CC BY
47
/94 Civil Security Technology, vol. 7, 2010, No. 4 (26)
УДК 620.3-614.8-621.928.9
К вопросу создания систем очистки воздуха (воды)
В. Ю. Востоков, С. А. Качанов, М. Ю. Солнцева Аннотация
Представлен анализ некоторых систем пылеулавливания, которые могут стать основой для создания систем очистки воздуха от распределенных в нем свободных наночастиц.
Ключевые слова: наночастицы, пылеулавливание, угроза, жизнедеятельность.
Addressing the Problem of System Development for Air (Water) Cleaning
V. Vostokov, S. Kachanov, M. Solntseva Abstract
The results of analysis done in the work show that some of existing dust-precipitation systems could essentially be used as basis to develop the systems for air cleaning from dispersed free nanoparticles.
Key words: nanoparticles, dust separation, hazard, public safety.
Существование стабильных наночастиц в атмосфере является наиболее острой потенциальной угрозой жизнедеятельности человека из числа индуцируемых нано-технологиями. Острота потенциальной угрозы обусловлена тем, что скорость витания наночастиц (скорость, при которой сила трения частицы о воздух при ее движении равняется силе тяжести) практически равна нулю. То есть наночастицы попадают всюду, куда попадает атмосферный воздух, а соответствующих систем его очистки в промышленном масштабе не существует. В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть вопросы, связанные с возможностью модернизации современных систем очистки воздуха для улавливания частиц, а также оценить потенциал иных способов решения указанной проблемы. Необходимо сформулировать систему вопросов, ответы на которые должны быть получены в рамках дальнейших исследований, а не выдать готовые рецепты по очистке воздуха от распределенных в нем наночастиц.
В серийных пылеулавливающих системах очистки воздуха используются в основном три механизма выделения пылевых частиц из воздушного потока:
— первый механизм основывается на невозможности прохождения по «каналам» фильтрую-
щего элемента (поры фильтрующего материала или ячейки фильтрующей решетки) частиц с размером, превышающим поперечный размер каналов;
— второй механизм основывается на разной реакции воздушного потока и распределенных в нем частиц на воздействие тех или иных сил;
— третий механизм основывается на резком снижении кинетической энергии частиц после их контакта с жидкостью.
Рассмотрим возможность использования указанных механизмов для выделения из воздушного потока частиц по мере уменьшения их размеров.
Первый механизм
На практике очистка воздушного потока от пыли осуществляется путем установления системы фильтрующих элементов с постепенно уменьшающимися поперечными размерами каналов.
По мере уменьшения поперечных размеров каналов при сохранении габаритов фильтрующего элемента уменьшается его эффективное пропускное сечение. (При постоянном числе пропускных каналов эффективное пропускное сечение фильтрующего элемента
Технологии гражданской безопасности, том 7, 2010, № 4 (26)
уменьшается пропорционально квадрату поперечного размера канала.) Это приводит к возникновению околозвуковых скоростей внутри канала, что, в свою очередь, требует для поддержания заданных расходов очищаемого воздуха увеличить (или/или):
— поперечные размеры фильтрующего элемента (ориентировочно, пропорционально уменьшению поперечного размера канала);
— затраты энергии, направляемые на осуществление прохождения потока воздуха через фильтрующий элемент (при наличии околозвуковых скоростей внутри канала и сохранении температурного режима давление воздуха перед фильтрующим элементом должно увеличиваться пропорционально квадрату уменьшения поперечного размера канала). Ситуация усугубляется тем, что эффективное пропускное сечение фильтрующего элемента со временем уменьшается за счет забивания каналов частицами пыли. Причем если для каналов с размерами, измеряемыми десятками микрометров, существуют технологии периодической очистки каналов, то «фильтры тонкой очистки» являются разовыми.
В рамках механики сплошной среды представленный анализ позволяет предположить, что отделение наночастиц от воздушного потока возможно с помощью специальных одноразовых фильтрующих элементов с относительно большой площадью эффективного пропускного сечения при соответствующих размерах каналов. В качестве такого фильтрующего элемента может рассматриваться решетка с периодом, измеряемым несколькими нанометрами. Однако здесь следует учесть, что:
— во-первых, при нормальных условиях среднее расстояние между «молекулами» воздуха составляет порядка одного нанометра, то есть механика сплошной среды для описания течения внутри такого канала непригодна;
— во-вторых, внутренняя поверхность такого канала будет обладать, как и поверхность наночастицы, избыточной поверхностной энергией, что может привнести различные дополнительные эффекты. Данные замечания могут рассматриваться как формулировки задач дальнейших исследований. Причем если для решения первой из сформулированных задач можно ограничиться теоретическими изысканиями в рамках модели «разряженного газа», то вторая задача может быть решена только в процессе эксперимента.
Второй механизм
Перед тем как приступить к рассмотрению возможности использования второго из указанных механизмов, следует заметить, что течение воздушного потока в пылеулавливающих системах является развитым турбулентным. Для такого течения характерна хаотическая пульсация скорости в любой точке потока. Учитывая
— отмеченную выше практически нулевую скорость витания наночастиц,
— а также то, что пульсации скорости в рамках гипотезы Прандтля сопоставимы со средней скоростью потока в данной точке [3, 4], можно утверждать, что аэродинамическая сила, действующая на наноча-
стицы вследствие хаотической пульсации скорости потока, может качественно изменить траекторию движения частицы под действием других сил. При этом для частиц с размерами, измеряемыми сотнями нанометров и меньше, обтекание воздушным потоком с дозвуковой скоростью всегда будет ламинарным. То есть действующая аэродинамическая сила (^аэрод) может быть представлена в ньютоновском приближении, пропорциональной размеру частицы (й) и скорости основного потока (Л):
аэрод
- ш.
В серийных пылеулавливающих системах для выделения из воздушного потока частиц используются:
— сила гравитации (учитывается практически нулевая скорость витания для наночастиц; останавливаться на возможном использовании силы гравитации не имеет смысла);
— сила инерции;
— кулоновская сила (при наличии у частиц электрического заряда).
Сила инерции (Ринец), действующая на частицу при изменении направления скорости движения воздушного потока, пропорциональна массе частицы (то есть кубу ее характерного размера), квадрату скорости воздушного потока и обратно пропорционально радиусу кривизны линии тока
и V3 я
Тогда безразмерный комплекс, характеризующий отношение инерционной и аэродинамической сил, будет зависеть от размера частицы, скорости потока и радиуса кривизны линии тока следующим образом:
^инерц Ус!
аэрод
R
То есть для сохранения подобия в системе «воздушный поток — частицы» при уменьшении размера частицы с 300 нм, которые (как декларируется в некоторых «технических описаниях») отделяются от потока пылеулавливающим оборудованием, использующим рассматриваемый механизм, до 10 нм, необходимо увеличить отношение скорости потока к радиусу кривизны линий тока в 900 раз. (Как это можно сделать, даже теоретически представить себе очень трудно.)
Кулоновская сила (Ркулт), действующая на заряженную частицу в так называемых электрофильтрах, пропорциональна напряженности электрического поля (Е) в данной точке пространства и заряду частицы, который, в свою очередь, пропорционален удельной поверхностной плотности заряда (аэл) и площади поверхности частицы (то есть квадрату ее характерного размера):
- Еа ар.
Тогда зависимость безразмерного комплекса, характеризующего отношение кулоновской и аэродина-
^П Security Technology, Vol. 7, 2010, No. 4 (26)
мической сил, от рассматриваемых параметров будет следующей:
F !
инерц
аэрод
и
Таким образом, для сохранения подобия в системе «воздушный поток — заряженные частицы» при тридцатикратном уменьшении размера частицы необходимо, например, уменьшить в 30 раз скорость потока, что на первый взгляд вполне выполнимое условие даже при сохранении постоянного расхода воздуха. Следует заметить, что увеличение габаритов воздухопровода не является эффективным способом расширения возможностей электрофильтров. По всей видимости, целесообразно уделить внимание процессу приобретения частицами электрического заряда.
В действующих электрофильтрах частицам пыли заряд сообщается при контакте с ионами, возникающими вследствие прохождения электрического разряда через воздушный поток [5]. Учитывая ограниченность объема, в котором происходит контакт частиц с ионами при таком способе ионизации, представляется целесообразным исследовать процесс приобретения частицами заряда при контакте с атомарным кислородом, появляющимся вследствие рассеивания ультрафиолетового излучения в воздушном потоке. (Если говорить о наночастицах, распределенных в воде, то представляется целесообразным исследовать процесс приобретения частицами заряда при контакте с ионами в растворах электролитов.)
Третий механизм
При контакте с жидкостью происходит резкое торможение частицы, после чего у нее, как правило, недостает кинетической энергии преодолеть силы поверхностного натяжения жидкости и вернуться обратно в воздушный поток. По мере уменьшения размера частицы ее кинетическая энергия до контакта с жидкостью (Екин) уменьшается пропорционально массе (то есть кубу ее характерного размера):
Екин =
ти
и V 3,
а работа на преодоление сил поверхностного натяжения (Аа) уменьшается пропорционально площади ее поверхности (то есть квадрату характерного размера):
А ~ ^ ~ ас12,
а '
где: т — масса частицы; S — площадь ее поверхности; а — коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
Таким образом, можно утверждать, что частицы меньшего размера при прочих равных условиях скорее останутся в жидкой фазе, чем их более крупные аналоги. Однако для наночастиц, в соответствии со сделанными выше оценками, возникает проблема организации такого контакта с поверхностью жидкости. Это
обусловлено тем, что в серийных пылеулавливающих системах контакт частиц с жидкостью, как правило, происходит за счет изменения траектории частиц под действием инерционных сил.
Решить проблему организации контакта наноча-стиц с жидкостью можно попробовать с помощью бар-ботажа (пропускание воздушного потока через слой жидкости); тем более что так называемые барботаж-ные скрубберы являются наиболее эффективными из числа пылеулавливающих систем «тонкой» очистки воздуха. Однако использование барботажного слоя для выделения из воздушного потока пыли сопровождается необходимостью решить другую технологическую проблему — утилизацию сточных вод, которая в нашем случае может рассматриваться как задача очистки воды от рассеянных в ней наночастиц. При этом следует иметь в виду, что ряд авторов [6, 7] отмечают гидрофобность наночастиц, являющуюся следствием их избыточной поверхностной энергии. То есть поведение наночастиц в гетерогенных средах является темой отдельного исследования. (Не исключено, что барботажный слой может оказаться средством очистки воды, а не наоборот.)
«Нетрадиционные» механизмы
В рамках представленной проблемы целесообразно рассмотреть еще два механизма выделения частиц из воздушного потока. Один из них основан на воздействии ультразвуковых колебаний, которые, как заметил еще Август Кундт во второй половине XIX века, приводят к интенсификации процесса коагуляции. Однако нужно иметь в виду, что ультразвук используется и для дробления частиц, в частности — для образования самих наночастиц [8, 9]. Как представляется, направление процесса (коагуляция—дробление) определяется волновыми характеристиками, обуславливающими величину кинетической энергии частиц при их соударении.
Второй из «нетрадиционных» механизмов выделения частиц из воздушного потока основан на свойстве частиц выступать в качестве зародышевых центров фазовых переходов, например, центров конденсации паров воды в воздухе или (для очистки воды) центров кристаллизации веществ, растворенных в воде.
Таким образом, в заключение целесообразно привести перечень тем, сформулированных в рамках представляемой проблемы, для дальнейших исследований в области обеспечения безопасности жизнедеятельности от угроз, индуцируемых развитием нанотехнологий:
— течение жидкости и газа в наноканалах;
— взаимодействие наночастиц с атомарным кислородом воздуха и с ионами в растворах электролитов;
— межфазные переходы наночастиц в гетерогенных средах (барботажный слой);
— влияние характеристик ультразвуковой волны на коагуляцию/дробление наночастиц;
— наночастицы как центры конденсации (кристаллизации).
Технологии гражданской безопасности, том 7, 2010, № 4 (26)
/97
Литература
1. Востоков В. Ю. О расширении спектра опасностей и угроз жизнедеятельности, обусловленном развитием нанотехно-логий // Технологии гражданской безопасности, 2010. № 1-2.
2. ГОСТ 25199-82. Оборудование пылеулавливающее. Термины и определения.
3. Prandtl, Untersuchungen zur ausgebildete Tubulenz // Zeitschr. f. angew. Math. u Mech. 5, 1925.
4. Прандтль. Результаты работ последнего времени по изучению турбулентности // Сб. Проблемы турбулентности. М.: ОНТИ, 1936.
5. Капцов Н. А. Коронный разряд и его применение в электрофильтрах. М.: Гостехиздат, 1947.
6. Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов (утверждена постановлением главного государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. № 79).
7. Hussain I., Muhammad A., Rashid H. and Quraishi A. In vitro multiplication of Gladiolus // Plant Tiss. Cult., 11 (2001).
8. Kan C. X., Cai W. P., L. C. C., Zhang L. D, Hofmeister H. Ultrasonic Synthesis and Optical Properties of Au/Pd Bimetallic Nanoparticles in Ethylene Glycol// Journal of Physics D: Applied Physics, 36 (2003).
9. Liu L., Jiao Q., Peng C., H. S. and Wang L. Ultrasonic-assisted synthesis and strepavidin conjugation of amino-magnetic nanoparticles // Nuclear Science and Techniques, Volume 19, Issue 6, December 2008.
Сведения об авторах
Востоков Вадим Юрьевич: к.т. н., ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), вед.н.с. 121352, г Москва, ул. Давыдковская, 7. Качанов Сергей Алексеевич: д.т. н., профессор, ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), заместитель начальника института по научной работе. 121352, г Москва, ул. Давыдковская, 7.
Солнцева Мария Олеговна: ГОУ ВПО МФТИ (ГУ), студентка. 141700, Московская обл., г Долгопрудный, Институтский пер., 9.
