Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
На правах рукописи
АГРАНОВСКИЙ Игорь Евгеньевич
ПОВЕДЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ВОЛОКНИСТЫХ СРЕДАХ
02.00.04 - физическая химия А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Москва-2008
Работа выполнена в ФГУП НИФХИ им Л.Я. Карпова и Гриффитском университете (Griffith University), Брисбэн, Австралия Официальные оппоненты Доктор химических наук, профессор Огородников Б.И.
Доктор физико-математических наук, профессор Уварова Л. А.
Доктор физико-математических наук, профессор Щукин Е. Р.
Ведущая организация ФГУН ГНЦ ВБ "Вектор", 630559, Новосибирская обл., п. Кольцово
Защита состоится 15 декабря 2008 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 217.024.02 при ФГУП НИФХИ им Л.Я.
Карпова по адресу: 105064, Москва, ул. Воронцово поле,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИФХИ им Л.Я. Карпова
Автореферат разослан 14 ноября 2008 г.
Учёный секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н Андронова А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность.
Возросшие требования в области охраны окружающей среды и необходимость дальнейшего снижения предельно допустимых концентрации вредных веществ выбрасываемых в атмосферу обусловили необходимость разработки и внедрения новых эффективных технологий очистки газовых потоков от взвешенных примесей. Существует большое количество промышленных технологий производящих и выбрасывающих в атмосферу вязкие аэрозольные частицы. К таким производствам относятся технологии связанные с переработкой нефтепродуктов, оцинковыванием стальных конструкций, производством полимеров и лакокрасочных продуктов и многие другие. Использование сухих фильтров для очистки газовых выбросов таких технологий крайне ограничено в связи с быстрой и необратимой блокировкой фильтровальной ткани и невозможностью длительной эксплуатации. В этой связи, очистка газов от вязких частиц обычно производится орошаемыми скрубберами, малоэффективными для улавливания субмикронных фракций. Разработка новых подходов, позволяющих существенно увеличить эффективность улавливания вязких аэрозольных фракций, является актуальной задачей, направленной на улучшение качества воздуха в промышленных районах и в окружающих их населённых пунктах.
В настоящее время существует достаточно ограниченный круг устройств, способных с высокой эффективностью одновременно улавливать газовые и аэрозольные загрязнители. Теоретическое обоснование и последующее создание таких устройств позволит существенно удешевить процессы очистки газов, а также устанавливать очистные сооружения в местах, где в связи с ограниченностью пространства, очистные сооружения в настоящее время либо не используются вообще, либо устанавливаются только для очистки наиболее критичной составляющей выбросов (газовых или аэрозольных загрязнителей). Решение данной задачи является актуальной проблемой, напрямую направленной на улучшение экологии воздушного бассейна.
В последние годы, в связи с возросшей опасностью био-терроризма и широким распространением опасных вирусных заболеваний, таких как атипичная пневмония и птичий грипп, необходимость разработки надёжных и быстрых методов выявления инфекции в окружающем воздухе становится задачей первостепенной важности и особой актуальности. В настоящее время в мире не существует методов, позволяющих обнаруживать живые вирусные частицы в воздушном пространстве. Создание таких методов может диаметрально изменить ситуацию, позволяя своевременно провести комплекс санитарных и эвакуационных мероприятий, существенно снижая возможность распространения эпидемий/пандемий, связанных с человеческими жертвами и влекущих колоссальный экономический ущерб для экономики.
Основными целями работы являются:
1. Теоретическое обоснование, исследование и разработка новых технологии, основанных на использовании орошаемых фильтров, способных эффективно улавливать широкий спектр аэрозолей, включая вязкие частицы.
2. Теоретическое обоснование и разработка технологических решений по использованию волокнистых сред погружённых в жидкости для параллельного удаления аэрозольных и газовых примесей из воздушных потоков.
3. Теоретическое обоснование и разработка аппаратурного оформления и протокола для нового метода быстрого мониторинга биоаэрозольных частиц.
Научная новизна Получен ряд результатов, позволивший теоретически обосновать и разработать технологии нового поколения в областях фильтрации аэрозолей и мониторинга биологических загрязнителей воздуха. Математически описаны, разработаны и внедрены самоочищающиеся фильтры позволяющие улавливать вязкие частицы и изучен процесс поведения жидкой фазы на волокнах. Оптимизация процесса позволила достичь очень высокой эффективности очистки выхлопных газов, что особенно важно, так как исторически выхлопные газы, несущие вязкие аэрозольные частицы, очищались низкоэффективными скрубберами не позволяющими достигать требуемых степеней очистки. Разработан ряд моделей, описывающий процессы улавливания аэрозолей, испарения жидкости с поверхности фильтра, и поведения капель и плёнок на поверхности волокна, позволяющих проводить точную оценку технологических процессов на стадии их разработки. Все разработанные модели были экспериментально верифицированы в лаборатории и на производстве.
Разработаны и детально изучены физико-кинетические основы процесса улавливания аэрозольной фазы при пропускании газового носителя через пористые среды, погружённые в слои орошающей жидкости. С помощью разработанного метода, в котором используется процесс пропускания газового носителя через пористые среды, решены задачи, связанные с очисткой воздуха при помощи компактных и дешёвых технологий. Для исследований, разработан и применён динамический метод исследований при помощи ядерного магнитного резонанса на микроскопическом уровне. Результаты, полученные с помощью данного метода, позволили визуализировать процесс течения газо-жидкостных потоков внутри пористой среды. На основании полученных результатов были разработаны математические модели расчётов параметров процесса, необходимых на стадии разработки оборудования. Метод был применён для разработки персонального пробоотборника биоаэрозольных частиц.
Разработан и испытан в лабораторных и полевых условиях эксплуатации метод мониторинга живых биоаэрозольных частиц. В результате испытаний получено, что выживаемость бактериальных и грибковых аэрозолей более чем в два раза выше по сравнению с лучшими мировыми образцами аналогичного оборудования. Биоаэрозольный пробоотборник был успешно использован для мониторинга живых вирусных частиц в окружающем воздухе. Результаты, показанные при лабораторных испытаниях легли в основу разработки прототипа для массового производства для дальнейшего использования анти-террористическими организациями, вооружёнными силами, в областях сельского хозяйства и здравоохранения и многими другими. Прибор был успешно использован для мониторинга вируссодержащих аэрозолей в инфекционных больницах и в сельском хозяйстве. Далее он был использован в сочетании с устройством ПЦР (полимеразной цепной реакции), что позволило существенно сократить сроки определения наличия патогенов в воздухе. Прибор был испытан в сочетании с ПЦР в реальном времени, что позволило качественно (присутствуют/отсутствуют) определять целевые микроорганизмы в течение минут после их появления в воздухе. Был разработан прототип миниатюрного ПЦР реального времени что, в сочетании с пробоотборником, позволило разработать портативный комплекс мониторинга биоаэрозолей, устанавливаемого на ремне пользователя и определяющего наличие инфекционных биоаэрозолей в течение минут после их появления.
Разработаны модели оценивающие процесс мониторинга внутри помещений и в условиях открытой атмосферы, позволяющие, на основании данных полученных в результате пробоотбора, производить точный перерасчёт соответствующей концентрации в воздухе. Данные модели также могут быть использованы для определения оптимальных маршрутов мониторинга для наиболее полного охвата исследуемого объекта.
На защиту выносятся:
1. Новый метод улавливания аэрозольных частиц орошаемыми фильтрами с различными гигроскопическими свойствами (теоретическое обоснование и аппаратурное оформление), позволяющий приводить фильтрацию частиц с широким диапазоном параметров, включая вязкие частицы блокирующие традиционные фильтры.
2. Новый метод комплексного улавливания аэрозольных и газовых загрязнителей воздуха на пористых материалах погружённых в жидкую среду, включая его теоретическое обоснование и аппаратурное оформление.
3. Теоретическое обоснование и разработка нового метода мониторинга живых биоаэрозольных частиц (аппаратурное оформление и протокол измерений), включая быстрое обнаружение патогенных микроорганизмов с использованием комбинации с мини-ПЦР.
Апробация.
Результаты изложенные в диссертации обсуждены на 'CHEMECA 95', Adelaide, Australia; 10th World Clean Air Congress, Helsinki, Finland; 13th International Clean Air & Environment Conference. Adelaide. Australia; 7th World Filtration Congress, Budapest, Hungary; 15th International Meeting on Air Cleaning & Contamination Control. Tokyo. Japan; Separation of particles. 4th European Symposium. Nurnberg. Germany; 11th World Clean Air Congress.
Durbin. South Africa; European Aerosol Conference. Prague. Czech Republic;
Горение и атмосферное загрязнение, Санкт Петербург, Россия; 17th International Meeting on Air Cleaning & Contamination Control. Tokyo, Japan;
American Aerosol Conference, St.Louis, USA; 3rd European Congress of Chemical Engineering. Nurnberg, Germany; 6th World Congress of Chemical Engineering.
Melbourne; MODSIM 2001, Canberra, Australia; ICIPACT-2001. Hyderabad, India; AIHce. San-Diego, USA; AIOH. Wollongong, Australia; 6th International Aerosol Conference, Taipei, Taiwan; European Aerosol Conference 2003. Madrid, Spain; Asian Aerosol Congress, Hong Kong; European Aerosol Conference, Budapest, Hungary; American Association Aerosol Research, Austin, TX, USA;
European Aerosol Conference, Ghent, Belgium; 4th Asian Aerosol Congress, Mumbai, India; 7th International Aerosol Congress; УАэрозоли СибириФ, Томск.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано более 140 работ в Российских и международных изданиях (список основных работ пролагается), в том числе в 56 международных и 11 Российских изданиях рекомендованных ВАК РФ.
ичный вклад автора.
Данная работа описывает результаты исследований проведённых автором на протяжении 22 лет в лабораториях России, Австралии, США, Японии, Гонконга, Великобритании, Франции, Кореи, Израиля и многих других стран. Были получены результаты, позволившие решить ряд важных проблем в различных областях науки и техники. Разработанные технологии успешно работают более чем в 30 странах мира. Под руководством автора и по теме данной диссертации подготовлено 9 кандидатских диссертаций (PhD) и опубликовано более 140 научных статей и докладов. Все исследования, описанные в данной диссертации, были проведены при непосредственном участии автора, который принимал участие в обосновании и разработке направлений исследований, разработке лабораторного и промышленного оборудования, разработке математических и физических моделей процессов и в экспериментальных программах. Все статьи и тезисы докладов описывающие результаты исследований были целиком или в большей степени написаны автором.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трёх частей, содержащих 19 глав, выводов, заключения и списка литературы. Объём диссертации - 328 стр., включающих 127 рисунков и 27 таблиц. Библиография: 283 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЧАСТЬ 1. ФИЛЬТРАЦИЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ НА ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРАХ ГЛАВА 1.1 Блокировка орошаемых фильтров частицами пыли.
В большинстве случаев, твёрдые частицы, уловленные из газовых потоков, могут быть легко удалены с поверхности фильтра. Однако в ситуациях, когда улавливаемые частицы являются жидкими каплями с высокой вязкостью, процесс регенерации становится малоэффективным (частицы прилипают к поверхности фильтра), что приводит к частичной или даже полной блокировке фильтра и невозможности дальнейшего проведения процесса.
Точка отбора Регулировочный вентиль расхода Расходомер воды Фильтр Генератор пыли Точка отбора Точка отбора 450мм 450мм Вакуумный НЕРА НЕРА Насос фильтр фильтр Точка отбора Дренажные Расходомер Воздух Дренажная трубки ёмкость Рис. 1. Экспериментальная установка В результате исследований было обнаружено, что некоторые фильтрующие материалы являются смачиваемыми, в то время как другие остаются не смачиваемыми для жидких частиц с различными физическими свойствами. В случае, когда фильтр смачиваемый, жидкие аэрозоли, уловленные фильтром, растекаются по поверхности волокон образуя тонкие плёнки, покрывающие каждое отдельное волокно. В этом случае, вновь уловленные частицы оседают не на поверхности волокна, а на покрывающую волокно плёнку и могут быть легко удалены с поверхности фильтра при использовании дополнительного орошения фильтрующего элемента. Для изучения процесса, была создана экспериментальная установка показанная на Рисунке 1. Фильтр был установлен в камере с размерами 900мм 150мм 150мм. Твёрдые частицы кварца с диаметром от 1 до 6 мкм подавались в камеру генератором пыли с помощью предварительно отфильтрованного воздуха. Концентрация частиц до и после фильтра измерялась с использованием стандартного метода основанного на изокинетичности отбора пробы. Лабораторная установка была также оснащена манометром с Воздух Compressed air разрешением 1 Па для измерения перепада давления на фильтре. Два вида фильтров, смачиваемые и не смачиваемые, исследовались в данном проекте:
Таблица 1. Параметры фильтров Тип Материал Плотность Диаметр Вес Толщина волокна упаковки волокна Смачиваемый Полиэфир 12% 12мкм 320 г/м2 3мм Не смачиваемый Тефлон 10% 12мкм 270 г/м2 3мм a b Рис. 2 Поверхность фильтра с отложениями пыли; (а) не смачиваемый, (b) смачиваемый Фотографии поверхностей не смачиваемого (Рис. 2a) и смачиваемого Vв= 0,1м/сек; Пыль: 4г/час Vв= 0,1м/сек; Пыль: 40г/час Vв= 0,1м/сек; Пыль: 16г/час Сух Сух Сух 0,0,0,0,00,00,00,0,0,0,0,0,Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Vв= 0,5м/сек; Пыль: 4г/час Vв=0,5м/сек; Пыль: 16г/час Vв= 0,5м/сек; Пыль: 40г/час Сух Сух Сух 0,0,05 0,0,075 0,00,00,0,1 0,0,0,0,Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Vв=1м/сек; Пыль: 16г/час Vв= 1м/сек; Пыль: 4г/час Vв= 1м/сек; Пыль: 40г/час Сух Сух Сух 0,0,0,0,00,00,00,0,0,0,0,0,Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Рис. 3 Перепад давления на смачиваемом фильтре для различных параметров процесса.
(Рис.2b) фильтров, сделанные в процессе эксперимента, показывают Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па взаимодействие жидкой и твёрдой фаз на поверхности фильтров с разными физическими свойствами. Как видно на Рис. 2a (не смачиваемый фильтр), орошающая жидкость не смывала осевшую на поверхности пыль, а стекала с поверхности в виде струек. При этом большая часть поверхности оставалась сухой и полностью заблокированной пылью. С другой стороны, как видно на фотографии показывающей смачиваемый фильтр, вода смачивает всю поверхность фильтра, вынуждая улавливаемые частицы пыли оседать не на волокне, а на покрывающей его плёнке. Такие частицы эффективно удаляются с поверхности фильтра подаваемой на него орошающей жидкостью.
Результаты замеров перепада давления на фильтре при улавливании Vв= 0,1м/сек; Пыль: 4г/час Vв= 0,1м/сек; Пыль: 40г/час Сух Сух 0,0,0,00,00,0,0,0,Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Vв= 0,5м/сек; Пыль: 16г/час Vв= 1м/сек; Пыль: 40г/час Сух Сух 0,05 0,0,00,00,0,0,0,Время эксперимента, мин Время эксперимента, мин Рис. 4 Перепад давления на не смачиваемом фильтре для различных параметров процесса частиц пыли представлены на Рисунках 3 и 4. Девять графиков показанных на Рисунке 3 демонстрируют результаты замеров полученных для смачиваемого фильтра. Очевидно, что степень блокировки фильтра зависит от ряда параметров процесса фильтрации, включая скорость очищаемого воздуха, расход орошающей жидкости и концентрацию пыли в газовом потоке. Графики представленные на рисунке были выбраны как наиболее представительные для демонстрации процесса; для каждой концентрации пыли (4, 16 и 40 г/час) были использованы три скорости воздуха (0,1; 0,5 и 1,0 м/сек), покрывающие весь диапазон скоростей применяемых в процессах фильтрации в промышленности. На каждом графике показаны результаты замеров сопротивления фильтра для сухой фильтрации, и фильтрации при орошении водой в количествах 0,05; 0,075; 0,1 и 0,15 кг/час Как видно на рисунке, при сухой фильтрации, блокировка фильтра происходила при всех расходах пыли. Однако в случаях, когда фильтр орошался, его забивка происходила только при определённых параметрах расходов пыли и воды.
Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па ГЛАВА 1.2. Влияние испарения орошающей жидкости на процесс фильтрации в режиме самоочищения Как было показано выше, смачиваемый фильтр был успешно использован для улавливания твёрдых частиц в режиме самоочищения при помощи орошающей жидкости. Однако, при недостаточных расходах жидкости, даже смачиваемый фильтр может быть заблокирован в ситуациях, когда концентрация твёрдых частиц достаточно высока. Существует большое количество промышленных процессов производящих выхлопные газы с очень низким содержанием влаги и достаточно высокой температурой. В таких ситуациях, испарение орошающей жидкости становится очень существенным, делая проектный расход орошения недостаточным для эффективного ведения процесса и требующим корректировки расходных параметров. Для оценки возможности испарения орошающей жидкости была разработана математическая модель.
Рассмотрим тепло и массообмен на единице поверхности фильтра.
Материальный баланс по орошающей жидкости на входе и выходе из фильтра может быть написан в виде:
o Gi + Gi = Gs + Go, (1) s w w i o i o где GS и GS (Gw и Gw ) входящие и выходящие потоки пара (воды). Тепловой баланс процесса может быть представлен в виде:
o i o o i o i Gaca (Tm - Tm ) + cs(Gs Tm - GiTm ) + cw (Go Tw - Gi Tw ) = (Go - Go ), (2) s w w w w i o где Ga - массовый расход воздуха, Tm и Tm - температуры паро-воздушной i o смеси на входе и выходе из фильтра, Tw и Tw - температуры орошающей жидкости на входе и выходе из установки, ca, cs и cw - удельные теплоёмкости воздуха, пара и воды, и - удельная теплота парообразования.
Предполагается, что паро-воздушная смесь однородна и хорошо перемешана и удельная теплоёмкость является постоянной величиной. Уравнение массопереноса для воды и пара может быть представлено как:
* o i d(s -s (Tw,Gw))= Gw - Gw (3) где d - коэффициент массопереноса отнесённый к единице поверхности фильтра, s - объёмное содержание пара, и - равновесное объёмное s содержание пара. Средние значения температуры и расхода воды:
i o Tw = (Tw + Tw ) 2, (4) Gw = (Gi + Go ) 2, w w Объёмный расход пара может быть представлен в виде PGsMsMa s(Tw,Gw ) =, (5) RTs(GsMa + GaMs) где P - давление пара, Ms и Ma - молекулярные веса воздуха и воды, R - универсальная газовая постоянная, и Gs и Ts - средние значения расхода и температуры. Уравнение теплообмена в общем виде:
i o (Gaca + Gscs)(Tm - Tm ) = dGmcm(Tm - Tw ), (6) где Gm и cm - средний расход и средняя удельная теплоёмкость смеси.
Плотность паро-воздушной смеси, m, представляется как m = s + a (7) где PGaMsMa a = RTm(GsMa + GaMs) объёмный расход воздуха. Тогда aca + scs cm = (8) a + s где ca и cs усреднённые весовые значения для воздуха и пара.
На практике, при достижении стабилизации процесса, входные i i параметры Gi, Gi, Tm и Tw могут быть измерены. Далее, для заданной w a o o o величины d теоретические значения выходных параметров, Tm и Tw w могут быть посчитаны при помощи уравнений (2 - 8).
Эти же значения выходных параметров могут быть легко измерены экспериментально. Задавая функцию o o E(d ) = (G - G )2 + (Tm - Tm)2 + (Tw - Tw ) (9) w w o в виде квадратов разницы между теоретическими и измеренными (Go, Tm и w o Tw.) параметрами процесса и минимизируя E с использованием численных методов позволяют получить значение d характеризующее процесс массообмена в системе. Три смачиваемых фильтра были задействованы в экспериментах, проведённых на установке, показанной на Рис. 1. Их основные физические параметры показаны в Таблице 2. Результаты Таблица 2 Параметры фильтров Диаметр Удельный Плотность No. Материал Толщина волокна вес упаковки 1 Полиэфир 3 мм 12 мкм 330 г/м2 12% 2 Полиэфир 3 мм 24 мкм 327 г/м2 12% 3 Полиэфир 3 мм 36 мкм 330 г/м2 12% теоретических расчётов и экспериментальных замеров испарения орошающей жидкости с поверхности фильтров представлены на Рис. 5 для всех фильтров. Информация представленная на Рис. 5 необходима для корректировки расчетов количества орошающей жидкости требуемой для нормального функционирования процессов очистки горячих выхлопных газов при помощи орошаемых фильтров. Для реалистичной оценки минимального количества орошения, количество испарённой жидкости для воздушного потока с определённой температурой может быть получено при помощи графиков представленных на Рис. 5. Далее, полученная величина должна быть добавлена к величине минимального количества орошения, FILTER 1 (Fit) 10g/kg Фильтр 1(Эк)10г/кг FILTER 1 (Fit) 20g/kg Фильтр 1(Эк)20г/кг FILTER 1 (Fit) 30g/kg Фильтр 1(Эк)30г/кг FILTER 2 (Fit) 10g/kg Фильтр 2(Эк)10г/кг FILTER 2 (Fit) 20g/kg Фильтр 2(Эк)20г/кг FILTER 2 (Fit) 30g/kg Фильтр 2(Эк)30г/кг Фильтр 3(Эк)10г/кг FILTER 3(Fit) 10g/kg FILTER 3(Fit) 20g/kg Фильтр 3(Эк)20г/кг FILTER 3(Fit) 30g/kg Фильтр 3(Эк)30г/кг FILTER 1 (Theo) 10g/kg Фильтр 1(Тео)10г/кг FILTER 1 (Theo) 20g/kg Фильтр 1(Тео)20г/кг FILTER 1 (Theo) 30g/kg Фильтр 1(Тео)30г/кг FILTER 2 (Theo) 10g/kg Фильтр 2(Тео)10г/кг FILTER 2 (Theo) 20g/kg Фильтр 2(Тео)20г/кг FILTER 2 (Theo) 30g/kg Фильтр 2(Тео)30г/кг FILTER 3 (Theo) 10g/kg Фильтр 3(Тео)10г/кг FILTER 3 (Theo) 20g/kg Фильтр 3(Тео)20г/кг FILTER 3 (Theo) 30g/kg Фильтр 3(Тео)30г/кг 15 23 31 39 47 55 63 71 79 87 Температура, град. - Рис. 5 Количество орошающей жидкости испарённой с 1 м2 фильтра для различных температур воздуха полученной при помощи модели приведённой в предыдущей главе, для конкретного количества пыли улавливаемой фильтром.
Глава 1.3 Промышленное внедрение орошаемых смачиваемых фильтров Гальваническое - A ir line В атмосферу To atmosphe re Воздух производство - W a Воter line да (оцинковка стальных Каплеотбойник Demister деталей) может быть рассмотрено как один Fresh water Чистая вода из примеров Скруббер Scru bber производства частиц N ozzles Форсунки со свойствами Filter Фильтр неблагоприятными для сухой фильтрации. В момент погружения стальной детали в Separator Сепаратор ванну с цинком, Насос Pump R eceiver происходит серия Ёмкость химических реакции приводящих к Рис. 6 Диаграмма предложенной технологии формированию Количество воды, kг*м2/час нескольких слоёв сплавов железа и цинка. Формирование аэрозольных частиц происходит в момент погружения в жидкий цинк. Химические вещества, оставшиеся на поверхности стали после предыдущих стадий обработки, испаряются при контакте с жидким цинком генерируя вязкие аэрозоли, состоящие из целого спектра химических веществ включая цинк и его соединения, хлориды и другие.
Использование сухих фильтров для улавливания таких частиц обычно не практикуется в связи с невозможностью регенерации технологии и её быстрой забивкой. Скруббер Вентури исторически использовался для очистки воздуха фирмой выбранной для внедрения орошаемой фильтрующей технологии в Рис. 7 Фотография промышленности (Palmer Tube Mills Pty промышленно внедрённого Ltd., Salisbury, QLD Australia). Размеры фильтра и системы орошения производимых аэрозольных частиц варьировались в интервале 0,01 - 300 мкм. Данная технология являлась достаточно эффективной для очистки крупных частиц размером более 3 мкм, однако большинство мелких частиц оставалось в выхлопных газах и выбрасывалось в атмосферу.
Для решения данной проблемы было предложено использование смачиваемых орошаемых фильтров. Рис. 6 показывает основные модули системы, включая существующий скруббер и сепаратор, а также и вновь установленные системы фильтрации и её орошения. Четыре элемента было установлено в сепараторе и их общая поверхность фильтрации составила 12,м2. Учитывая, что количество очищаемых газов было на уровне 4 м3, скорость фильтрации на поверхности фильтра составила 0,32 м/сек. Каждый фильтрующий элемент орошался индивидуально установленными для него форсунками (см. Рис 7). Серия замеров эффективности системы была проведена до, и после установки новой технологии. Пробы отбирались на входе и выходе из технологии, и результаты использовались для расчета эффективности фильтров. Основные результаты замеров приведены в Таблице 3. Как хорошо видно, эффективность старой системы очистки воздуха была намного ниже по сравнению с новой.
Таблица 3 Концентрации загрязнителей в выхлопных газах Точка отбора Общее количество Соединения Хлориды, пробы частиц, (г/Нм3) цинка, (г/Нм3) (г/Нм3) Старая Вход 0,274432 0,069608 0,0975система Выход 0,057902 0,036865 0,0192Новая Вход 0,506452 0,163723 0,1193система Выход 0,0066996 0,003125 0,0019 К настоящему моменту, система бесперебойно отработала более 5 лет и была внедрена на четырёх аналогичных предприятиях в Австралии и Южно Африканской Республике.
ГЛАВА 1.4 Исследование возможности отскока частиц от поверхности фильтра В настоящее время, большинство моделей описывающих процессы фильтрации предполагают безусловное прилипание частиц к поверхности волокна после контакта, однако это предположение не является абсолютно верным. При определённых параметрах процесса и физических свойствах частиц, существует высокая вероятность их отскока с последующим уносом газовым потоком. В момент контакта частицы и волокна возникает сложная комбинация их пластических деформаций направленных на поглощение кинетической энергии быстро тормозящейся частицы. Для жидких частиц, наиболее важным параметром, связанным с возможным отскоком от поверхности соударения является поверхностное натяжение. Однако, как легко предположить, за счёт деформации, жидкие частицы обладают большей способностью абсорбировать энергию столкновения по сравнению с твёрдыми. Исследования были построены на сравнении эффективности фильтрации жидких (ди-этил-гексил-себакат - DEHS) и твёрдых частиц латекса (PSL) имеющих идентичные размеры и форму при одинаковых параметрах фильтрационного процесса.
Для проведения экспериментов была создана лабораторная установка.
Воздух с контролируемым расходом просасывался через абсолютный (НЕРА) фильтр и после его прохождения смешивался либо с жидкими аэрозолями, подаваемыми монодисперсным генератором (CMAG - TSI, USA) либо с твёрдыми частицами, генерируемыми из суспензии при помощи генератора Колиссона. Далее поток подавался на фильтр, герметично зафиксированный в фильтровальной камере. Dustrak (TSI, USA) использовался для замеров концентрации аэрозольных частиц на входе и выходе из фильтровальной камеры. Три фильтра (Таб. 4) с различными размерами волокон и плотностью упаковки были использованы в экспериментах. И одной серии экспериментов фильтры работали в сухом режиме, а во второй орошались водой.
Таблица 4 Параметры фильтров Фильтр Размер Толщина Плотность Материал (эффективность) волокна, мкм фильтра, мм упаковки, % Н (высокая) 2,0 Полиэфир 16 1,0 25,2 1,М (средняя) 2,5 Полипропилен 20 1,2 16,2 1,Л (низкая) 3,0 Полипропилен 60 3,1 12,5 2,Рисунки 8 - 10 показывают результаты замеров эффективности фильтров H, M and L. Рисунки СAТ и СBТ демонстрируют результаты для сухого и влажного режимов, соответственно. Как видно на графиках, при сухом режиме, разница результатов по улавливанию жидких и твёрдых частиц достигает значительных величин при максимальных значениях для частиц размером 1,5мкм. Результаты, полученные для сухих фильтров, сравнивались с результатами расчетов теоретической эффективности произведёнными по классическим формулам. Было получено близкое соответствие результатов с расхождением, не превышающим 15%. Так как классическая теория фильтрации, основанная на расчетах эффективности А А ( Размер частиц, мкм Размер Размер частиц, мкм Размер В В ( Размер частиц, мкм Размер частиц, мкм Размер Размер Рис. 8 Эффективность фильтра Н Рис. 9 Эффективность фильтра M одиночного волокна и общей геометрии фильтра, не учитывает возможного отскока частицы на основании её физических свойств (твёрдая/жидкая, твёрдость, эластичность, и т.д.), данное расхождение может быть объяснено неучтённым отскоком. Результаты работы фильтра в сухом режиме А ( показывают, что эффективность Размер частиц, мкм улавливания DEHS намного выше, чем Размер PSL. Очевидно, что при идентичности физических свойств волокон фильтров и параметров процесса, такая разница может быть объяснена только способностью жидких частиц лучше абсорбировать энергию столкновения за счёт деформации, обуславливающую В уменьшение отскока. Разница в отскоке ( жидких и твёрдых частиц снижается Размер частиц, мкм Размер Рис. 10 Эффективность фильтра L Эфф Эффективность, % Эффективность, % Эффективность, % Эффективность, % Эфф Эффективность, % Эффективность, % со снижением размера частиц и уменьшением скорости фильтрации. Для влажного режима фильтрации эффективность улавливания жидких и твёрдых частиц практически идентична. Незначительное различие результатов объясняется некоторым различием плотности частиц (частицы DEHS легче и эффективность их улавливания ниже). Отсутствие (существенное уменьшение) отскока от поверхности смоченных фильтров является очень интересным результатом данной работы. Очевидно, что жидкая плёнка работает как ингибитор процесса отскока, эффективно абсорбируя энергию, выделяемую при соударении частицы и волокна.
ГЛАВА 1.5 Влияние ориентации волокна на процесс его смачивания Данная часть работы включает в себя микроскопические исследования процесса смачивания волокна и течения жидкости под действием сил гравитации и сил сопротивления воздушному потоку.
Существуют три различных формы распределения/течения жидкости на поверхности волокон. Первой формой течения является плёночное течение (Рис.
11а). При второй форме, жидкость образует дендриты симметричные относительно волокна. Обычно такие Рис. 11 Формы жидкости дендриты соединены между собой тонкой плёнкой толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрон (Рис 11b). Последней формой распределения жидкости на поверхности волокна являются ассиметричные дендриты (Рис 11с). Силы, обуславливающие расположение капли на поверхности определены в литературе как поверхностное натяжение, a d натяжение на пятне контакта волокна и капли и линейное натяжение. Линейное натяжение определяется как избыточная свободная энергия, отнесённая к e b единице длины линии контакта.
Для проведения экспериментов, была разработана оптическая ячейка, в которой крепились отдельные волокна для последующего изучения динамического поведения f c подаваемой на них жидкости через Рис. 12 Поведение жидкости микроскоп. Ячейка устанавливалась на предметном столе поляризующего оптического микроскопа оснащённого CCD камерой дающей возможность получения скорости съёмки до 75 кадров в секунду. Для изучения процесса, расположение волокон, а соответственно Таблица 5 Граничные условия использованные при расчётах Нижняя Верхняя Переменная Размерность граница граница U (скорость) 0,05 10,0 м/сек (вязкость воздуха) 1,72x105 2,16 x105 Па*сек b (радиус капли) 0,005 x10-3 2,0 x10-3 м l (ширина прохода воздуха) 0,001 x10-3 1,0 x10-3 м (плотность капли) 700 1300 кг/ми всей ячейки должно было быть вертикальным. Было изготовлено специальное приспособление позволяющее повернуть корпус микроскопа на 90 градусов, делая предметный стол вертикальным.
Таблица 6 Влияние параметров на процесс течения жидкости по волокну Эффекты первого порядка Параметр Среднее значение Степень влияния СКО U 0,147831 2 0,102 0,024191 5 0,0230b 1,143021 1 1,3838l 0,085989 3 0,062 0,058812 4 0,0463Эффекты второго порядка Параметр Среднее значение Степень влияния СКО U и 0,033209 10 0,0262U и b 3,195807 1 1,4420U и l 0,150259 9 0,1098U и 1,219032 3 1,0263 и b 0,520005 6 0,2747 и l 0,442109 7 0,7282 и 0,367881 8 0,3291b и l 1,615657 2 1,0828b и 0,705451 5 0,8806l и 1,204147 4 1,0417Рисунок 12 демонстрирует примеры поведения жидкости на волокнах.
На а-с частях рисунка хорошо видна динамика течения капли смывающей более мелкие капли на своём пути. Остальные части рисунка показывают поведение капель на различных волокнах или их пересечениях.
Математический анализ процесса был проведён для определения влияния различных параметров на величину оптимального угла наклона волокна MAX, позволяющего получить максимальную эффективность дренажа воды. Анализ проводился при помощи нового метода Морриса (метод отбора параметров первого и второго порядков). Эффекты влияния первого порядка, в результате, являются усреднениями первой производной выходных значений. Аналогично, метод второго порядка определяет среднее значение и средне квадратичное отклонение величин для всех парных взаимодействий между параметрами, с эффектами второго порядка, усреднёнными по вторым производным выходных значений. Параметры, использованные в расчётах, приводятся в Таблице 5.
Таблица 6 представляет результаты данных расчётов. Величина со степенью влияния 1 имеет наибольшее влияние на процесс. Как видно, только одна величина из всех переменных, b - радиус капли, имеет существенное влияние на процесс, в то время как для эффектов второго порядка, существенным влиянием обладают следующие пары переменных: U и b, b и l, U и , l и .
Также был получен оптимальный угол наклона волокна для максимального стекания капли:
Fd 3 MAX = tan-1 + (10) Fg где Fg сила гравитации и Fd сила сопротивления воздушному потоку.
ГЛАВА 1.6 Влияние испарения на эффективность влажных фильтров Следующий этап исследований был посвящён изучению эффективности влажного фильтра на микроскопическом уровне. Для данного этапа исследований, лабораторная установка была модифицирована, с привлечением второго небулайзера для параллельной генерации аэрозолей Таблица 7 Параметры волокон использованных в экспериментах.
Диаметр(мкм Тип капли на Тип волокна № СКО) волокне Стекло 1 7,00,1 Симметричная Нержавеющая сталь (чистая 2 28,00,2 Симметричная поверхность) Нержавеющая сталь 3 28,00,2 Не симметричная (поверхность не очищалась) Полипропилен 4 40,00,6 Не симметричная различных типов, включая воду, лёгкое минеральное масло, пыль катализатора и латексные частицы. Аэрозольные потоки из небулайзеров смешивались в камере и подавались в b a оптическую ячейку. Параметры волокон, использованных в данном исследовании, приведены в Таблице 7.
d c Как было обнаружено, поведение капель на волокнах зависит в основном от их формы и в меньшей f степени от вида волокна. Наблюдалось похожее e поведение симметричных капель на волокнах №1 и №2, которое принципиально отличалось от поведения капель g h на волокнах №3 и №4. В то же время, поведение капель на волокнах №3 и №4 было идентичным.
j i Следующей фазой исследований, являлось создание параметров процесса, при которых расход воды из небулайзера был существенно уменьшен или k l даже отключён. Такие условия быстро приводили к Рис.13 Испарение жидкости испарению воды с поверхности волокна, оставляя на нём слой твёрдого осадка приводящего, в реальных условиях, к блокировке фильтра. Рисунок демонстрирует типичный пример испарения капли при отключении подачи воды. Рисунки (а-g) показывают фазы испарения капли в течении 105 сек после отключения подачи воды. После этого включался небулайзер с дистиллированной водой, возобновляя подачу водных аэрозолей в ячейку.
Рис. (h) показывает первую каплю, стекающую по волокну после возобновления подачи воды. При достижении твёрдого осадка, капля полностью покрывает его как показано на Рис. (i). Рис.(j) сделан через секунд после Рис. (h), сразу после стекания с волокна первой капли. Рис. (k) и (l) показывают дальнейший процесс очистки волокна. Как хорошо видно, вода смыла подавляющее большинство пыли, оставляя лишь её незначительную часть на поверхности волокна. Фотографии, сделанные для каждого из волокон оцифровывались и были получены точные геометрические размеры полностью сухого осадка, непосредственно перед восстановлением подачи воды, и несмываемого осадка после длительного орошения (когда становилось очевидным, что дальнейшей очистки не происходит). Для обоих случаев определялся объём осадка (объём самого волокна вычитался из результатов) и степень регенерации волокна определялась по формуле:
-VCL) (VCA R =, (10) VCA 1 где R - процент регенерации, VCA - исходный объём сухого осадка, и VCL - объём осадка после максимально возможной очистки. Результаты расчётов приводятся в Таблице 8. Очевидно, что волокна несущие симметричные капли обладают лучшей способностью самоочищения. Это объясняется более эффективным покрытием волокна симметричными каплями и плёнками воды и снижением вероятности прямого контакта частиц с поверхностью волокна.
Таблица 8. Регенерация волокон при фильтрации пыли катализатора Форма капли Время регенерации Тип волокна R (%СКО) (H2O) (минуты) Стекло Симметричная 962 Нержавеющая сталь Симметричная 873 (чистая поверхность) Нержавеющая сталь Не (поверхность не 695 симметричная очищалась) Не Полипропилен 724 симметричная ГЛАВА 1.7 Изучение несимметричных капель, находящихся под действием вязких и гравитационных сил, на вертикальных волокнах В наших предыдущих работах было получено, что при достижении определённого размера и при определённых параметрах воздушного потока Круговые колебания Поступательные колебания Рис. 14 Колебания не симметричной капли на волокне (фотографии сделаны с интервалом 0,016 секунды).
капля, находящаяся на волокне, начинает вибрировать и в результате отрывается от волокна. Такие колебания появлялись при достижении перехода из ламинарного в турбулентный режим течения газа вокруг капли.
Физическое и математическое моделирование процесса колебания капли на волокне являются объектом исследования и описываются в данной части диссертации. Рис. 14 демонстрирует колебания не симметричной капли. Как хорошо видно на рисунке, капля колеблется в двух направлениях; возвратно поступательно в плоскости параллельной волокну, и по кругу в плоскости перпендикулярной волокну. Для моделирования процесса, предлагается схема, концептуально показанная на Рис. 15. На диаграмме Fd - вязкая сила Стокса; T - сила Капля упругости; M - центр массы капли, 0 - угол отклонения капли относительно состояния покоя (при скорости воздуха равной 0); l - длина смещения центра массы не симметричной капли Волокно относительно волокна в состоянии покоя, и r увеличение длины смещения центра массы не симметричной капли обтекаемой воздухом Рис. 15 Диаграмма сил относительно состояния покоя. Воздух движется действующих на каплю в направлении вектора 0 = 0.
абораторная установка для этой части исследований не изменялась, однако было задействовано два различных вида оптических ячеек. Первый тип был идентичен ранее описанному, в то время как второй тип ячейки был разработан специально для проведения исследований колебания капли (Рис.16). Уравнения, описывающие поступательные и радиальные колебания были записаны соответственно в виде:
&& m(r - r& 2 ) = -T + Fd coso + cos(ot + ), (11) o o & & m(r& + 2r& ) = -Fd sin + o sin(ot +), (12) o o o где, 0 r T = . (13) (r - l) r 0 Уравнения (11) - (12) были записаны в векторной форме, u u1 uu4 - u1 - l Fd cos(u3) + o cos(ot +) + u 1 mmm du = dt u3 , u(14) -1 o u4 ((2u2u4 + Fd sin(u3)) / m) + sin(ot +) u1 mu ..
u1 = r, u2 = r, u3 = o, u4 = принимая o. Система уравнений (14) является и системой дифференциальных уравнений четвёртого порядка, которая была решена численными методами с использование MATLAB suite of ODE.
Для достижения максимально возможной корреляции между теоретическими и экспериментальными данными также был использован хорошо известный метод Генетического Алгоритма (GA). Исходные данные для GA метода включали в себя максимально возможные реалистичные интервалы значений каждого параметра использованного в модели.
Результаты расчётов для поступательных и круговых колебаний показаны 2. Ячейка стандартной конфигурации 1. Ячейка новой конфигурации Микроскоп повёрнутый на 15 градусов Оптические Волокно стекла Волокно Вход Микроскоп аэрозолей расположен горизонтально, Ячейка Вход перпендикулярно аэрозолей Оптические плоскости ячейки Вертикально стекла закреплённое волокно Рис. 16 Типы оптических ячеек использованные в экспериментах на Рис. 17 и 18. Согласие между результатами расценивается как удовлетворительное. Разработанная нами модель способна предсказать поведение капель на волокнах и помочь разработчикам новых технологий в выборе оптимальных параметров фильтрующих тканей и динамики процесса Эксперимент Теория Время, секунды Рис. 17 Результаты расчётов для поступательных колебаний Эксперимент Теория Время, секунды Рис. 18 Результаты расчётов для радиальных колебаний для достижения максимальной эффективности улавливания атмосферных загрязнителей.
ЧАСТЬ 2 УЛАВЛИВАНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ ПУТЕМ БАРБОТАЖА ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ПОРИСТУЮ СРЕДУ, ПОГРУЖЕННУЮ В ЖИДКОСТЬ ГЛАВА 2.1 Исследование эффективности процесса В начале 90х, докторантом была разработана новая методика для эффективного удаления твердых частиц из газоносителя. Волокнистый фильтр погружали в воду на тарелке скруббера с последующей подачей орошающей жидкости и очищаемого газа.
При работе такой технологии, в порах погружённого фильтра, газовый поток разделялся на очень мелкие пузырьки (см Рис 19), на стенках которых шло эффективное улавливание аэрозольной фазы.
Рис. 19 Барботаж через Для экспериментального изучения процесса фильтр r, мкм , радиан была создана установка, показанная на Рис. 20. Генератор аэрозоля использовался для генерации монодисперсных частиц с диаметрами в пределах от 0,03 до 2,7 мкм. После прохождения через HEPA фильтр, воздух смешивался с потоком аэрозоля из генератора и направлялся на фильтрующее устройство для очистки. Фильтрующий элемент, 140 мм в Расходомер Точка пробоотбора Расходомер Aerosol Generator Вентиль Вход жидкости HEPA фильтр 140мм Вентиль Выход жидкости Генератор аэрозолей Сетка Вакуум насос Фильт Ситчатая тарелка HEPA Фильтр Точка пробоотбора В атмосферу Вход воздуха Рис. 20 Схема экспериментальной установки диаметре, содержал волокнистый фильтр, ситчатую тарелку и задерживающую сетку. Установка была также оснащена системой мониторинга концентрации аэрозоля, способной замерять концентрацию частиц на входе и выходе с фильтрующего элемента, и вакуумного насоса, создающего поток газа в системе. Проведённые эксперименты включали замеры работы фильтра в сухом и влажном режимах, при которых орошающая жидкость либо отключалась, либо подавалась на фильтр.
Оценка среднего размера пузырька осуществлялось при Расход воздуха, л/мин 1помощи высокоскоростной 423фотографии, позволяющей 3241Cухой сделать четкие и контрастные фотографии пузырьков. После Барботаж тщательного измерения достаточного количества пузырьков (минимум 100) приблизительно с фотографий был определён средний размер пузырька (0,70 мм) производимого Диаметр частицы, мкм фильтром, использованным в Рис. 21 Эффективность улавливания частиц при барботаже Эффективность улавливания, % данных экспериментах (СКО = 0,42).
Результаты измерений эффективности фильтрации частиц DEHS для различных скоростей потока показаны на Рис. 21 для различных диаметров частиц. Перепад давления на влажных и сухих фильтрах в зависимости от Барботаж скорости потока показан на Рисунке 22.
Было обнаружено, что эффективность фильтра, погруженного в жидкость, намного выше, чем эффективность того же фильтра, работающего при сухих режимах. Это Сухой особенно важно, потому что становится возможной замена громоздких, двухэтапных (скруббер и фильтр) технологий на компактные и Расход, литр/мин намного более эффективные устройства, состоящие из одной Рис. 22 Сопротивление сухого и стадии.
орошаемого фильтров ГЛАВА 2.2 Визуализация многофазного потока в пористых средах при помощи Ядерного Магнитного Резонанса (ЯМР) В данной части диссертации мы исследуем возможность применения ЯМРвизуализации для изучения динамических процессов газожидкостного потока в пористых влажных средах. Пористая среда, которая использовалась в данном исследовании, представляла собой волокнистый фильтр из полипропиленовых волокон с некоторым случайным расположением.
Сложность структуры очень затрудняет разработку теоретических моделей полей потока через такие фильтры.
Манометр Сверхпроводящая магнитная система 7 Tesla, соединенная со Расходомер спектрометром Bruker AMX300, использовалась в данном исследовании.
Прототип барботажного устройства, с Вакуум внешним диаметром 2 см был насос Фильтр сконструирован таким образом, чтобы с минимальным зазором загружаться в 15мм Шприц Выброс вертикальный центральный сердечник 20мм магнитной проводящей системы 7 Tesla Фильтродержатель (см. Рис. 23). Во время эксперимента, Сердечник устройство находилось внутри ЯМР, ЯМР Вход воздуха поэтому визуальный контроль уровня воды был невозможен. Уровень воды Рис. 23 Установка визуализации контролировался при помощи точного процесса при помощи ЯМР.
Сопротивление, Па дифференциального манометра с разрешением 1-Па измеряющего перепад давления на установке. ЯМР использовался для получения серии горизонтальных изображений (срезов) по высоте используемого фильтра. Результаты исследований показаны на Рис. 25, где тёмные участки представляют пути прохождения воздуха (воздух прозрачен для ЯМР), а светлые участки - воду, содержащуюся в пористой среде. Скан нижнего среза фильтра находится в левом верхнем углу. В нижней части фильтра наблюдается наличие множества Рис. 24 Горизонтальные ЯМРлвоздушных пор или путей которые изображения срезов фильтра начинают сливаться при продвижении воздуха, образуя более широкие проходы но в значительно меньшем количестве. Измеренные перепады давления на фильтре относительно малы;
как следствие, предполагается, что воздушный поток несжимаем или имеет постоянную плотность. Также поток, поступающий на фильтр, постоянен и оценивается как безвихревой. Исходя из этих предположений, поток идеален и, (15) u = - ~ ~ где u - потенциальная функция, - вектор скорости, и - оператор градиента.
~ ~ Уравнение непрерывности затем дает (16) = что представляет собой уравнение Лапласа. Идеальный двухмерный поток приводит к функции потока , которая также удовлетворяет уравнению Лапласа в случае отсутствия в поле потока завихрений. Граничные условия для невязкого потока задаются постоянством функции потока .
Мы также рассмотрели осаждение частиц аэрозоля в данном поле потока под действием инерционных сил. Посчитанная величина числа Рейнольдса, указывала на ярко выраженный ламинарный режим потока. Как результат, сила, воздействующая на частицы, является вязкой силой Стокса, которая определяет параметры сопротивления потоку.
Следовательно, сопротивление воздуха на Рис. 25 Изображение частице аэрозоля линейно и, в области вертикального среза через Стокса, уравнение движения для частиц пористую среду.
имеет вид:
&& & mr = -mg + F u(r) - r, ( ) (17) %% % % % где r(t) - положение частицы в поле потока, определенное u(r), m - масса % % % частицы и F - коэффициент сопротивления. Мы предполагаем, что частицы имеют сферическую форму, так что F = 24/Rp.
Решения для линий потока в ранее полученном канале, при заданных граничных условиях = c (постоянная) и 0 c 1, показаны на Рис. 26. Мы также решили уравнение (17) с использованием величины u(r) полученной из % % результатов характеризующих поток, показанный на Рис. 26. Для получения конкретного результата, мы рассмотрели аэрозольный Рис. 26 Рассчитанные направления загрязнитель в виде 10,000 частиц, потока воздуха внутри фильтра.
равномерно распределённых по сечению фильтра. Для получения результатов эффективности улавливания, траектории частиц 1прослеживались до тех пор, пока они не ударялись о границу жидкости, показанную на Рис.
26. Была проведена серия Dry(Experiment) Сухой (Эксп) расчетов для ряда размеров Dry(Theory) Сухой (Теор) частиц, и результаты этих Wet (Experiment) Барботаж (Эксп) расчетов представлены на Рис.
Wet (Theory) Барботаж (Теор) 27.
Для проверки результатов 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.теоретического моделирования Диаметр частицы, мкм Particle Size, m процесса, была проведена серия Рис. 27 Эффективность улавливания ис. 27 Эффективность улавливания экспериментов на ранее описанной установке. Экспериментальная кривая, полученная для фронтальной скорости воздуха 0,3 м/сек (та же, что используется для расчета теоретических результатов), также представлена на Рис. 27. Как видно из рисунка, согласие между теоретическими и экспериментальными результатами отличное.
ГЛАВА 2.3 Улавливание аэрозолей путём Вода Масло барботажа через пористую среду, Рис. 28 Воздушные пузырьки, погруженную в органическую жидкость выходящие из Фильтра № 3, погруженного в воду и масло.
Efficiency, % Эффективность, Многие загрязняющие вещества в современном обществе включают органические Сухая фильтрация Барботаж через масло соединения, которые также должны быть удалены из потоков выхлопных газов выбрасываемых в окружающую среду.
Известно, что вода, используемая для орошения барботажных Расход воздуха, л/мин Расход воздуха, л/мин устройств, являясь Барботаж через воду плохим растворителем Фильтр органических веществ, быстро достигает Фильтр насыщения, и перестаёт обеспечивать их Фильтр удаление из потока, проходящего воздуха.
Фильтр В таких ситуациях, для создания эффективных Фильтр Расход воздуха, л/мин условий эксплуатации, в технологии Рис. 29 Перепад давления на фильтрах барботажной фильтрации, для орошения фильтра, могут использоваться альтернативные жидкости, которые лучше растворяют органические вещества.
Для проведения экспериментов, было выбрано пять пористых сред с различными свойствами, представляющими диапазон стандартно используемых промышленных фильтров (см. Таблицу 9). Орошающая жидкость представляла собой подсолнечное масло, с плотностью = 0,91 г/ см3, вязкостью = 0,9 г/(сек*см) и поверхностным натяжением = 36 дин/см.
Это масло обладает афинностью для DEHS, и легко абсорбирует частицы DEHS, вступающие с ним в контакт.
Таблица 9 Характеристики фильтров Размер Удельный Плотность № Материал Толщина волокна вес упаковки 1 Полипропилен 2 мм 12 мкм 472 г/м2 29% 2 Полипропилен 3 мм 24 мкм 320 г/м2 15% 3 Полипропилен 3 мм 48 мкм 358 г/м2 11% 4 Полиэфир 10 мм 40 мкм 454 г/м2 4% 5 Нержавеющая сталь 2 мм 26 мкм 1646 г/м2 9,6% Фотографии процесса барботажа использовались для измерения размера пузырьков при различных скоростях потока, вначале с использованием в качестве орошающей жидкости воды, а затем масла (см.
Сопротивление, Па Сопротивление, Па Сопротивление, Па Рис. 28). Наблюдалось, что при эквивалентных скоростях газа, пузырьки в масле обычно были меньше чем в воде, и сохраняли сферическую форму при более высоких скоростях. Результаты измерений перепада давления показаны на Рис. 29 для сухих фильтров, для фильтров погруженных в масло, и для фильтров Фильтр Фильтр погруженных в воду.
Режим сухой фильтрации характеризуется намного более низким сопротивлением для любого типа фильтров.
Перепады давления через Размер частицы, мкм Размер частицы, мкм фильтр, погружённый в масло (наиболее высокий Фильтр Фильтр перепад давления) и воду отличались незначительно.
Эффективность улавливания частиц фильтрами, погружёнными в масло и воду, показана на Рис. 30. Было получено, Размер частицы, мкм Размер частицы, мкм что для размеров частиц более 2,7 мкм, 100 л/мин Вода Фильтр эффективность почти 200 л/мин Вода всегда была на уровне 100%. Эффективность при 300 л/мин Вода использовании масла 100 л/мин Масло обычно была выше 200 л/мин Масло эффективности при использовании воды. Во 300 л/мин Масло Размер частицы, мкм время прикидочных экспериментов было Рис. 30 Эффективность улавливания отмечено, что масло, аэрозолей масла и воды добавленное на поверхность фильтрующей ткани, быстро проникало внутрь материала. С другой стороны, когда подобные эксперименты проводились с использованием воды, по крайней мере для фильтра 1, она оставалась на поверхности. Этот эффект объясняется более низким поверхностным натяжением масла, определяющим эффективность его проникновения в пористую подложку. Было также отмечено, что при барботаже через масло было сравнительно больше точек выхода на поверхности фильтра, чем при использовании воды. Более низкое поверхностное натяжение, безусловно облегчает процесс вытеснением жидкости воздухом, уменьшая размер пузырьков, выходящих из воздушной трубки.
Эффективность, % Эффективность,% Эффективность, % Эффективность, % Эффективность, % ЧАСТЬ 3 РАЗРАБОТКА ПРОБООТБОРНИКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА БИОЛОГИЧЕСКИХ АЭРОЗОЛЕЙ ГЛАВА 3.1 Исследование возможности улавливания живых аэрозолизированных микроорганизмов посредством барботажа газа через пористую среду, погружённую в жидкость Индивидуальное воздействие биоаэрозолей лучше всего можно оценить с использованием персональных измерителей, Входы К вакуум так как приборы такой модификации воздуха насосу позволяют прослеживать эффекты моделей активности человека в зависимости от времени.
Нами был разработан новый персональный пробоотборник для отбора биоаэрозолей, основанный на методе барботажа, описанном в предыдущей главе.
Схема нового персонального пробоотборника показана на Рис. 31.
Прототип устройства состоит из двух Фильтр соосных цилиндрических корпусов:
Рис. 31 Прототип внутреннего корпуса диаметром 45 мм с пробоотборника пористой средой, герметично крепящейся к нижней части, и внешнего корпуса диаметром 75 мм. Для предоставления возможности извлечения фильтра после замера для отмывки и замены, прибор сделан полностью разборным. Кроме того, в дизайне учтена необходимость Аэрозольная минимизации возможных камера проливов жидкости при мобильном сборе образца воздуха. Для этой цели на дне прибора были Пробоотборник Нейтрализатор предусмотрены заряда специальные перегородки, Сжатый Линия а входные отверстия для воздух пробоотбора Байпасная линия воздуха оснащены Сжатый Клапан удлинительными воздух К аспиратору патрубками. Волокнистая Клапан Клапан Небулайзер среда помещается на Колиссона высоте 15 мм от дна Аэродинамический устройства, для Спектрометр НЕРА гарантированного Фильтр Ротаметр погружения в 40 мл Вакуум насос В атмосферу орошающей жидкости.
Воздух, просасываемый портативным вакуумным Рис. 32 Схема лабораторной установки насосом, попадает в устройство через входные отверстия, расположенные периферийно для ойство через входные отверстия, расположенные периферийно для осуществления отбора в пределах 180. Размеры внешнего и внутреннего осуществления отбора в пределах 180. Размеры внешнего и внутреннего корпусов, а также размер и количество отверстий для входа воздуха были корпусов, а также размер и количество отверстий для входа воздуха были рассчитаны, чтобы свести к минимуму осаждение частиц на стенках рассчитаны, чтобы свести к минимуму осаждение частиц на стенках внутреннего и внешнего корпусов. После соприкосновения с сорбирующей внутреннего и внешнего корпусов. После соприкосновения с сорбирующей жидкостью, поток воздуха поворачивался на 180 и проходил через пористую жидкостью, поток воздуха поворачивался на 180 и проходил через пористую среду, погруженную в жидкость. Частицы, включая живые переносимые по среду, погруженную в жидкость. Частицы, включая живые переносимые по воздуху микробы, улавливались жидкостью, а очищенный воздух выходил из воздуху микробы, улавливались жидкостью, а очищенный воздух выходил из устройства через трубку диаметром 12 мм, присоединенную к вакуумному устройства через трубку диаметром 12 мм, присоединенную к вакуумному насосу. Экспериментальная установка, использовавшаяся для лабораторной насосу. Экспериментальная установка, использовавшаяся для лабораторной оценки нового пробоотборника, показана схематически на Рис 32.
оценки нового пробоотборника, показана схематически на Рис 32.
Биоаэрозольный поток, полученный НЕРА фильтрованным воздухом с Биоаэрозольный поток, полученный НЕРА фильтрованным воздухом с помощью трёхструйного небулайзера Коллисона из жидкой суспензии, помощью трёхструйного небулайзера Коллисона из жидкой суспензии, подавался в аэрозольную камеру. Пробоотборник, содержащий 40 мл подавался в аэрозольную камеру. Пробоотборник, содержащий 40 мл стерилизованной воды, устанавливался в камере и отбирал воздух с расходом стерилизованной воды, устанавливался в камере и отбирал воздух с расходом 4 л/мин. Концентрация и распределение размера частиц внутри аэрозольной 4 л/мин. Концентрация и распределение размера частиц внутри аэрозольной камеры и на выходе из пробоотборника замерялись в постоянном режиме с камеры и на выходе из пробоотборника замерялись в постоянном режиме с помощью спектрометра аэрозольных частиц Aerosizer, позволяющего помощью спектрометра аэрозольных частиц Aerosizer, позволяющего измерять до 1100 частиц/см3 в пределах измерять до 1100 частиц/см3 в пределах 1 P.fluorescens B.subtilis A. versicolor аэродинамического размера от 0,3 до аэродинамического размера от 0,3 до 1200 мкм. Рабочие характеристики 200 мкм. Рабочие характеристики пробоотборника оценивались с пробоотборника оценивались с использованием PSL, бактерий использованием PSL, бактерий Pseudomonas fluorescens и Bacillus Pseudomonas fluorescens и Bacillus subtilis var. niger и спор грибов subtilis var. niger и спор грибов Aspergillus versicolor в течение периода Aspergillus versicolor в течение периода 2пробоотбора до 8 часов.
пробоотбора до 8 часов.
Время, часы Биологическую эффективность отбора, Биологическую эффективность отбора, Рис. 33 Выживаемость микробов R, для всех трех микробов R, для всех трех микробов в процессе мониторинга (относительный уровень выживаемости) (относительный уровень выживаемости) определяли как отношение выживших микроорганизмов (получено посевом определяли как отношение выживших микроорганизмов (получено посевом аликвоты улавливающей жидкости на агаре с последующим пересчётом аликвоты улавливающей жидкости на агаре с последующим пересчётом концентрации в воздухе) к начальной концентрации в аэрозольной камере концентрации в воздухе) к начальной концентрации в аэрозольной камере (замерено спектрометром). Результаты измерений уровней выживаемости (замерено спектрометром). Результаты измерений уровней выживаемости при мониторинге бактерий и спор грибов представлены на Рис. 33. Как видно при мониторинге бактерий и спор грибов представлены на Рис. 33. Как видно на графике, все микроогранизмы продемонстрировали высокую на графике, все микроогранизмы продемонстрировали высокую выживаемость при пробоотборе (существенно выше, чем при замерах выживаемость при пробоотборе (существенно выше, чем при замерах лучшими мировыми образцами техники, используемыми для аналогичных лучшими мировыми образцами техники, используемыми для аналогичных измерений), что подтвердило работоспособность и эффективность нового измерений), что подтвердило работоспособность и эффективность нового метода при использовании для замеров живых биоаэрозольных частиц в метода при использовании для замеров живых биоаэрозольных частиц в окружающем воздушном пространстве.
окружающем воздушном пространстве.
ГЛАВА 3.2 Инактивация вирусов при процессах барботажа, ГЛАВА 3.2 Инактивация вирусов при процессах барботажа, применяемых для персонального мониторинга биоаэрозолей применяемых для персонального мониторинга биоаэрозолей Так как барботаж через пористую среду, погруженную в жидкость, был Так как барботаж через пористую среду, погруженную в жидкость, был применён для отбора микроорганизмов, инактивация исследуемых вирусов в применён для отбора микроорганизмов, инактивация исследуемых вирусов в Выживаемость, % процессе барботажа является ключевым вопросом, в целом влияющим на возможность использования персонального пробоотборника для таких микроорганизмов. Четыре распространенных вируса, вызывающих инфекции передаваемые аэрозольным путём, включая эпидемический паротит (Mumps), корь (Measles), грипп (Influenza) и осповакцину (Vaccinia) использовались для тестов.
Сорбирующая жидкость состояла из раствора Хэнкса, содержащего 2% объемных инактивированной бычьей сыворотки, 100 ед./мл пенициллина и 100 мкг/мл стрептомицина. Во избежание избыточного пенообразования, в сорбирующие среды добавляли пеногаситель Antifoam A (Sigma Chemical Company, St Louis). Пятьдесят миллилитров свежеприготовленной концентрированной суспензии каждого вируса помещали в пробоотборник.
Все пробоотборники, загруженные вирусной суспензией, работали непрерывно, просасывая воздух, отфильтрованный HEPA-фильтрами при л/мин (стандартный объём потока пробоотбора) в течение четырех часов. Из каждого пробоотборника брали 1 миллилитр суспензии после 0, 1, 2 и 4 часов работы Концентрации вируса в сорбирующих жидкостях показаны в Таблице 10. Как хорошо видно из результатов, уровень инактивации всех чувствительных к стрессу вирусов (грипп, эпидемический паротит и корь), был сравнительно высоким во время барботажа через стерилизованную воду и превышал 2,5 log после 4 часов работы устройства. Устойчивый вирус осповакцины не подвергался заметной инактивации на протяжении всего периода эксперимента. Однако, выживаемость вирусов существенно повышалась при использовании альтернативных жидкостей. Жидкость для поддержания вируса позволяла оптимизировать данный параметр более чем на 1,2 log для всех чувствительных к стрессу микроорганизмов. В этой связи, она рекомендуется для использования как наиболее пригодная для процедуры отбора вируса.
Таблица 10. Инактивация вирусов при барботаже Биологическая активность вируса в пробоотборнике в зависимости от времени барботажа, часы Вирус Параметр 0 1 2 Корь1 6.40.4 5.10.5 4.70.4 4.20.Корь2 6.30,5 5.80.4 5,60.4 4.90.Паротит1 5.70.4 4.50.5 4.10.6 3.40.log10 БОЕ/мл Паротит2 5.60.3 5.20.5 5.00.5 4.60.Осповакцина1 4.20.1 4.10.2 3.90.1 3.30.Осповакцина2 4.00.2 4.10.1 4.00.1 3.70.Грипп1 5.90.4 4.50.3 4.00.4 3.70.log10 ЭИД50/мл Грипп2 6.10.4 5.90.4 5.70.5 5.50.1- сорбирующая жидкость вода; 2 - Раствор Хэнкса с добавками.
ГЛАВА 3.3 Мониторинг жизнеспособных взвешенных вирусов Далее метод был апробирован в лабораторных условиях для мониторинга жизнеспособных вирусов. Образцы биоаэрозоля, после отбора из аэрозольной камеры, были проанализированы для определения эффективности улавливания и выживаемости исследуемых вирусов. Штаммы гриппа и осповакцины, представляющие собой, соответственно, чувствительный к стрессу и устойчивый микроорганизмы были выбраны для экспериментов. Вирусы распылялись с помощью небулайзера и подавались в аэрозольную камеру. Для экспериментов использовалась динамическая камера размером 400 литров, со скоростью потока аэрозоля 0,1 м/с.
Два одинаковых пробоотборника наполнялись раствором Хэнкса с добавками, помещались в камеру и работали параллельно при 4 л/мин в течение 5 минут. Оценочные тесты показали, что каждая капля, произведённая небулайзером, могла нести более одного вируса. Такое распыление реалистично воссоздает естественную окружающую среду, где вирусные биоаэрозоли обычно перемещаются в виде агломератов или находятся на поверхности других частиц. Для получения информации о количестве вирусного материала, собранного с помощью пробоотборника, в исходную суспензию в небулайзере добавляли флуоресцентную метку.
Интенсивность флуоресценции измеряли в единицах флуоресценции (ЕФ), и устанавливали соотношение между интенсивностью флуоресценции и количеством микроорганизмов на мл исходной суспензии (бляшкообразующая единица, БОЕ). По окончании пробоотбора аэрозоля, жидкость из пробоотборника анализировали, определяя интенсивность флуоресценции и концентрацию вируса.
Выживаемость вируса при пробоотборе рассчитывали следующим образом:
БОЕ ЕФ сорбирующая жидкости RR = (18) БОЕ ЕФ исходнаясуспензия Выживаемость вируса гриппа определяли аналогично, только БОЕ заменяли на ЭИД50 (в связи с использованием методики заражения куриного эмбриона для вируса гриппа). Результаты пробоотбора Таблица 11 Уровень улавливания вирусов гриппа и осповакцины Интенс. Флюор. Конц. вируса Выживаемость Вирус (ЕФ) (ЭИД50 мл-1) (%) Проб. 1 8 31 Проб. 2 6 50 Грипп Среднее Проб. 1 21 47 Проб. 2 6 15 Осповакцина Среднее представлены в Таблице 11. Для чувствительного к стрессу вируса гриппа средний уровень выживаемости при пробоотборе составил 20%. Как и ожидалось, устойчивый вирус осповакцины показал намного более высокий уровень выживаемости со средней величиной 89%. В целом, было подтверждено, что новый метод пробоотбора пригоден для обнаружения и подсчета, переносимых по воздуху вирусов, особенно устойчивых к стрессу.
ГЛАВА 3.4 Мониторинг жизнеспособного вируса атипичной пневмонии (SARS) в окружающем воздухе Обеспокоенность в мире по поводу вируса атипичной пневмонии (см. Рис 34) диктует необходимость разработки надежных методов мониторинга этого высокопатогенного микроорганизма. Было обнаружено, что вирус атипичной пневмонии представляет собой коронавирус, который, как большинство коронавирусов, очень чувствителен к физическому и биологическому стрессам.. Было решено испытать новую методику для мониторинга жизнеспособного переносимого по воздуху вируса атипичной Рисунок 34 Вирус пневмонии.
атипичной пневмонии Результаты трёх серий экспериментов по выживаемости вируса при барботаже показаны в Таблице 12. Учитывая очень чувствительную к стрессу природу данного вируса, полученные Таблица 12 Инактивация вируса атипичной пневмонии Исходная Концентрация Концентрация после 2 Концентрация после (lg ЭИД50/мл) часов, (lg ЭИД50/мл) часов, (lg ЭИД50/мл) Номер Стерильная Раствор Стерильная Раствор Стерильная Раствор вода Хэнкса вода Хэнкса вода Хэнкса 1 4,25 0,50 4,00 0,50 3,00 0,25 3,50 0,25 1,75 0,25 2,25 0,2 4,50 0,75 4,25 0,75 3,25 0,25 3,50 0,50 1,50 0,50 2,50 0,3 4,25 0,75 4,25 0,75 3,00 0,50 3,25 0,75 2,00 0,50 2,50 0,Сред. 4,33 0,67 4,17 0,67 3,08 0,33 3,42 0,50 1,75 0,42 2,41 0,результаты показывают, что устройство, наполненное раствором Хэнкса, может обеспечить сравнительно низкий уровень разрушения микроорганизмов и может применяться для мониторинга Концентрация SARS подобных микроорганизмов в Выживаемость SARS воздушной окружающей среде.
Результаты теоретической оценки эффективности улавливания представлены на Рис. 35. Второй график на Рис. 35 представляет зависимые от времени результаты по естественному разрушению вируса атипичной Время, часы пневмонии во время барботажа Рис. 35 Выживаемость вируса SARS через жидкость. Как видно на при пробоотборе Выживаемость вируса, % ЭИД /мл Концентрация вируса SARS, рисунке, теоретический уровень улавливания вируса атипичной пневмонии был выше 75% в течение первых 30 минут мониторинга. Эта цифра представляется очень многообещающей с точки зрения использования нового устройства для коротких периодов пробоотбора такого микроорганизма. Он уменьшается лишь на 20% в течение следующих минут и остается выше 55% в течение первого часа мониторинга.
ГЛАВА 3.5 Длительный 14000 140отбор жизнеспособных переносимых по воздуху Viral content of the collection liquid Концентрация вируса в 12000 120Fluorescence content of the collection liquid Флюоресценция вирусов Данное исследование 10000 100проводили для оценки пригодности прототипа пробоотборника для 8000 80длительного отбора (до часов) с использованием 6000 60устойчивого вируса осповакцины в качестве тест4000 40аэрозоля. На Рис. представлена интенсивность 2000 2000 флуоресценции и содержание вируса в сорбирующей жидкости в зависимости от 0 0 1 2 3 4 5 6 времени пробоотбора. Обе Sampling Time, hours Время пробоотбора, часы функции обнаруживают Рис. 36 Концентрация вирусов и величина близость к линейному флюоресценции в улавливающей жидкости тренду. Постоянный уровень накопления вирусов в сорбирующей жидкости в течение 6 часов показывает, что отбор биоаэрозолей с помощью предлагаемой методики имеет устойчивый характер, подтверждая хороший потенциал для её использования для длительного пробоотбора переносимых по воздуху вирусов.
Данные, представленные на Рис.
137, показывают, что выживание вируса 1осповакцины в пробоотборнике 1достигало приблизительно 90% за время шестичасовой работы. Различие между пробоотборниками не превышало 20% для всех тестов.
Некоторое снижение уровня 0 1 2 3 4 5 6 выживаемости к концу эксперимента Sampling Time, hours Время отбора пробы, часы не является статистически значимым Рис. 37 Выживаемость вируса оспа (p>0,05), как проверено с помощью вакцины при долговременном теста ANOVA. 10% снижение уровня мониторинге улавливания вируса за 6 часов Viral Content, PFU/mL Fluorescence Intensity, FU/mL Концентрация вируса, БОЕ \ мл Интенсивность флюоресценции ЕФ \ мл Relative Recovery Rate, % Выживаемость вируса, % действительно очень невелико. Уровни выживания осповакцины в барботёре, полученные в данном исследовании, сравнимы с уровнями, найденными для устойчивых к стрессу бактерий и штаммов грибов, которые также измерялись с помощью данного пробоотборника в течение длительных периодов пробоотбора.
ГЛАВА 3.6 Быстрое обнаружение переносимых по воздуху вирусов с помощью персонального пробоотборника биоаэрозоля работающего в комбинации с устройством ПЦР Данное исследование имело целью изучить возможность применения метода ПЦР, в комбинации с пробоотборником, для быстрого получения качественных результатов в целом о присутствии отдельного микроорганизма в воздухе. Преимущество M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 M такой методики состоит в том, что если присутствие конкретного штамма в воздухе быстро обнаруживается с помощью ПЦР, остальную Bp сорбирующую жидкость 6можно анализировать далее, 5чтобы определить количество 43живых микроорганизмов в Рис. 38 Результаты ПЦР-обнаружения. 1 - общем количестве ДНК/РНК.
эксп.1a (пробоотб. 1); 2 - эксп.1b (пробоотб. 2); 3 - Два пробоотборника эксп. 2a (пробоотб. 1); 4 - эксп. 2b (пробоотб. 2); 5 - работали в параллели в эксп. 3a (пробоотб.1); 6 - эксп.3b (пробоотб. 2); 7 - течении 5 минут внутри эксп. 4a (пробоотб. 2); 8 - эксп. 4b (пробоотб. 1); 9 - аэрозольной камеры при ПЦР с ДНК вируса оспокакцины (положит.
расходе потока пробоотбора контроль); 10 - ПЦР без ДНК вируса оспокакцины (отриц. контроль); M - маркеры молекудярного веса.
4 л/мин. Для определения нижнего предела измерения, было необходимо варьировать концентрацию вирусных частиц в аэрозольной камере. Учитывая, что расход воздушного потока, подаваемого в камеру, должен был быть постоянен для соблюдения условия равномерности его распределения, единственным путём для изменения концентрации вирусов в газоносителе было разведение исходной вирусной суспензии в небулайзере. Данный подход, обеспечивал снижение количества вирусных частиц, переносимых одним и тем же количеством капель. Помимо исходной суспензии с концентрацией вируса 2104 БОЕ/мл, также использовали три разведения (1:10, 1:100 и 1:1000). Результаты измерений количества живого вируса показаны в Табл. 13. Для наиболее разведенных исходных суспензий были получены нулевые концентрации, означающие, что соответствующие количества вирусных частиц в воздухе были ниже пределов обнаружения, как для физических (спектрофотометр), так и биологических (анализ бляшек) процедур. С другой стороны, были идентифицированы переносимые по воздуху вирусы, генерированные из суспензии, разведенной 1:10 и из неразбавленной суспензии.
Таблица 13 Концентрация вируса в сорбирующей жидкости Уровень Концентрация вируса Флуоресценция, (ЕФ/мл) разведения в сорбирующей (Исходная Эксперим Сорбирующая жидкости, (БОЕ/мл) концентра ент # Суспензия, жидкость ция: 21102 Пробоотбо Пробоотбо Пробоотбо Пробоотбо ЕФ/мл) рник 1 рник 2 рник 1 рник 1a 0 0 0 1:1000 1.1b 0 0 0 2a 0 0 0 1:100 17.2b 0 0 0 3a 91 107 9 1:10 166.3b 135 108 14 11.1 4a 1540 1500 1340 142 1Результаты полученные с помощью метода ПЦР для сорбирующих жидкостей показаны на Рис 38. Можно видеть, что различимый сигнал был получен для экспериментов с вирусными суспензиями, разбавленными 1:10.
Кроме того, сигнал был очень сильным и резким для неразбавленной суспензии. Для экспериментов с 1200двумя наиболее разведенными 1000исходными суспензиями был 800получен нулевой сигнал. Данные результаты показывают, что 600концентрация переносимого по 400воздуху вируса, полученная из 200исходной суспензии, разведенной 1:10, были близки к наименьшим 0 5 10 15 измеряемым при периоде Collection time, min Время отбора пробы, мин пробоотбора 5 минут. Подобное Рис. 39 Минимальная концентрация предположение позволяет оценить вируса определяемая предлагаемой минимальное обнаруживаемое методикой количество переносимого по воздуху биологического материала в течение определенного периода пробоотбора, так как зависимое от времени накопление вирусного материала в сорбирующей жидкости повышает возможность обнаружения менее концентрированных биоаэрозолей во время длительных периодов пробоотбора. Результаты соответствующих расчетов минимально измеряемых концентраций биоаэрозоля в течение периодов пробоотбора от до 20 минут представлены на Рис. 39. Концентрация 125103 БОЕ/м3 воздуха была обнаружена при коротком периоде пробоотбора 1 мин. Для обнаружения более низких концентрации жизнеспособных переносимых по воздуху вирусов, период пробоотбора должен был быть увеличен для накопления вирионов в сорбирующей жидкости и их обнаружении ПЦРом.
in the Air, PFU/m воздухе, БОЕ\м Microbial Concentration Концентрация вируса в ГЛАВА 3.7 Использование персонального пробоотборника биоаэрозоля в сочетании с методикой ПЦР реального времени для быстрого обнаружения переносимых по воздуху микроорганизмов Целью данного исследования было изучение возможности быстрого обнаружения вирусов с помощью персонального пробоотборника в сочетании с ПЦР реального времени. Особое внимание уделялось анализу потенциального ослабления и перекрестной реакции результатов ПЦР во время анализа образцов воздуха, содержащих повышенную концентрацию других микроорганизмов. Для проведения экспериментов, орошающую жидкость в персональных пробоотборниках сначала контаминировали путем смешивания с разнообразными микроорганизмами (бактерии и грибы), которые обычно имеются в природном окружающем воздухе. После контаминирования жидкость помещали в пробоотборники, а затем устройства использовали для отбора переносимого по воздуху вируса гриппа в лабораторных условиях. После отбора пробы, анализ ПЦР реального времени использовали для определения общего количества вирусных частиц в контаминированной смеси, содержащей как физические, так и биологические частицы. Параллельно определяли количество инфекционных вирусных частиц, как в исходной суспензии, так и в сорбирующих жидкостях с использованием анализа инфицирования-гемагглютинации для оценки выживания вируса и эффективности процедуры пробоотбора.
В Таблице 14 приведены результаты, иллюстрирующие количество микроорганизмов, находящихся в сорбирующей жидкости на момент начала подачи вируса для одной представительной серии экспериментов.
Таблица 14 Фоновые концентрации в поддерживающих средах Поддерживаю Поддерживаю Поддерживаю Поддержива щие среды Сорбирую Чистые щие среды + щие среды + ющие среды после 4 часов щая поддержива суспензия бактериальна + суспензия пробоотбора жидкость ющие среды грибов я суспензия грибов уличного и бактерий воздуха Концентрац Бактерии: 0 Бактерии: 315 Бактерии: 0 Бактерии: 272 Бактерии: ия примесей Грибы: 0 Грибы: 0 Грибы: 243 Грибы: 166 Грибы: (КОЕ/мл) Результаты выделения РНК вируса гриппа в сорбирующей жидкости, полученные с помощью анализа на основе ОТ-ПЦР реального времени, показаны в Таблице 15. Хорошая корреляция между измеренными и рассчитанными концентрациями вирусных частиц/геномных копий была достигнута для стандартов, использовавшихся в данной серии экспериментов; наибольшее расхождение составляло 6,3%.
На Рис. 40 показаны результаты измерения количества вирионов гриппа методом инфицирования-гемагглютинации десятикратных разведений исходной суспензии для всех типов сорбирующей жидкости.
Хорошо видно, что количества живых вирусных частиц во всех сорбирующих жидкостях различаются незначительно, что демонстрирует Таблица 15. Результаты анализа ПЦР в реальном времени No. Название Тип Цикл Введенная Посчитанная % Вар 1 X10000 Стандарт 38,74 100 103 3,10% 2 X100 Стандарт 32,51 10000 9371 6,30% 3 Начальный Стандарт 25,53 1000000 1052949 5,30% 4 Чистая Образец 35,43 1094,5 Улица Образец 35,49 1052,6 Бактерия Образец 35,65 929,7 Грибы Образец 35,64 942,8 Бакт+Грибы Образец 35.38 1148,9 Отриц Жидкость 0,10 Отриц Жидкость 0,11 Отриц Жидкость 0,12 Отриц Жидкость 0,удовлетворительную сходимость и высокую воспроизводимость результатов при работе устройств.
Уровни выживаемости вируса при пробоотборе приведены на вставке графика. Наиболее низкий уровень выживаемости (22,8%) был получен для пробоотборника, предварительно контаминированного смесью грибов, тогда как наиболее высокий (33,1%) результат был показан для сорбирующих сред, содержащих бактерии и грибы. Данные величины выживаемости немного превосходят представленные ранее результаты (~20%), полученные для мониторинга чувствительного к стрессу штамма гриппа (A/Aichi/2/(H3N2)). Приведённые Initial suspension Суспензия из небулайзера планки погрешностей 1.00E+Pure Чистая жидкость представляют собой средне Outdoor Улица квадратичные отклонения, Bacteria Бактерии Fungi для всех 11 серий Грибы Bact+Fungi Бактерии + экспериментов.
Устройство ПЦР 1.00E+03 реального времени было успешно применено для замера респираторного вируса гриппа. Условия мониторинга были максимально приближены к 1.00E+реальным, что достигалось 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+путем добавления в Viable virus PFU/0.1ml сорбирующие жидкости в Живой вирус,TCID50/0.1mL Viable virus,, ЭИД50\0.1мл (100L) пробоотборниках распространенных в Рис. 40 Выживаемость вируса при окружающей среде мониторинге бактерий и грибов (или их попадания естественным путем из окружающего воздуха). Эксперименты полностью подтвердили возможность использования ПЦР реального времени -(1 Virus Re мость, % Выживае covery, % Total number of viruses, (0.1ml) -Общее количество вируса, (0.1мл) для селективного определения целевого микроорганизма в воздушном пространстве, даже в случаях наличия высоких фоновых концентраций биологических и минеральных частиц. Среднее время, необходимое для выявления вирусов, составляло 2,5 часа (среднее значение 11-ти серий экспериментов). Необходимо также отметить, что время определения сокращается до 2 часов в случаях выявления ДНК-содержащих вирусов, так как 30-минутный этап ОТ в этих случаях не требуется.
ГЛАВА 3.8 Полевые испытания пробоотборника Для оценки возможности использования метода в реальных условиях эксплуатации, нами были проведены замеры 1. MВ маркер 1 2 3 4 5 6 7 респираторного вируса 2. Пациент 3. Пациент эпидемического паротита, 4. Пробоотборник выделяемого в окружающее 5. Пробоотборник воздушное пространство 6. Негативный 7. Позитивный больным, страдающим данным 8. MВ маркер заболеванием. Замеры проводились в инфекционном отделении больницы г.
Новосибирска.
Рис. 41 Результаты определения вируса Два персональных паротита в воздухе в инфекционном пробоотборника размещались отделении больницы при помощи ПЦР.
на защитный халат медсестры, которая затем занималась обычной деятельностью общей продолжительностью 3 часа. Замеры проводились в палате с одним больным с ярко выраженными симптомами эпидемического паротита. Ежечасно, из каждого пробоотборника отбирались образцы сорбирующей жидкости (2 мл) для определения количества живых вирусов методом титрования и общего количества вирусного материала методом ПЦР.
Результат обнаружения вирусного материала устройством ПЦР показан на Рис. 41. Можно видеть, что очень четкие линии получены для обоих персональных пробоотборников и образцов, отобранных из горла пациента.
Было рассчитано соответствующее общее количество вирусных частиц, собранных с помощью пробоотборника, а также средняя концентрация вируса в воздухе во время соответствующего периода пробоотбора.
Результаты замеров приводятся в Таблице 16.
Таблица 16 Мониторинг вируса эпидемического паротита.
Общее количество Средняя концентрация Период вирусных времени отобранных вируса в воздухе (БОЕ/м3) частиц, (БОЕ) 1 час 1000 412 часа 2500 523 часа 4000 55 Все устройства продемонстрировали очень близкие результаты измерений, с различием, не превышающим погрешности аналитических методик, использованных для последующего микробиологического анализа образцов сорбирующей жидкости. Две последующих серии испытаний, показали похожие результаты по мониторингу вируса кори, подтверждая способность метода проводить обнаружение респираторных вирусов.
ГЛАВА 3.9 Оценка возможностей использования пробоотборника при отборе проб вируссодержащих аэрозолей в условиях открытой атмосферы и в закрытых помещениях.
В этой части диссертации производятся оценки возможностей использования пробоотборника при отборе проб вируссодержащих аэрозолей в условиях открытой атмосферы и в закрытых помещениях. Была разработана математическая модель оценки количества уловленного вируса с учётом его инактивации в процессе барботажа:
T Cmes = C(t) exp[-(T - t) ] d t, (19) [1- exp(-T )] где Сmes - непрерывный аналог оценки измеренной счетной концентрации вируссодержащих аэрозолей, С(t) - счетная концентрация вируссодержащих частиц в воздухе, T - суммарное время отбора пробы, - время уменьшения активности вируса в е 2.72 раза и t - заданное время на интервале пробоотбора. Далее, для оценки концентрации вирусов на расстояниях от источников были использованы модели, оценивающие этот параметр на основе уравнений турбулентной диффузии.
С C C C C - Vs + U + U + U = x y z t z x y z (20) C C C = Kx + K + Kz + Q - С, y x x y y z z где C - математическое ожидание концентрации частиц; Vs - скорость седиментации частиц; U, U, U - математические ожидания x y z компонент скорости ветра; K, K, K - компоненты тензора коэффициентов x y z турбулентной диффузии; Q - член, описывающий источники вируссодержащих аэрозолей; - константа инактивации вирусных частиц при витании их в воздухе. Уравнение (20) решалось конечно-разностными методами с использованием процедуры расщепления по физическим процессам и пространственным переменным.
Расчёты по данным моделям позволили получить результаты оценки возможности мониторинга биоаэрозолей для открытой атмосферы и внутри помещений. Для примера был рассмотрен гипотетический эпизод, связанный с проведением митинга в сквере на центральной площади г. Новосибирска, см. Рис. 42. Территория, на которой находилось скопление людей, выделена на рисунке пунктиром. В расчетах был задан юго-западный ветер со скоростью 2 м/с на высоте z = 5 м. Согласно легенде, во время проведения митинга террористами было произведено скрытое применение препарата с возбудителем особо опасной вирусной инфекции в аэрозольной форме.
y, m 6N 5 4Рисунок 42 Схема расчетного шаблона с изолиниями математического ожидания измеренной концентрации вируссодержащих аэрозолей, 2вычисленными по формуле (3.21) ) для высоты z = 1.5м. Цифрам 1-соответствуют значения концентрации: 2.5107, 5106, 5105, 5104, 51шт./м 1 0 200 400 600 800 10x, m Рисунок 42 Схема расчетного шаблона с изолиниями математического ожидания измеренной концентрации вируссодержащих аэрозолей для высоты z = 1.5м. Цифрам 1-5 соответствуют значения концентраций:
шт./м3.
Сmes = 2.5107, 5106, 5105, 5104, 51Машина с источником аэрозолей проезжала по центральной улице города, пересекающей площадь, со скоростью 18 км/час (сплошная линия со стрелкой на рисунке). Протяженность линии распыла составила 250 м. Всего в атмосферу вдоль линии распыла на высоте 2 м от подстилающей поверхности было выброшено 100 г препарата с концентрацией вирусных частиц 108 шт./г. Продолжительность распыла составляла 40 секунд, что много меньше продолжительности митинга. Расчеты проводились на разностном шаблоне 51x35x50 узлов с шагом 20 м по горизонтали и 1.5 м по вертикали соответственно. В рассматриваемом случае, минимальная 4,2 1определяемая концентрация аэрозолей была определена на уровне шт./м3, поэтому все измерения, сделанные с помощью пробоотборника в пределах области очерченной штриховой линией, можно считать достоверными.
Похожие результаты были получены для расчетов проведённых для закрытых помещений. Для примера был использован крупный торговый центр с известной геометрией. Результаты расчётов показали полную пригодность пробоотборника для подобных измерений и подтвердили надёжность и достоверность полученных результатов.
Проведенные модельные расчеты показывают, что применение персонального пробоотборника в условиях открытой атмосферы и внутри помещений способно обеспечить обнаружение вируссодержащих аэрозолей и позволяет сделать достоверные оценки их счетной концентрации, усредненные на интервале отбора проб.
ВЫВОДЫ 1. Теоретически обосновано, математически просчитано и подтверждено экспериментально, что смачиваемые волокнистые фильтры могут быть использованы для фильтрации широкого спектра аэрозолей, включая вязкие частицы. Это позволило апробировать технологию в областях, где исторически, в силу быстрой забивки фильтрующих материалов, использовались малоэффективные и высоконапорные орошаемые скруббера, в большинстве случаев неспособные обеспечить необходимые уровни очистки воздуха.
Х Были теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены результаты, позволяющие оценить максимально возможные количества загрязнителей, которые способен уловить фильтр с конкретной геометрией и при определённых расходах орошающей жидкости.
Х Разработаны и экспериментально подтверждены модели на микро и макро уровнях, оценивающие количества орошающей жидкости, испаряемые с поверхности фильтров, необходимые для оценки параметров процесса на стадиях его разработки и внедрения.
Х Разработана методика оптимизации работы промышленных фильтров, позволяющая математически оптимизировать процесс и сделать его более простым в эксплуатации в реальных условиях Х Разработаны модели процессов взаимодействия волокнистых фильтров и улавливаемых частиц, и проведена оценка эффективности отскока частиц с разной морфологией.
2. Было показано, что волокнистые фильтры могут использоваться в комбинации с орошаемыми скрубберами, путем их погружения в жидкость на тепло-массообменных тарелках. Такие комбинированные устройства способны достигать высокой эффективности параллельной очистки аэрозольных и газовых воздушных загрязнителей и не требуют дополнительных технологических стадии, являясь компактными устройствами, что особенно важно в местах с ограниченными возможностями по использованию дополнительных площадей.
Х Проведены теоретические и экспериментальные оценки широкого круга параметров процесса, позволяющие сделать выводы о широких возможностях новой технологии и её высокой эффективности, простоте и дешевизне изготовления и использования.
Х Разработана и успешно применена высокотехнологическая методика исследования, основанная на использовании ЯМР в динамических условиях течения многофазных потоков в пористых средах.
Данная методика уже нашла своё дальнейшее применение в различных областях науки и техники, например, в области нефтедобычи.
Х Был разработан ряд теоретических моделей, позволяющих строго описать динамику процесса и применить результаты для оценки его эффективности в области очистки газовых потоков.
Х Проведены теоретические и экспериментальные оценки по возможности использования технологии при её орошении альтернативными жидкостями, например маслами. Результаты позволяют утверждать, что новых метод соответствует необходимым техническим условиям и способен эффективно работать на данных орошающих жидкостях.
3. Разработана и успешно внедрена революционная методика мониторинга биоаэрозольных частиц в окружающем воздухе. Помимо стандартных бактериальных и грибковых аэрозолей, определяемых широким кругом существующих биоаэрозольных мониторов, новая методика позволяет определять также и вирусные частицы, которые являются наиболее опасными микроорганизмами для людей и животных. Технология позволяет быстро и надёжно определять наличие в воздухе любых биологических загрязнителей, что особенно важно для своевременного принятия санитарных и эвакуационных мероприятий.
Х Проведены теоретические обоснования и эксперименты позволяющие утверждать, что новая технология способна точно и надёжно измерять традиционные бактериальные и грибковые аэрозоли с эффективностью, как минимум, в два раза выше лучших мировых аналогов.
Х Проведены исследования и получены результаты подтверждающие способность нового метода эффективно измерять наличие и концентрацию вирусных аэрозольных частиц. Данные результаты революционны, так как ни одна другая методика до сих пор не была верифицирована для измерений живых вирусов в воздухе.
Х Теоретически и экспериментально определены пределы измерений концентраций биоаэрозолей, выживаемость различных микробов в условиях мониторинга, оптимальные параметры мониторинга и другие характеристики, необходимые пользователям при использовании методики.
Х Методика была апробирована в комбинации с технологией полимеразной цепной реакции (ПЦР) и получены уникальные результаты позволяющие определять наличие в воздухе патогенных штаммов в течении 1,5-2 часов после их появления (в настоящее время, процедура требует 1-5 дней).
Х Время определения было ещё более сжато, путём применения метода ПЦР реального времени.
Х Разработаны модели, позволяющие строго оценить результаты измерения. Данные модели могут также быть использованы для оптимизации точек/маршрутов мониторинга для максимально возможного охвата больших площадей измерений внутри помещений и на открытом воздухе.
Х Проведённые полевые испытания позволили впервые получить надёжные результаты по наличию вируса в воздушных пространствах больниц и сельскохозяйственных построек.
Цитированная литература Agranovski, I.E. 1995. Filtration of ultra-small particles on fibrous filters. PhD Thesis. Griffith University, Brisbane, Australia.
Agranovski, I. and Braddock, R. 1998. AJChE Journal. 44: 2775-2783.
Agranovski, I. and Braddock, R. 1998. AJChE Journal. 44: 2784-2791.
Agranovski, I. and Shapiro, M. 2001. J.Aerosol Sci. 32: 1009 - 1020.
Agranovski, I. and Shapiro, M. 2001. Chem. Eng. Tech. 24 (4): 387 - 391.
Agranovski et. al. 2002. Chem. Eng. Journal. 89: 229 - 238.
Agranovski et. al. 2002. Atmos. Environ. 36(5): 889-898.
Agranovski et. al. Appl. Env. Microbiology, 70: 6963 - 6967.
Аграновский, И.Е.и др. 2004. Оптика Атмосферы и Океана. 17: 483 - 487.
Agranovski et. al. 2005. Aerosol Sci. Tech. 39: 912Ц918.
Agranovski et. al. 2005. J. Aerosol Sci. 36(5-6): 609-617.
Agranovski et. al. 2006. Physica C. 434: 115Ц120.
Altman I. S., Agranovski I. E., Choi M. 2004. Phys. Rev. E 70: 062603.
Altman I. S., Agranovski I. E., Choi M. 2004. Appl. Phys. Lett. 84: 5130-51Borodulin et. al. 2006. Atmos. Envir. 40: 6687-6695.
Brown, R. C. 1993. Air Filtration: An integrated approach to the theory and applications of fibrous filters. Oxford, Pergamon Press.
Clarke, A. G. 1998. Industrial Air Pollution Monitoring. Chapman & Hall, London.
Fuchs, N. A. 1964. The Mechanics of Aerosols. Pergamon Press, Oxford, UK.
Kirsch, A. and Stechkina. 1978. The theory of aerosol filtration with fibrous filters.
In Fundamentals of Aerosol Science. (Edited by D.T. Shaw), Wiley, New York.
Марчук Г.И. 1982. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука.
Монин А.С., Яглом А.М. 1965. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. М.: Наука. Ч. 1.
Mullins, B., Agranovski, I., Braddock, R., Chi, M. 2004. Colloid Int. Sci. 269: 4Ц 458.
Пененко В.В., Алоян А.Е. 1985. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука.
Rota et. al. 2003. Science 300 (5624), 1394-13Willeke, K., X. Lin, and S.A. Grinshpun. 1998. Aerosol Sci. Technol. 28: 439-456.
Список основных журнальных публикаций по теме диссертации Agranovski, I. and Braddock, R. 1998. Filtration of mists on wettable fibrous filters.
AJChE Journal. 44: 2775-2783.
Agranovski, I. and Braddock, R. 1998. Filtration of mists on nonwettable fibrous filters. AJChE Journal. 44: 2784-2791.
Agranovski, I., Myojo, T. and Braddock, R. 1998. Bubble filtering through porous media. J. Aerosol. Sci. 29: S1075.
Agranovski, I., Braddock, R., Crozier, S., Whittaker, A., Minty, S. and Myojo, T.
1999. Magnetic resonance imaging of gas flows in wet porous filters involved in aerosol removal processes. J. Aerosol Sci. 30: S543.
Agranovski, I., Myojo, T. and Braddock, R. 1999. Removal of ultra-small particles by bubbling. Aerosol Sci. Techn. 31: 249-257.
Agranovski, I., Braddock, R and Kristensen, N. 2000. Model for the flow of air through the wet fibre. J. Aerosol Sci. 31: S688.
Agranovski, I. and Whitcombe, J. 2000. Optimisation of Venturi scrubber for the removal of aerosol particles. J. Aerosol Sci. 31: S164.
Agranovski, I. and Whitcombe, J. 2000. Utilisation of wet fibrous media for filtration of sticky aerosol particles. J. Aerosol Sci. 31: S204.
Agranovski, I. 2000. New technique for monitoring of aerosol mass concentration.
J. Aerosol Sci. 31: S783.
Agranovski, I., Braddock, R., Kristensen, N., Crozier, S., and Myojo, T. 2000.
Study of the gas flow in porous media in liquid layer. J. Aerosol Sci. 31: S454.
Agranovski, I., Myojo, T. and Braddock, R. 2001. Comparative study of the performance of nine filters utilized in filtration of aerosols by bubbling. Aerosol Sci. Tech. 35, 852-859.
Agranovski, I., Braddock, R., Jarvis, D. and Myojo, T. 2001. Combined Wettable/Nonwettable Filter for Mist Purification. Chem. Eng. Tech. 24(3):
287-292.
Agranovski, I. and Shapiro, M. 2001. Clogging of Wet Filters by Dust Particles.
J.Aerosol Sci. 32: 1009 - 1020.
Agranovski, I. and Shapiro, M. 2001. Clogging of Wet Filters as a Result of Drying. Chem. Eng. Tech. 24 (4): 387 - 391.
Agranovski, I., Agranovski, V., Grinshpun, S., Reponen, T. and Willeke, K. 2001.
New Personal Sampler for Airborne Microorganisms. J.Aerosol Sci. 32: S341.
Agranovski, I. and Whitcombe, J. 2001. Case Study on the Practical Use of Wettable Filters in the Removal of Sub-Micron Particles. Chem. Eng. Tech. (5): 513-517.
Agranovski, I. and Shapiro. M. 2001. Removal of Solid Aerosol Particles on Irrigated Filters. J.Aerosol Sci. 32: S1071.
Agranovski, I., Braddock, R., Kristensen, N., Crozier, S. and Myojo, T. 2001.
Model for gas-liquid flow through wet porous medium. Chem. Eng. Tech. (11): 1151-1155.
Agranovski, I., Agranovski, V., Grinshpun, S., Reponen, T. and Willeke, K. 2001.
New Method for Collection Viable Airborne Microorganisms. J. Aerosol Sci.
32: S3 Mullins, B., Braddock, R. and Agranovski, I. 2002. Modelling of NOx emission from oil refinery furnaces. Env. Mod. Asses. 7 (1): 1-Agranovski, I. and Whitcombe, J. 2002. Study of emission rates from fluidised catalytic cracker during start up operations. Oil & Gas Techn. 57(6): 665 - 670.
Agranovski, I., Agranovski, V. Grinshpun, S., Reponen, T. and Willeke, K. 2002.
Development and Evaluation of a New Personal Sampler for Viable Airborne Microorganisms. Atmos. Environ. 36(5): 889-898.
Agranovski, I., Agranovski, V. Grinshpun, S., Reponen, T. and Willeke, K. 2002.
Collection of Airborne Microorganisms into Liquid by Bubbling Through Porous Medium. Aerosol Sci. Tech. 36: 502 - 509.
Agranovski, I., Braddock, R. and Myojo, T. 2002. Removal of Aerosols by Bubbling through Porous Media Submerged in Organic Liquid. Chem. Eng. Sci.
57: 3141 - 3147.
Agranovski, I., Braddock, R., Jarvis, D. and Myojo, T. 2002. Inclined Wettable Filter for Mist Purification. Chem. Eng. Journal. 89: 229 - 238.
Whitcombe, J., Agranovski, I. and Braddock, R. 2002. Impact of Metal Ridging on the Fluidization Characteristics of FCC Catalyst. Chem. Eng. Tech. 25: 981-9Agranovski, I., Braddock, R., Crozier, S., Whittaker, A., Minty, S. and Myojo, T.
2003. Study of multiphase flow in submersed porous materials. Separ. Purif.
Technol. 30: 129-137.
Whitcombe, J., Cropp, R., Braddock, R. and Agranovski, I. 2003. Application of Sensitivity Analysis to Oil Refinery Emissions. Reliability Eng. & Sys. Safety.
79: 219-224.
Whitcombe, J., Agranovski, I. and Braddock, R. 2003. Production of Fine particles and Aerosols from FCC Catalyst due to Thermal Shock. Powder Tech. 137(3):
120-130.
Mullins, B., Agranovski, I. and Braddock, R. 2003. Particle Bounce During Filtration of Particles on Wet and Dry Filters. Aerosol Sci. Tech. 37: 587 - 600.
Altman, I., Pikhitsa, P., Choi, M., Song, H., Agranovski, I., Bostrom, T. and Jeong, J. 2003. Line Spectra from Doped Nanooxide: a New Design for Nanooptics.
Appl. Phys Letters, 83: 3689 - 3691.
Agranovski, I., Safatov, A., Borodulin, A., Petrishchenko, V., Pyankov, O., Sergeev, A., Agafonov, A., Ignatiev, G., Sergeev, A.A. and Agranovski, V.
2004. Natural Decay of Viruses in Bubbling Processes Utilized for Personal Bioaerosol Monitoring. Appl. Env. Microbiology, 70: 6963 - 6967.
Mullins, B., Braddock, R. and Agranovski, I. 2004. Particle Capture Processes and Evaporation on Microscopic Scale in Wet Filters. Coll. Int. Sci. 279: 213 - 227.
Whitcombe, J., Agranovski, I., Braddock, R., Gandola, F. and Hammond, A. 2004.
Catalyst Attrition and Fracture due to Thermal Shock in Fluidized Catalytic Cracker Units. Chem. Eng. Comm. 191: 1259 - 1274.
Agranovski, I., Moustafa, S. and Braddock, R. 2004. Comparative Performance of Fixed and Fluidized Activated Carbon Beds on Removal of Organic Vapors from Air Carrier. Chem. Eng. Tech. 27: 784 - 789.
Agranovski, I., Safatov, A., Pyankov, O., Sergeev, A., Agafonov, A., Ignatiev, G., Ryabchikova, E., Borodulin, A., Sergeev, A.A., Doerr, H, Rubenau, F. and Agranovski, V. 2004. Monitoring of Viable Airborne SARS Virus. Atm. Envir.
38: 3879 - 3884.
Altman, I., Agranovski, I. and Choi, M. 2004. On nanoparticle surface growth:
MgO nanoparticle formation during a Mg particle combustion. Appl. Phys Letters. 84(25): 5130 - 5132.
Mullins, B., Agranovski, I., Braddock, R., Chi, M. 2004. Effect of Fibre Orientation on Fibre Wetting Processes. Colloid Int. Sci. 269: 449 - 458.
И.Е. Аграновский, А.Н. Сергеев, О.В. Пьянков, В.А. Петрищенко, А.П.
Агафонов, Г.М. Игнатьев, А.И. Бородулин, А.С. Сафатов. 2004.
Tестирование нового персонального пробоотборника для обнаружения жизнеспособных вирусов в аэрозоле. Опт. Атм. и Океана 17: 483 - 487.
Altman, I., Agranovski, I. and Choi, M. 2004. Nanoparticle Generation: New Concept of Stagnation Size Region for Condensation Growth. Phys. Rev. E. (6): Art. No. 0626Altman, I., Jang, Y., Agranovski, I. and Choi, M. 2004. Stabilization of Ferrite Structure during Synthesis of Iron Nanooxides. J. Nanopart. Res. 6: 633 - 637.
Whitcombe, J., Agranovski, I. and Braddock, R. 2004. Categorization of Particulate Emissions from a Fluidized Catalytic Cracker Units. Part. Syst.
Charact. 21: 463 -472.
Agranovski, I., Moustafa, S. and Braddock, R. 2005. Performance of Activated Carbon Loaded Fibrous Filters on Simultaneous Removal of Particulate and Gaseous Pollutants. Envir. Techn. 26(7): 757 - 766.
B. Mullins, R. Braddock, Agranovski, I., R.Cropp and R. OТLeary. 2005.
Observation and Modelling of Clamshell Droplets on Vertical Fibres Subjected to Gravitational and Drag Forces. Colloid Int. Sci. 284: 245 - 254.
Altman, I., Agranovski, I. and Choi, M. 2005. On Mechanism of Nanoparticle Agglomeration during Combustion Synthesis. Appl. Phys Letters, 87: 053104.
Agranovski, I., Safatov, A., Pyankov, O., Sergeev, A., Sergeev, A. and Grinshpun, S. 2005. Long-term Personal Sampling of Viable Airborne Viruses. Aerosol Sci.
Tech. 39: 912Ц918.
Agranovski, I., Pyankov, O. and Altman, I. 2005. Bioaerosol Contamination of Ambient Air as the Result of Opening Envelopes Containing Microbial Materials. Aerosol Sci. Tech. 39: 1048Ц1055.
Agranovski, I., Safatov, A., Borodulin, A., Pyankov, O., Petrishchenko, V., Sergeev, A., Sergeev, A.A., Grinshpun, S. and Agranovski, V. 2005. New Personal Sampler for Viable Airborne Viruses: Feasibility Study. J. Aerosol Sci. (invited paper for the special Bioaerosol issue of the journal). 36: 609-617.
Iluyshechkin, A., Agranovski, I., Altman, I., Rasha, N. and Choi, M. 2005.
Distribution of MgO nanoparticles in Bi-2212/Ag tapes and their effect on the superconducting properties. Supercond. Sci. Tech. 18: 1123-1128.
Boskovic, L., Altman, I., Agranovski, I., Braddock, R., Myojo, T., and Choi, M.
2005. Influence of nanoparticle shape on filtration process. Aerosol Sci. Tech.
39: 1184Ц1190.
Agranovski, I., Huang, R., Pyankov, O., Altman, I. and Grinshpun, S. 2006.
Enhancement of the performance of low-efficiency HVAC filters due to continuous unipolar emission. Aerosol Sci. Tech.40: 963-968.
Agranovski, I., Safatov, A., Sergeev, A.A., Pyankov, O., Petrishchenko, V., Mikheev, M. and Sergeev, A.N. 2006. Rapid detection of airborne viruses by bioaerosol sampler combined with PCR device. Atmos. Envir. 40: 3924 - 3929.
Whitcombe, J., Cropp, R., Braddock, R. and Agranovski, I. 2006. The use of sensitivity analysis and generic algorithm for the management of catalyst emission from oil refineries. Math. Comp. Modeling. 44: 430 - 438.
Mullins,B., R. Braddock, Agranovski, I., R.Cropp. 2006. Observation and Modelling of Barrel Droplets on Vertical Fibres Subjected to Gravitational and Drag Forces. Colloid Int. Sci. 300: 704-712.
Borodulin, A., B. Desyatkov, N. Lapteva, A. Sergeev and I. Agranovski. 2006.
Personal Sampler for monitoring of viable viruses; Modelling of Outdoor Sampling Conditions. Atmos. Envir. 40: 6687-6695.
Agranovski, I. 2006. Personal Sampler for Viable Airborne Microorganisms;
Review of the Main Development Stages. CLEAN - Soil, Air, Water. (in press).
Бородулин А., Десятков, Б., Лаптева, Н., Аграновский,И. 2007. Оценка эффективности нового персонального пробоотборника. Сиб. Журнал Пром. Прикл. Математики. 1(29): 43 - И.Е. Аграновский, А.С. Сафатов, О.В. Пьянков, А.А. Сергеев, А.Н. Сергеев.
2007 Долговременный пробоотбор аэрозолей жизнеспособных вирусов.
Оптика Атмосферы и Океана 20(11): 1033- 1037.
Pyankov, O., Agranovski, I., Pyankova, O., Mokhonova, E., Mokhonov, V., Safatov, A. and Khromykh, A. 2007. Using Bioaerosol Personal Sampler in Combination with Real-time PCR Analysis for Rapid Detection of Airborne Viruses; Feasibility Study. Envir. Microbiology. 9: 992 - 10Shlychkov, V., Borodulin, A., Desyatkov, B. and Agranovski. I. 2007. Personal Sampler for monitoring of viable viruses; Modelling of Indoor Sampling Conditions. Aerosol Sci. Tech. 41: 169 - 178.
Boskovic, L., Agranovski, I., and Braddock, R. 2007. Filtration of nanoparticles with different shape on oil coated fibres. J. Aerosol Sci. 38(12): 1220 - 1229.
Agranovski, I. 2007. Personal Sampler for Viable Airborne Microorganisms;
Review of the Main Development Stages. CLEAN - Soil, Air, Water. 35: 111 - 117.
Бородулин А., Десятков, Б., Лаптева, Н., Аграновский,И. 2007. Оценка способности нового персонального биоаэрозольного пробоотборника для мониторинга живых вирусных частиц в открытом воздухе. Оптика Атмосферы и Океана. 6: 544-549.
Agranovski, I., Huang, R., Pyankov, O., Altman, I. and Grinshpun, S. 2008.
Unipolar ion emission in the vicinity of low efficient HVAC filter as a method to enhance its performance against viable airborne particles. Indoor Air. 18: 1- 124.