CC BY
57
/68 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 4 (54) УДК 620.3
Методические подходы к оценке свойств наночастиц и наноматериалов для разработки технологий безопасности гражданской обороны
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2017
В.И. Грачёв, И.Т. Севрюков Аннотация
Проведен анализ стратегии развития гражданской обороны. Выявлены угрозы безопасности страны в военно-технической сфере и уровень готовности к технологической войне будущего. Показаны уникальность композиций из наноматериалов и экологический риск при использовании наночастиц. Установлено негативное влияние наночастиц на окружающую среду и здоровье человека. Предложены научно обоснованные способы удаления наночастиц из газов и жидкостей, дезактивации рабочих мест и жилых помещений.
Ключевые слова: гражданская оборона; нанотехнологии; наноразмерные частицы; ультрадисперсные частицы; кристаллические структуры; атмосферные аэрозоли; неорганические и органические сточные воды; взрывоопасность и токсичность наночастиц; терпены; удаление наночастиц.
Methodological Approaches to the Evaluation of the Properties of Nanoparticles and Nanomaterials for the Development of Safety Technologies in Civil Defense
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2017
V. Grachev, I. Sevryukov
Abstract
The paper analyzes the civil defense development strategy, identifies the national security threats in the field of military engineering and assesses the level of technological preparedness to the warfare of the future. The unique features of nanomaterial compositions and the environmental risk associated with the use of nanoparticles are discussed. A negative impact of nanoparticles on the environment and human health has been established. Evidence-based methods are proposed for removing nanoparticles from gases and liquids, decontaminating workplaces and housing.
Key words: civil defense; nanotechnology; nanoparticles; ultrafine particles; crystal structure; atmospheric aerosols; organic and inorganic wastewater; the explosiveness and toxicity of nanoparticles; terpenes; removal of nanoparticles.
В последние годы МЧС России проводит оптимизацию системы гражданской обороны (ГО) как составной части системы обеспечения национальной безопасности государства. В Стратегии национальной безопасности Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 31 декабря 2015 г. № 683, сформулирована задача «повышения роли ГО
в системе обеспечения национальной безопасности». Это мотивирует расширенное понимание сущности стратегических целей обеспечения национальной обороны за счет эффективной координации научных исследований и развития национальной инновационной системы как предметной актуальной задачи ГО. Анализ тенденций развития вооружений, военной
и специальной техники (ВВСТ) за рубежом, взглядов военного руководства передовых стран мира на их применение в войнах и военных конфликтах позволяет выделить основные угрозы безопасности Российской Федерации в военно-технической сфере.
По нашему мнению, основные угрозы связаны с созданием и внедрением в ВВСТ технологий шестого технологического уклада. Разработка технических решений на основе нано-, био-, информационных и когнитивных технологий, обеспечивающих переход к созданию полностью интеллектуальных образцов ВВСТ и реализации концепции технологической войны, то есть достижению технологического превосходства над любым вероятным противником за счет создания образцов ВВСТ, основанных на новых физических принципах. По мнению ученых РАРАН, переход на новый технологический уклад США осуществят к 2025 году, что позволит создать качественно новый военно-технологический базис и приступить к серийному производству вооружения нового поколения [1].
Предопределяя задачи, вытекающие из «Основ государственной политики Российской Федерации в области гражданской обороны на период до 2030 года», утвержденные Указом Президента Российской Федерации от 20 декабря 2016 г. № 696, особо следует выделить исследования, направленные на снижение потерь населения от поражающих факторов перспективных средств вооруженной борьбы в условиях военного времени и проведения комплексных защитных мероприятий в сфере обеспечения безопасности жизнедеятельности населения. В США в интересах вооруженных сил проводятся работы по проекту «нанотехнологии для защиты от химического и биологического оружия». Практические результаты достигнуты при разработке средств защиты кожи в отдельных точках на основе использования активного реагента в наноколичествах. Разрабатываются облегченные образцы защитной одежды, на поверхности которой помещен в виде тонких слоев защитный фермент в нанокапсулированной форме.
Основным компонентом, определяющим свойства наноматериалов, являются входящие в их состав на-ночастицы (НЧ). Придавая материалам и системам принципиально новые качества, нанотехнологии обеспечивают прогресс практически во всех областях применения.
Вместе с тем растут опасения, что многие нанотехнологии небезопасны и могут представлять собой угрозу для окружающей среды, в том числе для человека. Выявление потенциальных рисков при производстве или применении наноматериалов затрудняется в связи с отсутствием надежных методов идентификации НЧ с установлением их возможной токсичности. Это затрудняет развитие технологий безопасности в системе ГО.
Некоторые функциональные свойства наночастиц
Поскольку вещество в виде НЧ и наноматериалов обладает свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в форме макроскопических дисперсий или
сплошных фаз, наноматериалы представляют собой принципиально новый фактор, воздействующий на организм и среду его обитания.
Критически важной характеристикой наноматериалов, отличающей их от веществ традиционной дисперсности, является наличие высокой удельной межфазной поверхности. Малые размеры частиц и их структур позволяют достичь большей функциональности в заданных площадях или объемах. Материалы микрометровых размеров обладают такими же физическими, механическими и химическими свойствами, как и их объемные фазы. Но материалы нанометровых размеров могут разительно отличаться от объемных и проявлять особые свойства. Например, у некоторых кристаллов нанометровых размеров понижается точка плавления на 1000 °С и уменьшаются постоянные решетки, т. к. число поверхностных атомов или ионов начинает составлять значительную долю, что влияет на величину поверхностной энергии и как следствие определяет термическую устойчивость [4].
В США термин «нанотехнология» определяют как технологию, имеющую дело с материалами и системами, структуры и компоненты которых обладают новыми и значительно улучшенными физическими, химическими и биологическими свойствами, и в которых наблюдаются новые явления и процессы благодаря их нанометровому размеру [5].
Хотя понятие «нанотехнология» вошло в обиход сравнительно недавно, сами исследования в нанометровых диапазонах не отличаются новизной. Изучение биологических систем и получение таких материалов, как коллоидные дисперсии, металлические квантовые точки и катализаторы, проводились сотни лет назад в нанометровых диапазонах. Термин «ультрадисперсные частицы» (УДЧ) связан с использованием коллоидного золота в качестве неорганического красителя для придания красного цвета изделиям из фарфора несмотря на то, что обстоятельные труды по изготовлению и свойствам коллоидного золота впервые были опубликованы лишь в середине XIX века [6].
Широкое применение наноразмерных структур нашло при изготовлении термозащитных покрытий для тонкостенных изделий. Благодаря новым свойствам термозащитные покрытия толщиной в несколько микрон способны выдерживать температуру в тысячи градусов.
Уникальные свойства НЧ имеют очень большое значение для разработки высокотехнологичных материалов. Обладая исключительной поверхностной активностью, НЧ может быть небезопасна для окружающей среды и здоровья человека. Следовательно, внедрение нанотехнологий должно опираться на результаты исследований их эффективности с ограничениями по безопасности. При разработке безопасных технологий обращения с наноматериалами должна учитываться иннерционность среды обитания на различные воздействия. В такой постановке наиболее приемлемым критерием принятия или отвержения нанотехнологии в той или иной сфере будет выступать риск.
Наночастицы в атмосфере
НЧ естественного происхождения составляют около 60% их общего количества и представляют собой главным образом частицы солей (~ 1 млрд тонн), поступающие из морей, а также частицы почвы (~0,5 млрд тонн), поступающие с поверхности суши. Поступление в атмосферу частиц последнего типа связано в том числе и с деятельностью человека. Хотя доля таких частиц составляет всего 16% от общего количества, их размеры в основном имеют субмикронный порядок, но поскольку они содержат радиоактивные и химические соединения, такие как нитраты, сульфаты, хлориды, тяжелые металлы и т.п. в высоких концентрациях, их влияние на экосистемы весьма существенно.
На рис. 1 показано распределение по массе частиц атмосферных аэрозолей. Поскольку образование НЧ протекает только при наличии их источников, то и распределение их по размерам носит бимодальный характер с пиками в зоне от нескольких нм до 10 мкм. Первый и второй пики можно считать искусственными частицами за счет протекания химических реакций, конденсации и коагуляции из молекул (находящихся в состоянии пара), выбрасываемых в результате деятельности человека. Рост частиц редко приводит к размерам, превышающим 1 мкм. Третий пик соответствует
естественным крупным частицам, таким как почвенная пыль, дымы от пожаров и извержений вулканов, спрей от морской соли и т. д.
На основании различий процессов образования частиц можно увидеть, что мелкие частицы, образующиеся из молекул или НЧ, имеют гораздо более сложный химический состав, чем крупные частицы, и иногда могут оказывать серьезное негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека. Такие мелкие частицы именуются РМ 2.5, т.е. частицами, размер которых не превышает 2.5 мкм, включая и НЧ. Эпидемиологические исследования 1995 года в Европе и США показали, что концентрация РМ 2.5 положительно коррелируется с увеличением смертности от легочных заболеваний [7].
Наночастицы в грунтовых водах
В грунтовых водах НЧ часто присутствуют в форме коллоидов. Такие коллоидные частицы делятся на органические и неорганические. Примерами могут служить гуминовая и фульвовая кислоты, а во втором случае оксиды алюминия, кремния и других металлов и неметаллов. Хотя структура и молекулярная масса частиц варьируются в зависимости от характера и расположения грунтовых вод, присутствующие в воде частицы, относительно небольшие (менее 500 нм).
Рис. 1. Массовое распределение частиц атмосферных аэрозолей
Концентрация коллоидных частиц в грунтовых водах или открытых водоемах изменяется от 1011 до 1020 в 1 м3 и существенно зависит от геохимического состава водоносного слоя. Коллоидные частицы движутся вместе с водой, а в некоторых случаях движутся быстрее воды за счет магнитных аномалий.
Особая озабоченность связана с органическими солями ртути, накапливающимися в почве и грунтовых водах вследствие неправильной утилизации ламп «дневного света». В настоящее время во всех водных запасах пресной воды на Земле содержится более 700000 тонн наноразмерных органических солей ртути, которые ежегодно увеличиваются на 6000 тонн. А ртутные соединения вызывают у человека гибель нейронов коры головного мозга и необратимые процессы в печени, почках, органах пищеварения и центральной нервной системе.
Количество химических агрессивных жидкостей в виде коллоидных растворов тяжелых и урановых металлов, не поднятых на поверхность, составляет 50-60% [8].
Наночастицы в отработанных газах
Основным источником отработанных газов от процессов сжигания являются стационарные крупномасштабные угольные и углеводородные тепловые электростанции, а также дизельные и бензиновые двигатели всех видов. В большинстве случаев НЧ в отработанных газах изучаются с точки зрения влияния общего содержания твердых частиц на окружающую среду, и здесь понятие «наночастицы» используется лишь в некоторых случаях. Как правило, в исследованиях фигурирует термин «мелкие частицы», поскольку НЧ относятся к группе мелких частиц.
На рис. 2 показана взаимосвязь между следовым содержанием металлов в угольной золе и диаметром частиц. Алюминий, характеризующийся высокой температурой кипения, имеет постоянную концентрацию независимо от диаметра частиц. Однако очевидно, что в случае металлов с низкой температурой кипения, чем меньше диаметр частиц, тем больше их содержание. Для частиц размером меньше 1 мкм было установлено, что содержание металла быстро увеличивается по мере уменьшение подачи воздуха при сгорании или в результате ослабления окислительного потенциала атмосферы в зоне сжигания летучих соединений, например, если подача воздуха в топку уменьшится.
В золе от сжигания тяжелых нефтепродуктов также имеются тяжелые углеродные остаточные частицы, образующиеся из распыляемых жидких капель и частиц, формирующихся в газовой фазе. При сжигании сжиженного природного газа в газовой фазе также образуются углеродные частицы, хотя и в следовых количествах. Поэтому можно сделать вывод, что при сгорании перечисленных видов топлива в атмосферу попадает большое количество НЧ в виде окислов и солей тяжелых металлов, которые негативно влияют на окружающую среду.
Рис. 2. Влияние диаметра частиц угольной золы на содержание следовых элементов
Наночастицы в сточных водах
Неорганические НЧ, как правило, не стабилизированы в жидкостях, поскольку они образуют агломераты различных типов. Для их переработки и повторного использования сточных вод НЧ можно удалить из жидкости с помощью высокотехнологичных процессов обработки, таких как мембранная фильтрация с последующей биологической обработкой. Органические вещества, такие как макромолекулы, рассматриваются как мягкие НЧ на основании их размеров, в отличие от твердых неорганических частиц.
Особую опасность для водоемов представляют пестициды, молекулярная масса которых варьируется от 200 до 400 Да (Дальтон) и размером до 40 нм. Они обладают функциональной кумуляцией в организме, приводящей к отравлениям, а впоследствии могут вызывать необратимые изменения органов, тканей и организма в целом, мутационные процессы, что приводит к опасным наследственным нарушениям.
Благодаря своей изменчивости гуминовые вещества известны как вещества, оказывающие существенное влияние на поведение некоторых токсических соединений следовых металлов, увеличивая или уменьшая их токсичность. Поэтому удаление НЧ из сточных вод является строгой необходимостью для их повторного и последующего использования в различных отраслях промышленности.
Наночастицы во внутренней среде помещений
НЧ внутренней среды помещений поступают из нескольких источников, таких как продукты химических реакций, нелетучие остатки капельножидких фаз, принтеры, ксероксы, биоаэрозоли и приток наружного воздуха.
Типичным примером образования частиц в результате химических реакций с участием озона являются реакции терпенов, основного компонента смол и бальзамов, которые содержатся во всех хвойных растениях и многих эфирных маслах. Терпены распространены как во внутренней среде помещений, так и в атмосфере. Они выделяются ароматическими растительными маслами и даже деревянными изделиями, включая мебель.
Источником образования НЧ в помещениях являются увлажнители воздуха или генераторы отрицательных воздушных ионов, в которых происходит распыление воды. Обычно увлажнители делятся на два типа — с использованием испарения и с использованием распыления воды. В увлажнителях первого типа при подаче воды не происходит внедрения примесей в пространство помещения. Второй тип увлажнителей имеет недостаток, заключающийся в том, что при подаче воды путем распыления и обработки ультразвуком в воздухе помещения распределяются нелетучие остатки капель водопроводной воды, включающие коллоидные частицы и растворимые фракции сульфатов, карбонатов, хлоридов и силикатов металлов. Размеры нелетучих остатков могут быть от 20 до 68 нм.
Проведенными исследованиями установлено, что струйные и лазерные принтеры выделяют и НЧ от 2 до 70 нм с пиком диаметра около 30 нм. Также было обнаружено, что НЧ в режиме печати помимо воды содержали нелетучие компоненты, которые образуются из стирола. Контакты с этим веществом даже в малых дозах могут вызвать у человека как острые реакции отравления, так и хронические заболевания. Практически все органы человека — почки, печень, мочевыводящая и кровяная системы могут быть поражены НЧ этого вещества. Стирол относится к общеядовитым веществам и относится ко 2 классу опасности.
Взрывоопасность и токсичность наночастиц
Исследования по определению опасности НЧ начались совсем недавно. Но даже по имеющимся результатам исследований можно отметить, что потенциальная проблематичность НЧ возрастает по мере уменьшения их диаметра. Одним из типичных примеров является проблема взрыва пыли, возникающей из-за высокой поверхности реакционной способности мелких частиц. Вероятность взрыва обусловлена тем, что мелкие частицы отличаются по составу и в них легко могут конденсироваться низкокипящие металлы. На рис. 3 показано влияние диаметра частиц на взрыв пыли, которое описывается следующей закономерностью: чем меньше диаметр частиц пыли, тем ниже минимальная
Рис. 3. Влияние диаметра частиц на нижний предел концентрации частиц, приводящий к взрыву
концентрация, необходимая для взрыва. Из-за трудностей, связанных с проведением экспериментов по суспендированию частиц одинакового размера с достижением однородной концентрации, результаты были получены при исследовании частиц, намного превышающих НЧ по размеру, однако было количественно доказано, что при меньшем диаметре частиц возможность взрыва пыли возрастает [9].
Возможность возникновения взрыва повышается, если вещества, легко реагирующие с кислородом при низкой температуре, конденсируются в частицы малого диаметра. Учитывая влияние диаметра частиц на возникновение взрыва пыли, можно сделать вывод, что особого внимания требуют случаи использования комбинированных материалов и НЧ в виде агломератов.
НЧ могут попадать в организм как преднамеренно, с медицинскими целями (системы доставки лекарственных средств), так и непреднамеренно адсорбироваться из среды (вдыхание пыли из воздуха, содержащего НЧ). Необходимо разделять НЧ, образующиеся в результате промышленного производства и поступающие в окружающую среду без намерения со стороны человека. Поэтому для точной оценки риска необходимо определить, в какой форме используются наноматериалы или НЧ. Покрытия и порошки потенциально могут выделять часть составляющих их наноматериалов в окружающую среду. Потребители изделий и продуктов, произведенных с использованием нанотехнологий, также могут подвергаться их влиянию. Необходимо уделить больше внимания на зоны окружающей среды и экосистемы, куда происходит выброс НЧ и наноматериалов.
Дыхательные пути — это основной путь поступления НЧ в организм человека. Большинство вдыхаемых НЧ осаждаются на поверхности дыхательных путей. Глубина проникновения частиц и зоны их осаждения в каждом отделе дыхательных путей зависят от размера и характера механизмов отложения: инерционное внедрение, гравитационное осаждение, диффузия и т.д. Как правило, если нерастворимые частицы осаждаются в реснитчатых зонах, покрытых слизистым слоем, они транспортируются в пищеварительный тракт с током
Элементарная действующая сила Силовое поле Силовое поле и преграда Преграда
Форма 1 1... / Р 1 1 1 1 ? Преграла О'" р Щ ,0 1 ©
Эффективность сбора Низкая Средняя Высокая
Перепад давления Низкий Средний Высокий
Критический фактор, влияющий на эффективность - Скорость осаждения - Эффективность соударения - Перепад давления - Перепад давления
Сепаратор - Концентратор-отстойник -ЭСО (электростатический осадитель) - Циклон (центробежный сепаратор) - Скруббер Вентури - Волокнистый фильтр - Гранулированный слой - Фильтр-пресс - Мешочный фильтр - Мембранный фильтр
Рис. 4. Основные виды разделения частиц
слизи благодаря действию реснитчатого эпителия. Частицы, осаждающиеся в бронхиолах и альвеолах, лишенных реснитчатого эпителия, подвергаются фагоцитозу макрофагами. Поэтому время пребывания этих частиц в организме удлиняется, однако они обычно транспортируются к верхним дыхательным путям, выстланным реснитчатым эпителием. По результатам исследований было установлено, что всего 20% осаждающихся НЧ удаляются в результате действия механизмов самоочищения. Также установлено, что оставшиеся в организме НЧ могут проходить через стенки альвеол, проникать в кровеносные или лимфатические сосуды и транспортироваться в другие органы. При этом можно сказать, что чем меньше размер частиц, тем больше их подвижность и тем легче они проникают через стенку альвеол и попадают в кровоток.
Удаление наночастиц
Для предотвращения выброса НЧ необходимо внедрение технологий их удаления из сбрасываемых отходов. На рис. 4 представлены основные виды разделения частиц. Все сепараторы частиц для дисперсионных систем используют одну из трех основных форм их разделения.
В левой части рисунка представлены методы отделения, в которых частицы собираются только с помощью силового поля (электростатическая сила, центробежная сила, гравитационная сила и т.д.), примером сепаратора этой группы является электростатический осадитель. Но если на пути потока НЧ поместить определенные преграды (коллекторы), эффективность отделения частиц повышается, поскольку частицы собираются на преградах при меньшем отклонении от потока среды под действием прилагаемой к частицам силы, в сравнении с сепараторами без преград. Типичными коллекторами в сепараторах такого типа являются воздушные фильтры, набивные фильтры и т. д.
В правой части рисунка показаны сепараторы, которые отделяют частицы, используя только эффект просеивания на препятствиях, без силового поля. В этом случае геометрический канал между препятствиями должен быть меньше размера частиц. К этой группе принадлежат мембранные фильтры, тканевые фильтры и т.д.
При использовании перечисленных способов для отделения НЧ основными механизмами являются броуновское движение и электростатическая сила для частиц в газе и эффект просеивания и силы перехвата/ адгезии для частиц в жидкости.
Как было указано выше, большая часть частиц, распределенных в воздухе, отделяется сепараторами,
Рис. 5. Скорость движения частиц, распределенных в воздухе, под действием силовых полей
в которых используются различные силовые поля, такие как гравитация, центробежная сила, электростатические силы, сила инерции, сила броуновского движения и т.д. Основой сравнения эффективности удаления частиц из газа под действием каждой из этих сил является скорость движения или смещение частиц в секунду под их воздействием. На рис. 5 показаны скорости движения частиц под действием различных сил в зависимости от диаметра частиц при нормальной температуре, давлении и плотности частиц.
Из представленных графических зависимостей следует, что скорости движения частиц под действием гравитации, центробежной силы и силы инерции постепенно снижаются по мере уменьшение диаметра частиц, и можно сделать вывод, что удаление НЧ с использованием этих сил затруднено. С другой стороны, скорость движения, обусловленного броуновской диффузией и электростатическими силами, повышаются по мере уменьшения размера частиц до уровня менее 100 нм. Таким образом, для сбора НЧ наиболее эффективны электростатические силы и броуновская диффузия.
На рис. 6 указаны типичные общепринятые коллекторы для пыли (пылесборники). Наиболее эффективными для НЧ являются электростатический осадитель (ЭСО) и тканевый/воздушный фильтр.
Однако в случае ЭСО, который действует только за счет электростатических сил, для НЧ менее 10 нм наблюдается снижение эффективности отделения. В этом случае эффективны заряженные фильтры, поскольку при их применении можно ожидать сочетание действия электростатических сил и броуновской диффузии. Для зараженных фильтров, в силу стабильности заряда, лучше всего действует так называемый элекретный фильтр, состоящий из постоянно поляризованных волокон. Однако по мере того, как размер частиц становится меньше и приближается к величине, сравнимой с размером молекулы, частицы могут отскакивать от поверхности коллектора, вероятность их адгезии также падает, что и приводит к снижению эффективности очистки газовой среды от НЧ. Поэтому здесь наиболее эффективно будет применим принцип хемосорбции, когда НЧ размером менее 10 нм вступают в химическую реакцию с активными веществами, находящимися в порах сорбента, образуя при этом нетоксичное соединение и более крупного размера.
Существуют два способа удаления НЧ из жидкости. Первый — это мембранная фильтрация, т.е. задержание НЧ соразмерной мембраной, через которую свободно проходит жидкость.
Рис. 6. Классификация сепараторов частиц
Второй—ультрацентрифугирование, когда жидкость заключается во вращающихся сосудах, а частицы свободно передвигаются в жидкости под влиянием внешнего поля ускорения. Эти методы широко используются для отделения макромалекул и молекул от жидкости, а в последнее время они также стали применяться для сепарации НЧ от жидкостей.
В процессе мембранной фильтрации под давлением градиент давления на мембране должен приводить
Рис. 7. Рабочие диапазоны для различных процессов мембранной фильтрации
к прохождению растворителя и мелких молекул через поры мембраны при задержании более крупных молекул/частиц. Процессы мембранной фильтрации делятся на три основные категории в соответствии с размером отделяемых компонентов, как показано на рис. 7.
Микрофильтрация (МФ) предназначена для удержания суспендированных частиц размером 50нм — 5мкн. Ультрафильтрация (УФ) позволяет отделять макромолекулы или НЧ размером 5-50нм (номинальный порог молекулярной массы от 5000 до 5000 000 Да). Нанофильтры (НФ) — относительно новый процесс, в котором используются заряженные мембраны, он позволяет охватывать молекулярные размеры от 0,1 до 5 нм. Этот процесс необходим для отделения диссоциированных форм соединения от недиссоциированных.
Недостатком данного способа является засорение мембран, приводящее к снижению эффективности очистки. Закупоривание мембранных пор сильно зависит от среды раствора, его рН и ионной силы. При замкнутой мембранной фильтрации, когда имеются входящий поток и проходящие потоки с одинаковой массовой скоростью, существенное значение имеет сопротивление слоя осадка. Для суспензий мелких частиц характер слоя осадка контролируется коллоидными силами, обусловленными взаимодействием между суспендированными частицами. Но так как большинство процессов мембранной фильтрации проводятся в режиме перекрестного течения, при котором поток движется по касательной относительно поверхности мембраны, благодаря чему слой фильтра постоянно смывается. Во время мембранной фильтрации частицы, в поступающем потоке, переносятся к поверхности мембраны путем конвективного транспорта, что приводит к повышению локальной концентрации отброшенных частиц на поверхности мембраны в сравнении с толщей раствора; это явление называется концентрационной поляризацией [10].
За последнее время были разработаны несколько методов, позволяющих увеличивать эффективность работы фильтров: обратная промывка с применением фильтрата или воздухом под давлением; периодическое вращение цилиндрической мембраны; импульсный поток; высокочастотная импульсная модуляция трансмембранного давления с частотами от 0,1-1 Гц. Замкнутая фильтрация снизу вверх, при которой поток фильтрата направлен противоположно вектору гравитации, а также замкнутая наклонная фильтрация, при которой мембрана наклонена по отношению к потоку, могут уменьшить образование слоя на мембране при УФ и НФ наносуспензий и растворов с НЧ.
Анализ литературных данных и исследований, выполненных авторами по условиям естественного и техногенного распространения НЧ, позволяют выделить ряд физико-химических особенностей поведения веществ в наноразмерном состоянии. Показано, что критически важной характеристикой наноматериалов, отличающей их от веществ традиционной дисперсности, является наличие очень высокой удельной межфазной поверхности. Высокая дисперсность частиц увеличивает их адсорбционную емкость, химическую
реакционную способность и каталитические свойства. Обладая гидрофобными свойствами и являясь электрически заряженными частицами, НЧ имеют способность проникать через барьеры организма.
Отмеченные факторы могут нести с собой новую угрозу здоровью человека и окружающей среде. Производство, использование и сброс наноматериалов неизбежно приведут к их появлению в воздухе, воде, почве и живых организмах. Все это вызывает необходимость разработки технологий, обеспечивающих безопасность обращения с наноматериалами во всех сферах жизнедеятельности.
При прогнозировании возможной обстановки, сложившейся в результате применения средств поражения, основанных на новых физических принципах, НЧ и на-номатериалы должны включаться в систему исходных данных для подготовки планов гражданской обороны и защиты населения.
Литература
1. Буренок В. М. Готовность к технологической войне // Военно-промышленный курьер. 2014. № 17 (535). С. 1-3.
2. Грачёв В. И., Севрюков И. Т. Влияние нанометровых размеров на свойства частиц и структур // Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России. 2017. № 3. С. 47-51.
3. Grachev V. I., Sevryukov I. T. Nano-sized particles and materials in the environment. Their explosiveness, toxicity and disposal methods // Norwegian Journal of development of the International Science. 2017. № 8.
4. Грачёв В. И., Марголин В. И., Жабрев В. А. Тупик В. А. Основы синтеза наноразмерных частиц и пленок.— Ижевск: Удмуртия, 2014.— С. 16-67.
5. Riordan M., Hoddeson L. Cristal Fire, W. W. Norton and Company, NY (1997).
6. Turkevich J. Gold Bull. 18, 86 (1985).
7. Pope C. A., Thun J. M., Namboodiri M. M. Am. J. Respir. Crit. Care Med., 151, 669-674 (1995).
8. Chan C. K., Zhang^X. F., Cui Y. Nano Lett. 8, 307 (2008).
9. The Royal Society, Nanoscience and Nanotechnolodgies: ISBN085403604 0, finalReport (2004).
10. Murkes J., Carlsson C.G. Crossflow filtration: Theory and practice, Wiley, NY (1988).
Сведения об авторах
Грачёв Владимир Иванович: д.в.н., д.т.н., проф., акад. Академии медико-технических наук РФ, «НПК «АВЕРС», ген. дир. — гл. констр.
101000, Москва, Кривоколенный пер., д. 12, стр. 3. e-mail: [email protected]
Севрюков Игорь Тихонович: д.т. н., проф., засл. деят. науки РФ, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), гл. н. с. научно-исслед. центра.
121352, г. Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: [email protected] SPIN-код — 6266-8914
Information about authors
Grachev Vladimir I.: Dr. Sci. (Military), Dr. Sci. (Engineering), Prof., Academ. of the Academy techno-medical science of Russia, «SIC «AVERS», general director — chief designer. 12 Krivokolenny lane, p. 3, Moscow,101000, Russia. e-mail: [email protected]
Sevryukov Igor T.: Dr. Sci. (Engineering), Prof., Honored scientist of the Russia, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Chief Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: [email protected] SPIN-scientific — 6266-8914.
