerosolizable fine particles. Analysis of a traced particle motion inside a cylindrical tube agitated by a vortex shaker dustiness tester shows the cyclic nature of the particle motion. The motion (position and velocity) is symmetric and isotropic in the horizontal plane with lowest radial velocities close to the tube centre and highest at the boundary wall of the test tube. The particles tend to rise up slowly in the middle of the tube while descending rapidly close to the wall. The highest values of the velocity are found at the highest heights and close to the wall of the test tube, where the population densities are lowest. Increasing particle size and vortex rotation speeds tends to increase particle velocity whereas increase in powder mass leads to a decrease in particle velocity for rotation speeds up to 1500 rpm. For the given samples (silicon carbide, alumina and acetylene coke) and the experimental conditions, the initial dustiness is determined by the fraction of fine respirable particles present in the powder but the long-term dust generation patterns and levels are influenced by the material attrition behaviour. Dust is generated by the fragmentation and/or abrasion of primary particles, which may lead to the production and emission of fine daughter particles as dust. The samples with large irregularly shaped particles are likely to show high dustiness by shedding angular corners through inter-particle and particle-wall collisions, thus becoming more spherical in shape. On the contrary, the smaller particles are more resistant to abrasion and generate relatively less dust. While the vortex shaker dustiness tests show similar trends as an attrition tester, our study using alumina and acetylene coke indicate that the results are not interchangeable. Results from this thesis help understand the influence of powder and process parameters which may be manipulated to reduce dust generation. Furthermore, experimental results can be used to develop and validate numerical models to predict dustiness.La manutention et la mise en œuvre des matériaux granulaires libèrent de fines particules de poussière qui, dans un contexte professionnel, peuvent gravement affecter la santé et la sécurité des travailleurs, ainsi que le fonctionnement global de l'installation. L’émission de poussières et la capacité d'un matériau à libérer des particules de poussière, dépendent de plusieurs paramètres relatifs au matériau mais aussi au procédé. Ces émissions sont généralement mesurées par des tests d'empoussièrement à l'échelle du laboratoire. Ces tests reposent principalement sur des études expérimentales et manquent de capacité prédictive fiable en raison d'une compréhension limitée des mécanismes mis en jeu et des interactions complexes entre particules, paroi et fluide, survenant simultanément pendant la génération de poussières. Dans le cadre du projet EU ITN T-MAPPP, cette thèse utilise des approches expérimentales et statistiques pour comprendre les mécanismes de génération de poussières en étudiant: a) les effets des caractéristiques des particules et poudres en vrac sur l’émission de poussières; b) la nature et l'ampleur des interactions entre particules, entre particules et parois, et entre particules et fluides; c) l'évolution de l'empoussièrement et des mécanismes de génération pour des applications de poudre de longue durée. Les résultats indiquent que les mécanismes de génération de poussière diffèrent en fonction de la taille des particules et de la distribution de taille de la poudre. Pour les échantillons d'essai et les conditions expérimentales donnés, les différences dans les modèles initiaux de libération de poussière peuvent être caractérisées par trois groupes différents de poudres : - des poudres contenant des particules cohésives fines, - des poudres bimodales (constituées de fines et de grosses particules), - et enfin des poudres constituées de grosses particules. Tandis que la cohésion globale, surtout celle due aux forces de van der Waals (mesurée à l'aide de testeurs de cisaillement) détermine le niveau de poussières pour les poudres fines, de telle sorte qu'une cohésion globale plus élevée conduit à moins de poussière, la fraction de particules fines et la cohésion déterminent toutes deux l'empoussièrement provenant des poudres bi-modales. Les grosses particules peuvent émettre de la poussière uniquement par usure des particules primaires en particules fines aérosolisables plus petites. L'analyse d'un mouvement de particules tracées à l'intérieur d'un tube cylindrique agité par un testeur d'empoussiérage à vortex montre une nature cyclique du mouvement des particules. Le mouvement des particules (position et vitesse) est symétrique et isotrope dans le plan horizontal, les vitesses radiales les plus basses et les plus élevées étant proches du centre du tube et de la paroi, respectivement. Les particules ont tendance à s'élever lentement au milieu du tube tout en descendant rapidement près de la paroi. Les valeurs les plus élevées de la vitesse se trouvent aux hauteurs les plus élevées et près de la paroi interne du tube à essai, où les densités de population sont les plus faibles. Les valeurs plus élevées de la vitesse pourraient provenir d’une diminution du nombre de chocs due à des densités de population plus faibles. L'augmentation de la taille des particules et des vitesses de rotation des tourbillons tend à augmenter la vitesse des particules tandis que l'augmentation de la masse de poudre conduit à une diminution de la vitesse des particules pour des vitesses de rotation allant jusqu'à 1500 tr / min. Pour les échantillons donnés (carbure de silicium, alumine et coke d'acétylène) et les conditions expérimentales, l'empoussièrement initial est déterminé par la fraction de fines particules respirables présentes dans la poudre, mais les modèles et les niveaux de génération de poussière à long terme sont influencés par le comportement d’attrition matérielle

Aérosolisation de particules de carbure de silicium sur des périodes longues

Silicon carbide (SiC) particles used in long-duration industrial applications releases potentially hazardous dust which can also change the bulk material quality. However, most dustiness tests do not study dust released over long durations nor do they measure the effect of dust generation on the bulk powder as they emulate applications lasting for short duration (few seconds to minutes) which has minimal effect on the bulk sample. In this study, we test the number and mass dustiness of two different samples of SiC powders with median particle sizes (x50) of 66 µm and 38 µm, over six hours using a vortex shaker. The dust generation mechanism might include the release of aerosols due to the attrition of particles owing to inter-particle and particle-wall impaction. This study emphasizes the need for long duration dustiness tests for hard materials like SiC and characterization for change in bulk material properties due to dust generation and release. Furthermore, the results can aid in selecting the bulk material for long-term applications based on dustiness.Certaines applications industrielles utilisent de la poudre de carbure de silicium sur des durées allant de plusieurs heures à plusieurs mois. De telles durées induisent des problématiques d'émission (exposition des opérateurs, rejets à l'environnement) mais aussi de modification de la poudre elle-même. Ces problématiques sont très peu considérées à ce-jour, les tests de pulvérulence étant principalement centrés sur les quantités de matière émises, et ce pour des durées plus courtes. Les résultats présentés ici portent sur l'étude par agitateur vortex [3, 4] de la pulvérulence en masse et en nombre de deux types de poudre de SiC de diamètre médian (x50) de 66 µm et 38 µm, sur des périodes de 6 heures. Le mécanisme de génération de poussières peut comprendre la libération d'aérosol due à l'attrition des particules due à l'impaction entre particules et à la paroi des particules. Cette étude souligne la nécessité de procéder à des essais à long terme sur la poussière pour les matériaux durs comme le SiC et à la caractérisation des propriétés des matériaux en vrac en raison de la génération et de la libération de poussières. En outre, les résultats peuvent être trouvés dans le matériau en vrac pour des applications à long terme basées sur la poussière

The influence of particle shape and size distribution on aerosolisation of powders

The dust released from granular materials in industries, so called aerosolisation, can have a negative impact in the workplace as well as the surrounding environment. The dustiness of a material is related to intrinsic properties of the powders including physicochemical properties such as particle size, size distribution, particle density, particle shape etc. It is also related to the type and magnitude of energy applied to the material during an application generating dust. Further, the local ambient conditions such as moisture content have also been found to affect dustiness. So in effect, a given amount of powder should release a specific amount or concentration of aerosol over a period of time if the same input energy is applied for the same ambient conditions. Thus a powders dust generation behavior can be studied on the basis of its intrinsic properties. A dustiness tester is a lab-scale tester which should ideally represent and mimic the actual industrial process which generates dust. In this research, we use the „Vortex Shaker Method‟ to test dust generation of two ceramic powders used extensively in research and industrial applications, namely silicon carbide (SiC) of 30-100μm in size and aluminum oxide (Al2O3) which size ranks from 0.5 to 100μm..