Full Text

Введение Известно, что одним из основных биологически активных факторов горных пород и определенных, естественных или искусственно пройденных, подземных полостей (в частности горных соляных выработок [1-3]) является высокодисперсный аэрозоль [4-6]. Для создания уникального микроклимата замкнутых помещений все шире используются специальные комплексы [7, 8] - спелеоклиматические камеры, - в которых в облицовочных материалах [9] и/или материалах несущих конструкций применяется сильвинитовая руда. В силу влияния природных солей воздушная среда в таких комплексах обладает уникальными свойствами [10] - в воздухе наблюдаются высокие объемные концентрации высокодисперсного соляного аэрозоля и легких аэроионов. Вместе с тем до настоящего времени исследований, обобщающих с единых физических позиций теоретические и экспериментальные результаты влияния указанных специальных отделочных материалов на формируемый аэрозольный и аэроионный состав воздуха помещений, не проводилось. Как правило, исследования аэроионного и аэрозольного составов ограничиваются натурными измерениями без учета взаимосвязи между ними. Так, в частности, в воздушной среде спелеоклиматических камер наиболее изученными являются аэрозольные частицы с размером, превышающим 0,5-1,0 мкм, в силу возможности отбора их фильтрами для последующего микроскопического и химического анализа. Однако принятый в настоящее время гравиметрический подход к способу оценки вредного воздействия аэрозольного загрязнения не удовлетворяет современным тенденциям, поскольку без определения дисперсности аэрозольных частиц и их физико-химических свойств нельзя объективно подобрать конструктивное исполнение и режим эксплуатации спелеокамер. Действительно, важнейшим параметром, определяющим характер воздействия на организм человека вдыхаемых аэрозольных частиц, является их размер [11-14]. При высокой дисперсности аэрозоль отличается повышенной химической активностью из-за большой суммарной поверхности частиц. Высокодисперсные аэрозольные частицы обладают уникальными физическими и химическими свойствами, так как практически не оседают и длительное время находятся во взвешенном состоянии. Следует отметить, что измерение концентраций высокодисперсных аэрозольных частиц диаметром менее 0,5 мкм технически очень сложно [15]. В связи с этим актуальной является задача получить информацию о высокодисперсных аэрозольных частицах путем экстраполяции инструментально определенного распределения частиц размером более или порядка 0,5 мкм в более мелкие фракции. Для этого предлагается осуществить моделирование взвешенных в воздухе частиц диаметрами от порядка нанометра до, по крайней мере, сотен нанометров, рассматривая систему «аэрозольные частицы - аэроионы». Теоретико-эмпирические основы Взаимосвязь распределения аэрозольных частиц и концентрации легких аэроионов можно проследить, рассматривая ионизационно-рекомбинационное уравнение образования и исчезновения легких аэроионов, устанавливающее взаимосвязь величины объемных счетных концентраций легких аэроионов с уровнем ионообразования и аэрозольным распределением с учетом рекомбинации аэроионов между собой и осаждения на аэрозольные частицы: (1) где ni - концентрация легких аэроионов с подвижностью mi = 0,5-2 см2В-1с-1; i - характеристика заряда иона, если заряд положительный, то i обозначается знаком «+», если заряд отрицательный - знаком «-»; n - интенсивность ионообразования; a - коэффициент рекомбинации противоположно заряженных легких аэроионов друг с другом, согласно расчетам по теории прилипания в результате тройного столкновения для нормальных условий a = 1,4×10-6 см3/с, что близко к экспериментально наблюдаемым значениям a @ 1,6×10-6 см3/с [16]; - коэффициент слияния легких положительных (или отрицательных) аэроионов и аэрозольных частиц диаметром D и зарядом ce (или -ce); - концентрация аэрозольных частиц диаметром D и зарядом ce в момент времени t; e - элементарный заряд; t - время. Предположим, что система «аэрозольные частицы - аэроионы» находится в термодинамическом и электрическом равновесии (т.е. распределение аэрозольных частиц по размерам квазистационарно и по зарядам симметрично). Тогда уравнение (1) может быть записано в виде (2) где - коэффициент, отражающий величину убыли аэроионов на аэрозольных частицах, . В равновесном состоянии производные уравнений (2) становятся равными нулю и . Решение уравнений (2) относительно n+ и n- дает (3) В предположении, что концентрации легких аэроионов обоих знаков равны (n+ = n- = n), исходные уравнения аэроионного баланса (2), опуская индекс i, запишутся в виде . (4) В уравнении ионного баланса убыль аэроионов Spn за счет оседания на аэрозольные частицы в предположении, что полное число аэрозольных частиц в единице объема и N+ = N-, можно записать как (5) где b0(D) - коэффициент рекомбинации между аэроионами и нейтральными аэрозольными частицами; bc(D) - коэффициент рекомбинации между аэроионами и заряженными частицами с числом элементарных зарядов c = 1, 2, 3, ... (или -c = 1, 2, 3, ...); N0(D) - концентрация незаряженных частиц; Nc(D) - концентрация частиц, заряженных до величины c (или -c). В равновесном состоянии системы применительно к условию симметричной (т.е. при n+ = n-) диффузионной зарядки аэрозольных частиц легкими аэроионами слияние аэроионов и аэрозольных частиц (5) во всем интервале размеров частиц может быть описано эмпирической формулой [17] , (6) где D - диаметр аэрозольных частиц, мкм; - распределение аэрозольных частиц по размерам. С учетом принятых обозначений для стационарных условий уравнение (4) принимает вид (7) Решая полученное квадратное уравнение и исключая отрицательное решение, имеем (8) Отметим, что для решения уравнения (8), связывающего интенсивность ионообразования, счетные концентрации легких аэроионов и распределение аэрозольных частиц по размерам, необходимы сведения о дисперсном составе аэрозоля в широком интервале размеров частиц от Dmin (по крайней мере порядка 0,05 мкм) до Dmax. В практических исследованиях чаще всего распределение определено только для аэрозольных частиц диаметром более 0,1 мкм (чаще в диапазоне диаметров более 0,3-0,5 мкм). Тогда в случае отсутствия данных распределения аэрозольных частиц в широком интервале от Dmin до Dmax применение уравнения (8) становится некорректным. Информацию о высокодисперсных аэрозольных частицах, имея данные о распределении частиц размером более или порядка 0,1 мкм, предлагается получить, рассматривая эмпирические модели, описывающие характер распределения частиц аэрозоля по размерам. Логарифмически нормальное распределение считается наиболее обоснованным для аналитического описания дисперсного состава аэрозольного загрязнения, особенно в области высокодисперсной фракции. Известно [18, 19], что в большинстве случаев распределение аэрозольных частиц может быть сведено к суперпозиции нескольких логарифмически нормальных распределений (9) где N0j - общее число частиц j-й моды; sj - стандартное геометрическое отклонение j-й моды; D0j - среднее геометрическое значение диаметра моды. В общем случае число мод р в распределении (9) принимается равным четырем [20]. Причем одна из мод (j = IV) лежит в области частиц со средним геометрическим значением диаметра D04 более 1 мкм, а в области размеров частиц менее 1 мкм рассматриваются возможные оставшиеся три моды I, II, III (рис. 1). Рис. 1. Первоначальные условия итераций при моделировании распределения аэрозольных частиц (по данным [20]) В первоначальном приближении в интервале размеров частиц менее 1,0 мкм рассматриваются три моды. Средние геометрические диаметры частиц, стандартные геометрические отклонения и концентрации частиц принимаются равными значениям, представленным на рис. 1. В дальнейшем значения , sj, подбираются методом наименьших квадратов таким образом, чтобы обеспечить соответствие известным экспериментальным данным распределения аэрозольных частиц, а также сходимость уравнения (5), связывающего распределение аэрозольных частиц и концентрации аэроионов. Для этого в модах последовательно подгоняются значения: а) средних геометрических диаметров ; б) стандартных геометрических отклонений sj в диапазоне 1,2-2,1; в) общего числа частиц . Поскольку в отдельных случаях распределение в области размеров частиц менее 1 мкм может быть сведено к бимодальному или даже к одномодальному, то дальнейшим этапом аппроксимации рассматривается возможность уменьшения количества мод в диапазоне размеров частиц менее 1 мкм с трех до двух (при условии достижения заданной точности). Возможны два варианта: а) в диапазоне размеров частиц менее 0,1 мкм наблюдаются две моды, а в диапазоне размеров частиц 0,1-1,0 мкм мода отсутствует; б) в диапазоне частиц менее 0,1 мкм наблюдается только одна мода (диапазон частиц 0,003-0,100 мкм), а вторая мода попадет в диапазон размеров 0,1-1,0 мкм. Далее, при условии достижения заданной точности, рассматривается возможность уменьшения количества мод с двух до одной. В случае одномодового распределения проводятся аналогичные описанным выше итерации для всего диапазона размеров частиц 0,003-1,000 мкм. Параметры логнормального распределения высокодисперсных частиц определяются методом наименьших квадратов таким образом, чтобы значения концентраций тяжелых аэроионов, вычисленные исходя из больцмановского распределения заряда на аэрозольных частицах (10) а также эмпирического соотношения, связывающего значение диаметра аэрозольных частиц и подвижности [21] (11) совпадали с экспериментально наблюдаемыми. В уравнении (10) приняты обозначения: e0 - электрическая постоянная; k - постоянная Больцмана; T - температура. Таким образом, использование суперпозиции нескольких логарифмически нормальных распределений для описания дисперсного состава аэрозольных частиц позволяет проводить аппроксимации экспериментальных данных распределения вплоть до диапазона диаметров D ~ 0,003 мкм и тем самым оценивать количественные характеристики высокодисперсной фракции аэрозоля. Методы и аппаратура исследований, результаты моделирования Представленный выше теоретико-эмпирический аппарат был экспериментально апробирован на примере реальных специальных помещений, облицованных пилеными блоками природного сильвинита или сильвинитовыми панелями из прессованной соляной плитки с высоким содержанием хлористого калия, входящего в состав калийных солей. Распределение аэрозольных частиц по размерам в воздушной среде исследовалось при помощи аэрозольного счетчика марки ПКЗВ-1 (диапазон размеров исследуемых аэрозольных частиц - 0,3-100 мкм) и аэрозольного счетчика марки АЗ-6 (диапазон размеров частиц - 0,3-1,0 мкм). Исследование значений концентрации аэроионов проводилось с помощью интегрального спектрометра аэроионов UT-8401, позволяющего регистрировать аэроионы положительной и отрицательной полярности в диапазоне подвижности от 0,00032 вплоть до 2,0 см2В-1с-1 и более. Все исследования выполнены в отсутствие людей в помещениях (кроме исследователя). Для достижения поставленной точности моделирования (коэффициент корреляции между экспериментальными данными и данными аппроксимации в области размеров частиц более 0,3 мкм равен не менее 0,99), распределение аэрозольных частиц в воздушной среде помещений, облицованных специальными материалами на основе калийных солей, следует описывать в виде суперпозиции двух логарифмически нормальных распределений (рис. 2). Рис. 2. Моделирование распределения аэрозольных частиц в помещениях, облицованных: а - блоками натуральной калийной соли; б - сильвинитовыми панелями и прессованной плиткой Представленная на рис. 2 мода 2 соответствует моде с индексом j = IV, которая лежит в области частиц со средним геометрическим значением диаметра более 1 мкм [20]. Распределение высокодисперсных частиц, характеризуемое модами с индексами j = I, II, III (см. рис. 1), удалось свести к одномодовому - соответственно мода 1 (рис. 2). Усредненные значения объемных концентраций аэроионов и результаты аппроксимации распределения аэрозольных частиц по размерам Объект исследования Концентрация аэроионов, см-3 Мода 1 Мода 2 легкие тяжелые N01 s1 D01 N02 s2 D02 Помещения, облицованные блоками из натуральной калийной соли 2230 ± 390 2170 ± 520 29 ± 16 2,45 ± 0,68 0,29 ± 0,11 1,8 ± 0,2 2,2 ± 0,1 2,0 ± 0,3 Помещения, облицованные сильвинитовыми панелями и прессованной плиткой 1340 ± 410 2810 ± 600 63 ± 29 1,53 ± 0,07 0,34 ± 0,01 0,32 ± 0,19 2,33 ± 0,11 1,5 ± 0,2 Полученные в результате измерений в помещениях с соляными отделочными материалами усредненные значения параметров логарифмически нормальных распределений по модам представлены в таблице. Выводы Полученные результаты моделирования наглядно демонстрируют различие в дисперсном составе соляной аэрозоли в зависимости от конструктивных особенностей спелеокамер. Действительно, в помещениях, облицованных сильвинитовыми панелями и прессованной плиткой, по сравнению с помещениями, облицованными блоками из натуральной калийной соли, наблюдается более ярко выраженная доминирующая роль моды 1 по сравнению с модой 2. Таким образом, применение панелей и прессованной плитки значительно увеличивает содержание высокодисперсной фракции соляной аэрозоли в воздухе. Однако следует отметить, что такое увеличение неминуемо приводит к относительному снижению объемных концентраций легких аэроионов. Представленный подход к определению уникальных свойств рассматриваемых специальных отделочных и декоративных материалов на основе калийных солей позволяет научно обосновать их применение, определить варианты использования в зависимости от требуемых параметров аэрозольсодержания в воздушной среде с целью формирования качественного воздуха помещений. Представленные результаты показывают, что перспективными материалами являются панели и плитки, изготовленные на основе калийных солей путем прессования, поскольку позволяют генерировать более высокодисперсную фракцию соляных аэрозольных частиц. Благодарность Автор выражает глубокую признательность и благодарность профессору Г.З. Файнбургу (Пермский национальный исследовательский политехнический университет) за ценные замечания и советы в ходе выполнения исследований, нашедшие отражение в настоящей работе.

About the authors

Konstantin A. Chernyi

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

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Life Safety

References

Statistics

Views

Abstract - 227

PDF (Russian) - 52

PDF (English) - 41

Refbacks

• There are currently no refbacks.