Full Text

Исследование взаимодействия пылевых частиц в космосе и на Земле проводят в институте РАН совместно с Институтом внеземной физики общества Макса Планка и другими институтами. Изучают пылевую плазму в условиях микрогравитации в установках «ПК-3» (плазменный кристалл) и «ПК-3 Плюс» (более современный «ПК-3»). Интерес к этой области исследований вызван «открытием сильнозаряженных пылевых частиц в лабораторных условиях, в плазме высокочастотного разряда и тлеющего разряда постоянного тока» и прикладным интересом к изучению явления пылевой плазмы при разработке технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике [1]. При этом объектом исследований были взаимодействия макрочастиц пыли в плазме и их организация в виде «плазменного кристалла». Поскольку частицы пыли были крупными, то наблюдение за их взаимодействием упрощалось, так как они обнаруживались визуально. Наноразмерные (до 100 нм) же частицы пыли в связи с их малым размером не могут быть обнаружены невооруженным глазом. При изучении явлений, происходящих в современном производстве, мы часто сталкиваемся с процессами, которые почти не учитываются. Например, взаимодействие частиц с электрополями, силовыми установками и другими явлениями, относящимся к так называемым техногенным факторам, которые в целом отрицательно влияют на жизнедеятельность организмов, приводит к выходу из строя плат электронного управления. В связи с этим сегодня при контроле производства очень важно подробнее рассматривать физические процессы и механизм движения технической нанопыли при самых различных процессах: от создания нанотрубок до обработки материалов с заданными свойствами. В последние годы ведутся специальные исследования, изучающие влияние таких частиц в различных технологических процессах [2, 3], а также исследования структурных процессов с учетом возможного влияния высоких технологий [4]. За последние 10 лет работа гидрофильтра ЭКОВЕСТА (рис. 1) на различных производствах показала эффективность улавливания и нейтрализации пыли оборотной водой, несмотря на различное происхождение и размер частиц пыли. Рис. 1. Гидрофильтр ЭКОВЕСТА на производстве Чем больше масса заданного тела в объеме масс, тем сильнее его поле и больше его роль как взаимодействующего фактора. В будущем это необходимо учесть и использовать для улавливания «иной» - наноразмерной технопыли, способной проходить сквозь различные преграды в виде защитных покрытий или оболочек. При этом сама пыль незаметно накапливает массу, набирая свой опасный потенциал и суммарный заряд. По опыту мы знаем, что такая «затаившаяся» и внезапно потревоженная потоком воздуха или электромагнитными полями мелкодисперсная пыль приводит к образованию детонирующей взрывопожароопасной среды. Какая из «полезных» человеку технопылей способна стать как проводником, так и помощником в развитии будущих видов патогенной микрофлоры, мы еще не знаем. Так, по исследованиям врачей, сама по себе неразрушаемая форма пыли игольчатого типа является самым настоящим «убийцей» иммунной системы живых организмов [5-10]. Однако появление новых материалов, новых технологий и явление новой нанопыли в заводской среде мы наблюдаем повсеместно уже сейчас. При этом совершенно непонятно, что делать, пока ученые ищут решение [11]. Процесс движения частиц (рис. 2) и пространственная организация производственной среды сегодня непременно связаны с необходимостью использовать механическую и/или естественную приточно-вытяжную систему, обладающую рядом стандартных возможностей - таких, как разбавление и удаление из воздуха различных вредных частиц (за исключением самых малых, невидимых, способных рециркулировать в общей системе, прибывать и накапливаться внутри нее, собирая потенциал опасного фактора). В реальности к проблемам одного производства добавляются проблемы других производств. В связи с этим сегодня важно найти доступный промышленный способ глубокой и постоянной масштабируемой очистки воздуха, а также нейтрализации любых включений на 95 % и больше. Обеспечить жизнедеятельность системы в будущем возможно за счет развития ее пространства, управляющей автоматики, улучшения защиты рабочей и окружающей среды не только человека, но и других живых организмов, а также нейтрализации отрицательных воздействий любых «заданных» частиц наноразмера или как-либо связанных с наноразмерностью. Таким образом, необходимо обобщить ряд задач и продолжать исследования в этом направлении, рассматривая следующие вопросы: 1. Как ведет себя наноразмерная пыль при контакте с водой и другими средами? 2. Какова роль слоев капсулы воды, ее вихревой природы? Каждое материальное тело обладает полем тяготения, и чем больше масса тела, тем сильнее поле его тяготения. С целью осаждения пыли было принято организовывать переменное движение. Так и поступили с гидрофильтром ЭКОВЕСТА для случаев с наноразмерной витающей пылью, где работают многочисленные центры вращения, организующие это взаимодействие. Так, две взаимодействующие среды с переменной скоростью на противотоке (вода и воздух с разными частицами) образуют разные эксцентрики кластеров вращения, появляющиеся вокруг общих центров диспергируемых масс, которые в итоге окончательно невелируют скорость витания частиц. Углубляясь в изучение влияния структуры воды на процессы очистки воздуха, а также ее влияния на крупные, визуально наблюдаемые пыли (размер частиц не менее 1 мкм), удалось обнаружить неизвестные ранее организационные (рис. 3) связи воды с воздушными пузырьками [7] (рис. 4). Рис. 3. Капсулирование воздушного пузырька водой а б Рис. 4. Скрепление капсул и объединение: а - в большую группу; б - в малую группу Дальнейшие наблюдения показали, что необходимо знать больше о природе проявления воздушных полостей и их поведении в слоистой водной среде, находящейся в различных агрегатных состояниях и с вихревым вращением, чтобы правильно объяснять организационные явления, изменения электронной плотности, которые еще не были описаны, но существуют в природе. А вот о поведении воздушных пузырей было написано многое. Так, в популярной книге [11] экспериментально доказано различное поведение воздушных пузырей при низких температурах (кристалл из пузырей) и пузырей из жидкости (мягкие и твердые пузыри), где автор на конкретных примерах показывает, как «зарождается, развивается и живет» пузырек в жидкости, в воздухе, во льду. Поскольку в готовом пузырьке находится газ, то для наглядности и достоверности перемещения пузырька в него вводят твердое вещество в форме шарика, перемещение которого, в частности перед фронтом кристаллизации, определяет путь, пройденный пузырьком. При этом используют частицы малых размеров, но не наноразмеров [11]. Мы провели исследования поведения газовых пузырьков при введении воздуха в среду (оборотную воду, находящуюся в спокойном или «возбужденном» состоянии, сперва в горизонтальной, а затем в вертикальной части гидрофильтра ЭКОВЕСТА). В результате было обнаружено следующее: если воздух загрязнен включениями (в том числе частицами пыли наноразмеров, например оксидом алюминия), то при попадании этого загрязненного производственного воздуха в вытяжную систему вентиляции с гидрофильтром, после барботера, воздух легко диспергируется, после чего вокруг пылинок организуется будущая газовая полость на встречном противотоке с водными слоями, а далее диспергируемые полости с загрязнениями надежно капсулируются специально диспергируемой возбужденной водой в виде капсул-пузырьков различной величины с импульсом вращения вокруг общего центра. Затем происходит межчастичное взаимодействие с нейтрализацией пыли в результате взаимодействий внутри слоев. Рабочую среду гидрофильтра ЭКОВЕСТА можем рассматривать как организующую рабочую структуру, где в динамике неоднородностей двух сред при встречном движении возникает не только взаимодействие любых частиц, но и их конгломерация. Так, принудительная вентиляция, создавая лопастями вентилятора целенаправленный поток воздуха, собирает всю витающую пыль до ее вхождения в гидрофильтр. Далее закручивающее воздействие, возникающее во время движения по воздуховоду, добавляет скорости поляризующейся пыли. После этого, пройдя через барботер, «грязная» воздушная масса пыли диспергируется за счет разделения на полости. Оборотная вода движется противотоком в организованную область со встречными слоями и с возбужденными целенаправленным вращением капельками воды, где наблюдаем вихревые взаимопроникающие потоки с преломлениями границ. В итоге частицы пыли внутри пузырьков в оболочке многозарядных движущихся слоев воды вступают в механическое и химическое взаимодействие, теряя собственную скорость витания, а с ней проникающую способность. За время прохождения ступеней структуры гидрофильтра пылинки, сжатые давлением газа внутри вращающейся капли, конгломерируют в плотные образования. В случае улавливания гидрофильтром ЭКОВЕСТА частиц пыли наноразмеров из воздуха на производстве было подтверждено, что в воздушных пузырьках размещаются взаимодействующие частицы любых форм, в том числе наноразмеров, а также имеющие разные скорости витания (рис. 5). При этом чем больше концентрация пыли в воздухе, т.е. чем больше в нем находится частиц наноразмера, тем больший объем занимает пыль этого размера в газовом пузырьке (рис. 6). Соответственно, чем меньше концентрация этой пыли в воздухе, тем больше объем газовой составляющей пузырька. Наблюдаемая картина указывает на явление получения динамичной композиции-кластера, от которой зависит степень очистки воздуха от пылей на производстве. Такие пузырьки из вводимого, втягиваемого в воду воздуха содержат композицию из наноразмерных частиц газа и пыли. Система заполнения пузырька частицами пыли наноразмера влияет на его жизнеспособность. Чем больше нанопыли в пузырьке, тем он более долговечен за счет цементирующего действия этой пыли на водяную капсулу-оболочку пузырька (см. рис. 5-7). Рис. 5. Капсулообразование воды, газа и наночастиц, ´100 Рис. 6. Завершение цементации частиц внутри капсулы, ´200 Рис. 7. Воздушная капля воды с выходом зацементированной части пыли наноразмеров в сухой капсуле массы частиц, ´400 Таким образом, образование пузырьков с композитом уже конгломерированной пыли повышает степень взаимодействий и очистки воздуха от пыли наноразмеров до 99 % и более при бесконечном росте коэффициента циркуляции оборотной воды. Максимальная зарегистрированная степень очистки от пыли в гидрофильтре ЭКОВЕСТА составляет 99,8 %. В каждый момент времени в рабочей среде гидрофильтра (оборотной воде) идет образование слоев и капсул, увеличивая плотность свободных капелек. Были проведены исследования с использованием цифрового неинвертированного микроскопа «Альтам МЕТ5» после очистки воздуха от частиц оксида алюминия наноразмера в гидрофильтре ЭКОВЕСТА. В процессе очистки обнаружены следующие моменты организации воды и пузырьков, фиксируемые скоростной съемкой. В качестве объекта исследования использовали воду, через которую, с помощью барботера, пропускали воздух, загрязненный наноразмерными частицами оксида алюминия. Путем быстрого замораживания при температуре -11 °С фиксировали состояние воды и воздушных пузырей. Затем пробы размораживали при комнатной температуре с одновременным наблюдением за состоянием воды по слоям и состоянием воздушных пузырьков (полостей) в воде. Затем в них фиксировали состояние воды и пузырьков с частицами наноразмеров путем высушивания воды. При этом получается отчетливая картина пересыщения частицами наноразмеров внутри воздушных пузырьков, как и водной оболочкой вокруг воздушного пузырька. Замечен также интересный эффект (когда частицы оксида алюминия наноразмеров перемешиваем с водой температурой 20-25 °С). Для этого воду замораживаем и наблюдаем за пузырьками во льду постепенно оттаиваемой воды. При этом фиксируем, что пузырьки большего размера с меньшей концентрацией пыли в них как бы прошиваются, «вспарываются» мелкими пузырьками, в которых концентрация нанопыли выше (рис. 8-10). Далее, насквозь пройдя большие пузырьки, мелкие оказываются за пределами большого пузырька, лопаются и высыпают в воду пыль в виде плотных конгломератов (рис. 11). Такие конгломераты уже не обладают той всепроникающей способностью, как одиночные частицы. Это было заложено в инженерном решении - гидрофильтре ЭКОВЕСТА, в котором используются организованные раскрывающиеся зонтики водных струй с вращением до капелек для снижения скорости витания улавливаемых частиц пыли на противотоке воды. Установлены экспериментальные зависимости соотношений объемной массы и скорости потоков воды от времени ее участия при одновременном встречном диспергировании объема грязного воздуха. Водная оборотная среда, дополнительно обработанная холодом, озоном или ультрафиолетом, может выступать в роли универсального растворителя-адсорбента. б а Рис. 8. Момент проникновения меленькой капсулы в большую, ´200 Рис. 9. Движение маленькой капсулы: а - прошивание; б - выход из большей капсулы, ´200 Рис. 10. Разрушение крупной капсулы мелкими капсулами с зацементированными в них наночастицами, ´200 Рис. 11. Наночастицы в воде после разрушения водных капсул, ´200 Далее, переводя уловленные конгломераты газовой и пылевой фракции в нерастворимую в воде форму, их легко можно вывести из технологической емкости, а после неполного высушивания возможно использовать в новом качестве, например в качестве наполнителя в строительных композициях или прочного покрытия, например на поверхности материала, не обладающего коррозионной стойкостью. Также можно использовать варианты образования капелек-уловителей специальных солевых растворов в условиях низких температур. В 2005 г. на выходе вертикальной части гидрофильтра ЭКОВЕСТА экспериментально монтировали устройство ионизации увлажненного воздуха, улучшающее качество микроклимата, для борьбы с бактериями в замкнутых общественных местах и со статикой в промышленных помещениях. В 2006 г. была испытана рабочая среда - рассол, охлажденный до отрицательных температур, который позволил не только осадить, но и собрать в технологической емкости гидрофильтра бензольную группу, переводя ее из газообразной в твердую фракцию в виде плавающих пластин. В настоящее время проведены исследования по нейтрализации высокоагрессивной (для живых организмов и электронного оборудования) углерод-углеродной нанопыли с помощью водной среды и полимерной гигроскопичной масляной среды. Далее эту пыль можно концентрировать и частично обезвоживать в специальных осаждающих устройствах. Пока нет ясности и комплексного подхода, нет производственных норм, регламентирующих, какая концентрация ионов необходима в случае обработки материалов с заданными свойствами, нет и запроса на повышение степени очистки выше 90 %. Современные гидрофильтры ЭКОВЕСТА могут улавливать и нейтрализовать потерянные стандартными фильтрами 9,9 % самой опасной пыли наноразмеров, которые будут собираться десятками килограммов в сутки. Пространство гидрофильтра ЭКОВЕСТА состоит из рабочих поверхностей, выполняющих роль мишеней, делителей, в котором, соответственно, размещены в несколько рядов тангенциальные сопла, раскрывающие водные струи в виде зонтиков, из которых под давлением рециркуляцией поступает вода, каждый раз проявляя многозарядность слоистой структуры при диспергировании навстречу побуждаемых вентилятором полостей воздуха с захваченной пылью. Далее уловленные гидрофильтром уже конгломерированные включения и издержки производства из горизонтальной контактной емкости извлекаются с той или иной периодичностью. Для лучшего перемешивания вышеописанных сред в гидрофильтре ЭКОВЕСТА применяются развитые рабочие поверхности, изготовленные из полимерного материала с низкой адгезией к конгломерирующему с ним материалу. Торможение наноразмерной пыли, поступающей в вертикальную часть устройства гидрофильтра ЭКОВЕСТА из горизонтальной части емкости и из воздушного пространства между потолочной частью и зеркалом воды в емкости, происходит за счет газопылеводяной завесы, поступающей из сопел с образованием структур, имеющих вихревое вращение. В случае неполного очищения сепаратор, концентрируя на себе водную составляющую гидросреды, укрупняет капли с остатками пыли и сбрасывает их в воду, находящуюся в горизонтальной емкости ЭКОВЕСТЫ. При этом для создания чистого от нанопыли помещения желательно иметь влажность воздуха не мене 52 % и очистку вести в два этапа в гидрофильтре ЭКОВЕСТА. За счет гравитационных сил из вертикальной емкости гидрофильтра на дно горизонтальной части емкости опускаются «зацементированные» воздушные пузыри с твердыми наночастицами пыли. Такие пузыри длительное время остаются на дне емкости, что упрощает процесс транспортирования нанопыли в заданном направлении. В результате наших исследований поведения водной (многозарядной, слоистой) среды в процессе улавливания пыли наноразмеров обнаружено сходство организации частиц пыли между собой в воде (рис. 12, а, б) и плазме (рис. 13, а, б) соответственно. а б Рис. 12. Многослойные структурные элементы жидкой фазы воды на Земле: а, б - варианты микроворонок Таким образом, и в условиях гравитации на Земле удалось обнаружить эффект организации частиц пыли наноразмеров в конгломераты. Ранее нами были проведены исследования поведения воды при улавливании пыли из атмосферы в гидрофильтре, которые продемонстрировали аналогичные виды организаций частиц в воде и плазме. а б Рис. 13. Многослойные структурные элементы, организованные в космосе. Продукты сгорания алюминизированных синтетических твердых топлив (частицы Al2O3): а, б - варианты скоплений пыли [13, 14] Так, многозарядная водная сфера (каждая молекула - диполь) [15], будучи в возбужденном состоянии (приточно-вытяжная вентиляция, водные струи воды, выходящие из сопел в емкость с водой), организуется в виде микроворонок, которые и захватывают пылинки (см. рис. 12), прочно удерживая их в своих слоях и, соответственно, упорядочивая в своей системе организации. Можно сравнить организацию пылевого облака в космосе под воздействием ультрафиолетового излучения, действия магнитных полей с организацией пылинок, захваченных в атмосфере Земли водой и попадающих на поверхность Земли в виде снежинок. Под действием слабых магнитных силовых линий (постоянный магнит эллипсоидной формы) на пылинки в растаявшем снеге, т.е. в воде с уже определенной организацией водной среды после предварительного воздействия электромагнитного поля Земли, выявилась четкая, яркая картина организации пылинок в направлении магнитных силовых линий этого слабого магнитного поля (рис. 14), узнаваемая по таким же картинам, увиденным в космосе (рис. 15, 16) [1]. Аналогичный эффект организации микрочастиц наблюдали при изучении электрореологии в коллоидной системе, содержащей, как известно, жидкостный компонент, внутри которого распределены микрочастицы [1]. Как и в нашем случае (вода → воздух → частицы пыли наноразмеров), при наложении электрического поля микрочастицы коллоидной жидкости выстраиваются в соответствии с направлениями электрического поля. Рис. 14. Выявление силовых линий постоянного магнита на Земле. Магнитные силовые линии в закристаллизованной воде а б Рис. 15. Плазменно-пылевое образование: а - в космосе; б - полученное в лабораторных условиях Рис. 16. Переход от аморфного к организованному состоянию На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Изучение организации частиц пыли одинаково важно для решения проблем как на Земле, так и в космосе. 2. Показано, что взаимодействие частиц наноразмеров поддается управлению. 3. Продемонстрирован эффект захвата водой воздушных пузырей с образованием капсул с массой пылевидных частиц наноразмера в полости. 4. Показан эффект разрушения больших образований воздушных полостей малыми за счет большой проникающей способности малых полостей, заполненных пылью наноразмеров. 5. Водная среда является той средой, которая способна эффективно в условиях атмосферы земли тормозить движение частиц малого размера, даже наноразмера, и направленно организовывать их локализацию. 6. Сравнительный анализ возможного управления организаций частиц пыли показал, что, несмотря на различие механизмов управления, механизм организации сходен. Основными организаторами процесса являются: заряд частиц, вихревое движение, магнитные воздействия, степень развития поверхности частиц.

About the authors

L. E Makarova

Perm National Research Polytechnic University

A. P Kamenskikh

Perm National Research Polytechnic University; ZAO “VENTMONTAZH”

Yu. Yu Trushkov

ZAO “VENTMONTAZH”

D. M Karavaev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 17

Refbacks

• There are currently no refbacks.