Full Text

Введение В условиях, когда современный человек все больше времени проводит в замкнутых помещениях и часто испытывает при этом так называемый «воздушный дискомфорт», устранение последнего является актуальным предметом многих современных научных исследований. Ряд авторов [1-6] одну из причин воздушного дискомфорта в помещениях видит в четко фиксируемом изменении аэроионного состава воздуха по сравнению с природным воздухом - в помещениях происходит существенное снижение содержания легких аэроионов. В условиях отсутствия природных механизмов генерации легких аэроионов, а также поглощения их в процессе дыхания человеком, оседания на аэрозольных частицах и адсорбции поверхностями их содержание резко падает. Идея и способ компенсировать убыль легких аэроионов за счет их искусственной генерации с помощью специального оборудования - коронных аэроионизаторов - ограничены в силу повышения активности протекания негативных ион-индуцированных химических реакций и возможной побочной генерации вредных химических веществ - озона O3, а также оксидов азота NO, NO2, NOx [7-9]. Этих недостатков лишены естественные природные способы обеспечения требуемого ионосодержания в воздухе [10], основанные на применении специальных строительных конструкций или материалов из соляных горных пород, которыми облицовываются или декорируются ограждающие поверхности комнат, пола или потолка помещений. При этом для создания уникального лечебного микроклимата спелеоклиматических камер [11, 12] в облицовочных материалах [13] и/или материалах несущих конструкций применяется природный сильвинит. Известно, что в ряде горных пород в зависимости от их химического состава в определенных естественных (пещеры) или искусственно пройденных горных выработках (в частности соляных выработках [14, 15]) отмечаются как низкие дозы радиоактивных излучений [16, 17], так и относительно высокие [18], при которых наблюдаются высокие объемные концентрации легких аэроионов. В настоящее время почти отсутствуют работы, обобщающие с единых физических позиций разрозненные теоретические и экспериментальные результаты. Исследования ограни-чиваются, как правило, либо выполненными измерениями излучений [19-21], либо измерениями параметров ионосодержания [22] без рассмотрения роли факторов, обусловливающих формирование аэроионного состава. Таким образом, представляется целесообразным на основе физических закономерностей с учетом результатов экспериментов выявить основные закономерности реализации механизмов ионообразования, обусловленных действием радиоактивных излучений различной природы, характерных для калийных солей. Ионизирующие излучения калийных солей Основной вклад в ионообразование как в горных выработках калийных рудников, так и в спелеоклиматических камерах вносит ионизирующее излучение калия, который содержится в калийно-магниевых солях. Минералами горных пород, содержащими калий, являются сильвин и карналлит, а горными породами - сильвинит и карналлит. Средний состав сильвинитовых руд Верхнекамского месторождения: KCl - 25,5 %; NaCl - 68,5 %; MgCl2 - 0,8 %; CaSO4 - 1,9 %, нерастворимый осадок - 2,7 %; H2O - 0,6 % [18]. В природе калий состоит из двух стабильных изотопов 39K (93,08 %), 41K (6,91 %) и одного радиоактивного изотопа 40K (0,0117 %), распадающегося двумя разными путями. Первый путь состоит в том, что в результате β-распада (89,28 %) 40K превращается в стабильный изотоп 40Ca: 40K19 → 40Са20 + е─. Эманированные β-частицы (электроны) при своем пробеге ионизируют атомы и молекулы воздуха, а затем захватываются и присоединяются к внешним оболочкам атомов и молекул воздуха, образуя отрицательно заряженные аэроионы. Второй путь распада атомы изотопа 40K претерпевают путем K-захвата (10,72 %), трансформируясь в 40Ar, ядро которого, переходя в стабильное состояние, выбрасывает γ-квант: 40K19 + е─ →40Аr18 + hν, порождая слабое гамма-излучение. Основные физические характеристики радиоактивных излучений, вызванных распадами изотопов 40K, приведены в табл. 1. Таблица 1 Основные характеристики излучения изотопа 40K Характеристика Значение Период полураспада, лет 1,248×109 Содержание в естественной смеси изотопов, % 0,0119 Энергия g-излучения, МэВ 1,505 Средняя энергия излучения β-частиц, МэВ 0,541 Граничная энергия излучения β-частиц, МэВ 1,322 Ионообразование в горных выработках и в сильвинитовых спелеоклиматических камерах обусловлено в первую очередь ионизирующими излучениями. При этом аэроионы и свободные электроны возникают в воздухе, когда энергия возбуждения молекул или атомов вследствие влияния ионизирующих излучений составляет величину большую, чем потенциал ионизации. Как известно, β-частицы, проходящие через вещество, испытывают упругие и неупругие взаимодействия с ядрами и электронами окружающей среды. Взаимодействие β-частицы с атомными электронами приводит к передаче им некоторой энергии, следствием чего является либо ионизация, либо возбуждение атома. Оба вида передачи энергии, имеющие общее название «ионизационные потери», примерно равновероятны. В среде g-излучение теряет свою энергию за счет фотоэффекта либо комптоновского рассеяния, при этом основное ионизационное воздействие на воздушную среду обусловлено вторичными электронами. Методы исследования Все исследования выполнены в реальных специальных помещениях, облицованных сильвинитовыми блоками и панелями в отсутствие людей (кроме исследователя). Исследование значений концентрации аэроионов проводилось с помощью интегрального спектрометра аэроионов UT-8401, позволяющего регистрировать аэроионы положительной и отрицательной полярности в диапазоне подвижностей от 0,00032 вплоть до 2,0 см2В-1с-1 и более. Содержание аэроионов различных групп подвижности в воздушной среде помещений, облицованных специальными материалами на основе калийных солей Усредненные значения концентраций фракций аэроионов с предельными подвижностями 0,1; 0,01 и 0,00032 см2В-1с-1 (группа легких, средних промежуточных и тяжелых аэроионов соответ-ственно) при рассматриваемых предельных подвижностях со стандартными отклонениями представлены в табл. 2. Во всех измерениях в диапазоне подвижности более 0,1 см2В-1с-1 (легкие аэроионы) преобладают аэроионы положительной полярности, что характерно для приземной атмосферы Таблица 2 Концентрации аэроионов различных групп подвижностей в помещениях с отделочными материалами на основе калийной соли Объект Объемные концентрации аэроионов, см-3 Подвижность более 0,1 см2В-1с-1 Подвижность 0,01-0,10 см2В-1с-1 Подвижность 0,00032-0,01000 см2В-1с-1 n+ n- n+ n- n+ n- Помещения, облицованные сильвинитовыми блоками калийной соли 2400 ± 410 2050 ±360 230 ± 70 220 ± 90 1980 ± 440 2350 ± 600 Помещения, полностью облицован-ные прессованной калийной плиткой 1500 ± 440 1170 ± 370 260 ± 100 260 ± 130 2600 ± 620 3010 ± 580 Помещения с декоративными фрагментами из материалов на основе калийной соли (на расстоянии 1,5 м от активной поверхности) 1030 ± 380 1040 ± 360 230 ± 80 170 ± 70 1600 ± 350 1300 ± 240 вследствие наличия электрического поля Земли. Коэффициент униполярности Y = n+ / n- в диапазоне легких аэроионов колеблется в интервале 1,08-1,57. Объемные концентрации средних промежуточных аэроионов (подвижностью 0,01-0,10 см2В-1с-1) обеих полярностей существенно меньше концентраций как легких, так и тяжелых аэроионов, что также характерно для аэроионного состава воздушной среды с относительно низкой интенсивностью ионизации. В области тяжелых аэроионов (подвижностью 0,00032-0,01000 см2В-1с-1) отмечен следующий экспериментальный факт. Коэффициент униполярности Y в указанном диапазоне изменяет свой знак в зависимости от времени и объекта измерения. В одних случаях (~ 12 %) концентрация тяжелых положительных аэроионов больше, чем тяжелых отрицательных. В других случаях (~ 88 %), наоборот, концентрация тяжелых отрицательных аэроионов больше, чем тяжелых положительных. Отмечено, что данное различие связано с величиной относительной влажности. Распределение легких аэроионов по подвижности в воздушной среде помещений, облицованных специальными материалами на основе калийных солей Проведено исследование спектров по подвижности отрицательных и положительных легких аэроионов в диапазоне от 0,32 вплоть до 2,2 см2В-1с-1. Типичное спектральное распределение легких аэроионов по подвижности представлено на рисунке. Практически все легкие аэроионы находятся в диапазоне подвижности 1-2 см2В-1с-1. Отмечено, что в диапазоне подвижности более 2 см2В-1с-1 коэффициент униполярности Y всегда меньше единицы (среднее значение равно 0,89 ± 0,09), в то время как в диапазоне 1-2 см2В-1с-1 значение коэффициента униполярности Y всегда больше единицы (среднее значение - 2,74 ± 1,38). Для обычной атмосферы характерны значения коэффициента униполярности в указанных диапазонах подвижности 0,68 и 1,33 соответственно [23]. Отмеченный выше экспериментальный факт согласуется с ионизационными процессами в чистом воздухе без посторонних химических примесей. Действительно, основными отрицательными аэроионами в диапазоне подвижности более 2 см2В-1с-1 являются ионы вида O2-(H2O)m, а устойчивых носителей положительного заряда в диапазоне подвижности 1-2 см2В-1с-1 значительно меньше [23]. В то же время в диапазон подвижности 1-2 см2В-1с-1 попадают устойчивые комплексы типа H+(H2O)m и H3O+(H2O)m, которые образуются в достаточно больших количествах и являются основными легкими положительными аэроионами. Обсуждение результатов Зависимость знака коэффициента униполярности Y в области тяжелых аэроионов (подвижностью 0,00032-0,01000 см2В-1с-1) от времени и объекта измерения (см. табл. 2) может быть объяснена специфическими свойствами соляных аэрозольных частиц. Как известно, тяжелые аэроионы образуются путем захвата легких аэроионов аэрозольными частицами. Если в системе «аэроионы - соляной аэрозоль - воздух» протекают процессы обводнения, испарения или конденсации водяного пара, потоки аэроионов разных знаков на гигроскопичные аэрозольные частицы будут различаться из-за появления на поверхности Рис. Типичные спектральные распределения легких положительных (2, 4) и отрицательных (1, 3) аэроионов в воздушной среде помещений с отделочными материалами на основе калийных солей (1, 2) и чистом природном воздухе (3, 4). Данные 3 и 4 заимствованы из [23] частиц упорядоченных слоев молекул водяного пара. Такие слои создают вблизи поверхности раздела «вода - воздух» локальный электрический потенциал, знак и величина которого определяются скоростью конденсационных процессов, а также способностью вещества аэрозоля специфично ориентировать адсорбированные на поверхности молекулы водяного пара и диссоциировать в воде. Согласно модели, развитой в [24], аэроионы одного знака, попав в зону действия указанного потенциала, беспрепятственно осаждаются на каплю (частицу). Ионы другого знака «выталкиваются» потенциалом, что приводит к снижению потока этих ионов. Согласно экспериментальным данным [25] на стадии обводнения аэрозольной солевой частицы создаются условия преимущественной адсорбции отрицательных аэроионов, на стадии конденсационного роста - положительных ионов. На наш взгляд, преимущественный знак заряда тяжелых аэроионов (см. табл. 2) определяется именно процессами избирательного осаждения легких аэроионов разных знаков на соляную аэрозольную частицу. Кроме того, как известно [26], аэрозоль, содержащий соли натрия, калия, магния, обладает ярко выраженным гистерезисом в агрегатном состоянии аэрозольных частиц в зависимости от относительной влажности. Полное растворение частиц соли происходит при 73-78 % относительной влажности, однако обратная кристаллизация наблюдается уже при относительной влажности 30-40 %. Указанные выше механизмы объясняют тот экспериментальный факт, что при относительной влажности воздуха порядка и более 73 % (критическая относительная влажность, при которой большинство соляных аэрозольных частиц растворяются и представляют собой мельчайшие капли) концентрация тяжелых отрицательных аэроионов всегда больше концентрации тяжелых положительных. Напротив, при относительной влажности менее 73 % знак коэффициента униполярности Y тяжелых аэроионов может быть как отрицательным, так и положительным. Последнее зависит от того, каким образом относительная влажность менее 73 % была достигнута. Если относительная влажность воздуха в прошлом превысила критические значения, равные 73-78 %, то при снижении относительной влажности аэрозольные частицы вплоть до 30-40 % остаются в жидкой фазе и преимущественное осаждение испытывают легкие отрицательные аэроионы. Если же аэрозольные частицы не являются полностью растворенными, т.е. относительная влажность в прошлом не превышала критические значения 73-78 %, то преимущественному осаждению подвергаются положительные легкие аэроионы. Выводы Рассмотрены закономерности влияния специальных строительных материалов на основе калийных солей на аэроионный и аэрозольный режим помещений. Представленный подход к определению уникальных свойств рассматриваемых специальных строительных отделочных и декоративных материалов позволяет научно обосновать их применение, определить варианты использования в зависимости от требуемых параметров аэроионного состава и аэрозольсодержания в воздушной среде с целью формирования качественного воздуха помещений. Полученная эквивалентность параметров аэроионного распределения по подвижности в воздушных средах помещений, облицованных материалами на основе калийных солей, и в чистом атмосферном воздухе (см. рис. 1) доказывает, что химическая природа аэроионов в обеих средах близка. Практически на порядок отличающиеся объемные концентрации аэроионов в воздушных средах помещений, облицованных специальными материалами на основе калийных солей, и в природном воздухе свидетельствуют о возможности использования новых передовых технологий применения природного сильвинита в гуманитарных целях создания помещений для лечебно-профилактических целей.

About the authors

Konstantin A. Chernyi

Author for correspondence.
Email: chernyy_k@mail.ru
29 Komsomolskii av, Perm, 614990, Rissian Federation

Doctor of Engineering, Associate Professor at the Department of Life Safety

Grigorii Z. Fainburg

Email: faynburg@mail.ru
29 Komsomolskii av, Perm, 614990, Rissian Federation

Doctor of Engineering, Professor at the Department of Development of Mineral Deposits

References

Statistics

Views

Abstract - 264

PDF (Russian) - 73

PDF (English) - 45

Refbacks

• There are currently no refbacks.