Theoretical models for dynamic shape factors and lung deposition of small particle aggregates originating from combustion processes

A theoretical model was developed which allows the generation of irregularly shaped aggregate particles due to the stepwise joining of spherical components with variable diameters. The mathematical approach is mainly thought to act as a supporting tool for the simulation of the transport and deposition behaviour of combustion aerosols in the atmosphere and the human respiratory tract. In combination with aggregate construction essential particle parameters (dynamic shape factor χ, aerodynamic diameter dae) are computed using the model. As a main result of aggregate generation, an increasing particle size, expressed by an increasing number of spherical components, leads to an enhancement of χ and dae, whereby values of the first parameter range from 2 to 70. Deposition of small aggregates (sizes between 2 and 200 nm) in the human respiratory tract is commonly marked by high rates of bronchial particle accumulation (40-60%) and declined rates of extrathoracic (20-30%) and alveolar accumulation (2-15%). Concerning aggregate deposition by airway generation, increased cluster size causes a significant decrease of particle accumulation in the proximal airways, whilst accumulation in the intermediate to distal airways is dramatically enhanced. The model was validated using experimental deposition data of tobacco smoke. An excellent correspondence between experimental and theoretical results was found.

ZusammenfassungEin theoretisches Modell wurde entwickelt, welches die Generierung unregelmäßig gestalteter Aggregatteilchen infolge des stufenweisen Aneinanderfügens von sphärischen Komponenten mit variablem Durchmesser gestattet. Die mathematische Näherung ist hauptsächlich dazu gedacht, als unterstützendes Werkzeug für die Simulation des Transport- und Depositionsverhaltens von Verbrennungsaerosolen in der Atmosphäre und im menschlichen Respirationstrakt zu dienen. In Verbindung mit der Konstruktion der Aggregatteilchen steht die Berechnung essentieller Partikelparameter (dynamischer Formfaktor χ, aerodynamischer Durchmesser dae). Als ein wesentliches Resultat der Aggregatkonstruktion ist die Erhöhung von χ und dae mit steigender Teilchengröße – ausgedrückt durch eine steigende Anzahl an sphärischen Komponenten – anzusehen, wobei ersterer Parameter zwischen 2 und 70 variiert. Die Deposition kleiner Aggregate (Größen zwischen 2 und 200 nm) im menschlichen Respirationstrakt ist durch hohe bronchiale Teilchenakkumulationsraten (40-60%) und verringerte extrathorakale (20-30%) und alveolare Akkumulationsraten (2-15%) gekennzeichnet. Hinsichtlich der Ablagerung von Aggregatteilchen in einzelnen Luftwegsgenerationen bewirkt eine Erhöhung der Clustergröße verringerte Deposition in den proximalen Luftwegen, während die Deposition in den mittleren bis distalen Luftwegen deutlich ansteigt. Zur Validierung des Modells wurden experimentelle Daten zur Lungendeposition von Tabakrauch herangezogen. Dabei konnte eine exzellente Übereinstimmung zwischen experimentellen und theoretischen Resultaten festgestellt werden.