Моделирование формирования и эволюции газовых примесей и аэрозолей в атмосфере
| Вид материала | Документы |
- Доклад «Моделирование эволюции. Генетические алгоритмы», 75.42kb.
- Воробьева Ольга Владимировна Атмосфера и атмосферные явления. Тема урок, 55.05kb.
- Основные этапы эволюции институциональной структуры газовых рынков, 554.91kb.
- Доклад сделан на семинаре «Моделирование популяционных процессов», 144.03kb.
- Темы рефератов классификация промышленных газообразных отходов и методы их обезвреживания., 15.78kb.
- Шмидта Российской Академии Наук (ифз ран) по адресу; Москва 123995, ул. Большая Грузинская,, 658.55kb.
- Общность газовых планет-гигантов, 344.53kb.
- Паспорт вентиляторы осевые общего назначения, 177.89kb.
- Д. Б. Сполдинг 1 и В. И. Артёмов, 482.05kb.
- Ия некоторых примесей в отдельных водоемах и водотоках может превышать величину предельно-допустимых, 136.44kb.
Литература
1. Садовский Б.Ф. // Исследования в области фильтрации туманов волокнистыми фильтрами. (Самоочищающиеся фильтры), Диссертация на соискание уч. степени д.х.н., НИФХИ им. Л.Я.Карпова, Москва, 1973 г., 382 с.
Способность почв к самоочищению от тяжелых металлов
Н.А. Буякова, Т.К. Белокашина
Коряжемский филиал ГОУ ВПО «Поморский государственный университет
им. М.В. Ломоносова», г. Коряжма
165653, Архангельская обл., г.Коряжма, ул.Ленина,9. Е-mail: bey@atnet.ru
Важнейшим средообразующим компонентом наземных ландшафтов Земли являются почвы. Экологическое состояние почв в значительной степени зависит от их буферности. Буферность почв по отношению к внешним воздействиям в значительной степени зависит от их способности к самоочищению. Самоочищение почв представляет собой совокупность процессов, происходящих в почвах и ведущих к ослаблению или полному освобождению от токсического действия загрязняющих веществ различной природы.
Самоочищение почв от тяжелых металлов зависит от большого числа факторов, которые согласно их природе можно объединить в две группы. К первой группе относятся факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния продуктов техногенеза. Они связаны с состоянием приземной атмосферы и эффективностью развития процессов выщелачивания в почвах. Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Ко второй группе относятся факторы, определяющие закрепление в ландшафте продуктов техногенеза или их метаболитов. Данные факторы обращают внимание в основном на эффективность функционирования почвенно-геохимических барьеров (показатели рН, Eh, сорбционная емкость почвенно-поглощающего комплекса, гумусированность и минеральный состав почв).
Одной из важных в практическом отношении характеристик почвенного покрова является время полуочищения почв от загрязняющих веществ. Время полуочищения почв от опасных веществ – это время, за которое из почвы выносится половина поступивших в нее загрязняющих веществ после прекращения их поступления. Если говорить о самоочищении почв от тяжелых металлов, то однозначно какой-то цифрой охарактеризовать время их полуочищения невозможно, так как этот процесс зависит от очень большого числа сложных и противоречивых факторов. Но в некоторых источниках встречаются следующие данные. Первый период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов значительно варьируется у различных элементов и занимает весьма продолжительный период времени: для цинка - от 70 до 510 лет; кадмия от 13 до 110 лет, меди - от 310 до 1500 лет, свинца - от 770 до 5900 лет.
Однако почвы – сложнейшая природная система, просто описать поведение которой, применяя к ней по очереди различные факторы миграции химических элементов, невозможно. В этом случае сказывается влияние фактора эмерджентности – несводимости свойств системы в целом к свойствам отдельных ее частей. В настоящее время известно многое о различных свойствах почвы и свойствах входящих в ее состав химических элементов, но предсказать их поведение при том или ином изменении внешних условий практически невозможно. Таким образом, мнение А. Кабата-Пендиас о том, что загрязнение почв тяжелыми металлами является «практически вечным» можно принимать как весьма близкое к истине.
Для тяжелых металлов в принципе не существует надежных механизмов самоочищения. Тяжелые металлы накапливаются в почве, взаимодействуя с различными живыми организмами и оставляя прямые и косвенные нежелательные последствия этого взаимодействия.
Некоторые аспекты Влияния Аэрозолей
на атмосферные процессы
А.С. Гинзбург1, Д.П. Губанова2, В.М. Минашкин3, Ю.И. Обвинцев3
1Институт физики атмосферы РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 3
2НИЦ “Планета “, 123242, Москва, Большой Предтеченский пер., 7, dgubanova@mail.ru
3Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова,
105064, Москва, ул. Воронцово поле, 10, minash@cc.nifhi.ac.ru
Как известно, без учёта химических, геохимических и биогеохимических процессов в климатической системе Земли невозможно описать современные и грядущие изменения климата, а также разработать механизмы смягчения негативных последствий этих изменений. В настоящее время факт значительного влияния на климат атмосферных гетерогенных реакций с участием аэрозолей считается общепризнанным [1, 2]. Это подтверждается и результатами исследований процессов, приводящих к возникновению таких климатических явлений, как «озоновая дыра», «парниковый эффект» и «ядерная зима» [1 - 8].
Однако, как можно судить по имеющимся публикациям, при изучении физико-химии атмосферы основное внимание уделяется озону и малым газовым составляющим атмосферы, хотя одними из важнейших регуляторов атмосферных и океанических процессов являются аэрозоли различного происхождения и химического состава [1, 2]. Вызывающее метеорологические и климатические эффекты воздействие аэрозолей двояко: аэрозоли влияют на процессы переноса солнечной и тепловой радиации в атмосфере, а, следовательно, и на температурный режим климатической системы Земли (прямой эффект); аэрозольные частицы играют активную роль в процессах облако- и осадкообразования, приводящих к изменению микроструктуры облачных частиц (косвенный эффект).
Вместе с тем, на данный момент, несмотря на большое количество опубликованных научных работ, посвящённых этому вопросу, кинетические особенности атмосферных гетерогенных процессов взаимодействия малых газовых составляющих с аэрозольными частицами изучены слабо, и, как следствие, роль атмосферных аэрозолей в климатических процессах недооценивается. Данная проблема обостряется ещё и вследствие того, что природные биогеохимические циклы подвержены существенным изменениям. Это обусловлено, главным образом, возрастанием на современном этапе развития мировой экономики антропогенных выбросов химически активных газов, способствующих образованию вторичных загрязнителей, включая аэрозольные частицы и тропосферный озон [9].
Поэтому необходимо более глубокое изучение атмосферных гетерогенных химических реакций, вносящих существенных вклад в изменение климата и экологической обстановки в различных регионах, что представляет большой интерес и актуальность в свете решения задач охраны окружающей среды.
Литература
1. Кондратьев К.Я. Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. 3. Аэрозольное радиационное возмущающее действие // Оптика атмосферы и океана. – 2006. - Т. 19. № 7. - С. 565 - 575.
2. Кондратьев К.Я. Глобальный климат. –СПб.: Наука, 1992. – 358 с.
3. Столарски Р.С. Озонная дыра над Антарктикой // В мире науки. – 1988. - № 3. – С. 6-13.
4. Turco R.P., Toon O.B., Hamill P. Heterogeneous physicochemistry of the polar ozone hole // J. Geophys. Res. - 1989. – Vol. 94. - P. 16493 – 16510.
5. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. - Л.:Гидрометеоиздат,1989.-558 с.
6. Парниковые газы – глобальный экологический ресурс. / Ред. А.О. Кокорин. – М.: WWF России, 2004. – 137с.
7. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. -Л.: Гидрометеоиздат, 1997.-60 с.
8. Robock A., Oman L., and Stenchikov G.L. Nuclear winter revisited with a modern climate model and current nuclear arsenals: Still catastrophic consequences // J. Geophys. Res. – 2007. – Vol. 112. – P. D13107.
9. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. / Eds. Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. - Cambridge - New York: Cambridge University Press and NY, 2007.
СЕНСОРНЫЙ АНАЛИЗАТОР ОЗОНА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ АТМОСФЕРНОГО МОНИТОРИНГА
Жерников К.В., Беликов И.Б*., Обвинцева Л.А., Шумский Р.А*., Кучаев В.Л.,
Чибирова Ф.Х., Аветисов А.К., Еланский Н.Ф.*
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва, Воронцово поле, 10, konst5@mail.ru
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Пыжевский пер. 3.
Разработан прибор на базе полупроводниковых сенсоров для измерения малых газовых примесей в атмосфере (озон и др.). Прибор обладает высокой чувствительностью и малыми собственными шумами, что позволяет измерять концентрацию примеси с дискретностью до долей ppb (для озона). Предусмотрена возможность объединения нескольких сенсоров в сеть. В лабораторных условиях отработаны режимы продолжительных измерений микроконцентраций озона, включающие две или три стадии, соответственно, 1- измерение, контроль нулевой линии прибора, 2- измерение, контроль нулевой линии прибора, калибровка. Прибор проходил полевые испытания на станции контроля состава атмосферы ИФА РАН им. А.М Обухова на метеообсерватории МГУ и в ряде экспедиций. Летом 2008 г. в экспедиции «Тройка 12» на железнодорожном вагоне-обсерватории были проведены испытания газоанализатора с полупроводниковыми сенсорами в режиме непрерывных измерений концентрации приземного озона с периодическим контролем нулевой линии. Измерения озона проводили синхронно со спектрофотометром Dasibi 1008-RS (США). Результаты измерений озона в течение одних суток приведены на рис. Из сравнения графиков следует хорошее качественное соответствие показаний тестируемого прибора и газоанализатора Dasibi 1008-RS.
Рис. Суточный тренд концентрации озона, измеренный спектрофотометром “DASIBI 1008 AH” и сенсорным анализатором. Экспедиция «Тройка 12». 3 августа 2008 г.
Работа поддержана МНТЦ, проект 3822.
ИЗМЕРЕНИЯ В АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
И ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА
Загайнов В.А., Бирюков Ю.Г., Лушников А.А
ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 105064 Москва, Воронцово Поле, 10, zagaynov@cc.nifhi.ac.ru
Центральная проблема любых исследований аэродисперсной системы – это измерение концентрации и состава аэрозольных частиц. Несмотря на то, что эта проблема существует с момента начала исследований аэрозольных систем, и ее неоднократно пытались решать, она остается актуальной и по сей день. Из всего множества средств измерения аэрозоля в зависимости от размеров и состояния частиц можно выделить те, которые используются наиболее часто и успешно.
1. Приборы, основанные на анализе рассеяния света частицами – как системой частиц, так и отдельными частицами.
2. Приборы, основанные на анализе скорости диффузионного осаждения частиц.
3. Приборы, основанные на анализе подвижности заряженных аэрозольных частиц.
Все эти методы обладают своими достоинствами и недостатками. Анализ рассеянного частицами света не возмущает состояния исследуемых частиц, но этот анализ неоднозначен и применим лишь для частиц, которые дают регистрируемый световой сигнал. Анализ диффузионного осаждения дает информацию о частицах, диффузия которых сравнительно велика, т.е. о мелких частицах, которые не дают регистрируемого рассеяния света. При анализе электрической подвижности частиц возникает множество неопределенностей - заряженные частицы обладают определенной эффективностью зарядки, которая не для всех частиц хорошо известна. Этот метод требует измерений очень слабых токов, решение получаемой в итоге задачи обладает неустойчивостью. Определенные преимущества по сравнению с этими методами имеет диффузионный аэрозольный спектрометр (ДАС). Это устройства измеряет полную концентрацию частиц на основе регистрации отдельных частиц, попадающих в счетный объем лазерного спектрометра, по величине импульса рассеянного света определяется размер частиц. Для определения спектра размеров высокодисперсного аэрозоля, который не регистрируется оптическими методами, эти частицы пропускаются через диффузионные батареи, где они частично осаждаются на развернутой поверхности диффузионных батарей в виде, например, сеточек, и измеряется скорость их оседания на поверхности этих батарей. Чтобы измерить проскок (часть не осевшего в батареях аэрозоля) эти частицы предварительно укрупняются в конденсационных укрупнителях стандартного тумана. Чтобы преобразовать проскок через диффузионную батарею решают обратную задачу, которая сводится к решению интегрального уравнению первого рода. Как известно, эта задача также неустойчива, поэтому для ее корректного решения используют различные способы стабилизации решения. В нашем случае – это использование стандартного распределения по размерам, для параметров которого мы получаем нелинейные уравнения. Эта параметризация – вынужденная расплата за стабилизацию задачи. В результате ДАС имеет возможность воспроизводить распределения по размерам аэрозоля в диапазоне размеров от 2-3 нм до 2-3 мкм. Что очень важно – время измерения составляет от 1 до 2 мин. в зависимости от концентрации аэрозоля – при больших временах аэрозоль, как правило, изменяет свой спектр размеров из-за пространственных и временных флуктуаций. Диапазон концентраций – от нескольких частиц до 104 см-3. Можно измерять и системы с большей концентрацией при использовании прокалиброванных неселективных разбавителей.
Следует учитывать, что измерение спектра размеров аэрозольных частиц – задача неоднозначная, поэтому при измерении в дисперсных системах необходимо корректно сформулировать задачу и понять, какую характеристику этой системы необходимо получить.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОЗОНА С РАЗЛИЧНЫМИ МИКРОВОЛОКНИСТЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Климук А.И., Обвинцева Л.А., Кучаев В.Л., Шепелев А.Д., Садовская Н.В., Томашпольский Ю.Я., Козлова Н.В., Аветисов А.К., Ушакова Е.Н., Дмитриева М.П.
Научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я.Карпова, Москва, Воронцово поле, 10. org@cc.nifhi.ac.ru
В связи с проблемами экологии и широким применением озона в технологиях актуальным является изучение воздействия озона на различные материалы.
Исследовано взаимодействие озона с микроволокнистыми материалами различного химического состава: промышленными фильтрами Петрянова ФПА-15-2,0 на основе диацетилцеллюлозы, ФПСАН-70-0,5 на основе сополимера стирола с акрилонитрилом, ФПП-70-0,5 на основе хлорированного поливинилхлорида; опытными материалами ФПАН-10-3,0 на основе полиакрилонитрила, ФПФ42-10-3,0 на основе тетрафторэтилена, ФПС-15 на основе полистирола, ультратонким стекловолокном, карбонизованными микроволокнами. Исследования активности материалов в отношении связывания озона проводили проточным методом с йодометрическим определением озона на выходе из реактора. Для анализа структуры поверхности образцов применили методы растровой электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Изменения химического состава обработанных озоном образцов и состав газовой фазы над их поверхностью исследовали методами ИК- спектроскопии.
С
овокупность использованных в работе экспериментальных методов позволила определить активность микроволокнистых фильтрующих материалов в отношении связывания озона, рис., и выявить причины различия в активности фильтров. Наиболее активны в отношении связывания озона и сохраняющие активность в течение длительного времени фильтры, имеющие в своем составе полистирол. Для использования в средствах индивидуальной и коллективной защиты от озона наиболее перспективен промышленный фильтр ФПСАН-70-,5. Фильтры из стекловолокна, ФПФ-42-10-3,0 и ФПАН-10-3,0 не взаимодействуют с озоном. Они могут использоваться для очистки от пыли воздуха с повышенным содержанием озона без разрушения волокон и изменения их фильтрующей способности под влиянием озона [1, 2].1. Климук А.И., Обвинцева Л.А., Шепелев А.Д., Кучаев В.Л., Аветисов А.К., Дмитриева М.П., Ушакова Е.Н. Журн. Прикладной химии. 2008. т.81. № 4. с. 593-597.
2. Климук А.И., Обвинцева Л.А., Кучаев В.Л., Шепелев А.Д., Садовская Н.В., Томашпольский Ю.Я., Козлова Н.В., Аветисов А.К. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, № 2
Работа поддержана МНТЦ, проект 3288 и РФФИ, проект 08-05-01034.
ОСОБЕННОСТИ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНИЗОТРОПНЫХ КОМПОЗИТНЫХ мембран
МФ-4СК/полианилин
Кононенко1 Н.А., Лоза1 Н.В., Березина1 Н.П., Лакеев2 С.Г.
1Кубанский государственный университет, Краснодар, ул. Ставропольская, 149,
e-mail: kononenk@chem.kubsu.ru
2НИФХи им. Л.Я. Карпова, Москва, ул. Воронцово поле, 10, e-mail: lakeev@cc.nifhi.ac.ru
Получены и исследованы анизотропные композиты на основе ионселективной перфторированной мембраны МФ-4СК и полианилина. Синтез композитов осуществлялся в процессе диффузии через мембрану рабочих растворов, содержащих анилин, кислоту и персульфат аммония в качестве инициатора полимеризации. Персульфат аммония является коионом по отношению к перфторированной мембране МФ-4СК, поэтому полимеризация анилина осуществляется преимущественно в поверхностных слоях мембраны с образованием бислойной структуры. Это подтверждено анализом срезов мембраны, визуализация которых осуществлялась с помощью цифрового фотоаппарата, соединенного с оптическим микроскопом.
Методом мембранной вольтамперометрии исследовано электрохимическое поведение полученных композитных мембран. Особенностью их вольтамперной характеристики (ВАХ) является ее асимметрия, которая проявляется в различных значениях наклона омического участка, характеризующего сопротивление мембранной системы, величины предельного электродиффузионного тока и потенциала перехода системы в сверхпредельное состояние. Так, электропроводность образцов, найденная из омического участка ВАХ, снижается примерно на два порядка по сравнению с исходной мембраной при ориентации образца модифицирующим слоем полианилина к потоку противоионов и только на порядок при обратной ориентации. Область предельного тока имеет другой характер по сравнению с исходной мембраной, а также с композитами, полученными в ходе синтеза полианилина в объеме мембраны МФ-4СК в присутствии инициатора полимеризации хлорида железа (III). Для анизотропных мембран наблюдается отчетливый наклон плато предельного тока к оси потенциалов, что связано с появлением сопряженных явлений концентрационной поляризации. Подобное изменение формы плато предельного тока может также вызвать наличие микрорельефа на поверхности композитной мембраны, следствием которого является возникновение ламинарных микротечений, изменяющих толщину диффузионного слоя. Однако длина плато предельного тока для всех композитов больше, чем для исходной мембраны, при этом увеличение потенциалов наступления предельного и сверхпредельного состояний наблюдается для всех композитных мембран независимо от условий синтеза полианилина в матрице перфторированной мембраны.
Обнаруженный эффект асимметрии ВАХ анизотропных композитов исследован в зависимости от скорости развертки тока в диапазоне от 1·10-5 до 1·10-3 А/с, а также от природы электролита в 0,05 М растворах HCl, NaCl и NaOH. Объяснение наблюдаемого эффекта асимметрии ВАХ дано на основании анализа концентрационного профиля, формирующегося в мембране в условиях поляризации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 08-08-00609).
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД НА ОСНОВЕ ЯДЕРНЫХ МЕМБРАН
Лунин А.В., Смолянский А.С.
ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», г. Москва
Исследование закономерностей взаимодействия видимого света и ИК-излучения с мембранами на основе тонких полимерных плёнок, полученными ионно-лучевым способом (ядерными мембранами (ЯМ)), и вторичными структурами на основе ЯМ, представляет интерес с точки зрения создания новых классов нано- и микроструктурированных материалов с заранее заданными оптическими свойствами, разработки оптических светофильтров на основе ЯМ (т.н. «фильтры Христиансена»), поиска экспериментального подтверждения решений задачи о взаимодействии светового излучения с тонкими слоями плотноупакованных однородных открытых цилиндрических пор, погруженных в диэлектрическую матрицу.
Исследовали полиэтилентерефталатные плёнки толщиной 10±1 мкм, облученные потоком ускоренных ионов ксенона с энергией ~1 МэВ/нуклон до флюенса ~3·108 см-2 на ускорителе У-300 в Лаборатории Ядерных Реакций имени Г.Н. Флёрова (ОИЯИ, г. Дубна Московской области), которые затем были обработаны в 1÷5 N водных растворах гидроксида натрия при температурах 303 – 353 К в течение различных промежутков времени. Далее проводили измерение коэффициентов пропускания, диффузного и зеркального отражения ЯМ в области длин волн 400÷750 нм. Исследование закономерностей взаимодействия ИК-излучения с поверхностью ЯМ осуществляли методом Фурье-ИК-диффузного отражения в области длин волн от 2,5 до 50 мкм.
Формирование и развитие системы нано- и микропор в областях локализации радиационных повреждений (латентные треки) существенно изменяет характер взаимодействия полимера с видимым и ИК светом. Одновременно с ростом микропор в спектрах оптического пропускания и отражения появляется и усиливается полоса дифракционного фона (ДФ), охватывающая спектральную область от 400 нм до 5 мкм. Усиление дифракции сопровождается снижением интенсивности системы интерференционных полос, которые можно наблюдать, как в необлученных образцах полимерных плёнок, так и в ЯМ. Спектральная форма ДФ может быть описана формулой Рамана:
где Т – пропускание, отн. ед.; f – форм-фактор, характеризующий поверхностное распределение пор; L, D – длина и диаметр поры, нм; λ – длина волны, нм.
Разработано программно-математические обеспечение и осуществлено моделирование методом Монте-Карло закономерностей взаимодействия видимого света и ИК-излучения с ЯМ. Проведено сопоставление результатов моделирования и экспериментально полученных данных.
КИНЕТИКА АЭРОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Лушников А.А.
НИФХИ им. Л. Я. Карпова, 105064 Москва, Воронцово поле, 10, alush@cc.nifhi.ac.ru
Аэрозоли – это всегда неравновесные системы. Они непрерывно зарождаются и погибают. Поэтому исследование кинетических процессов в аэродисперсных системах имеет первостепенную важность. Уже с момента возникновения лаборатории физики аэродисперсных систем (ЛФАС) почти полвека назад, тематика, связанная с кинетикой аэродисперсных систем заняла ведущую позицию в планах лаборатории. Вклад сотрудников лаборатории в это направление, и прежде всего, ее организатора, профессора Николая Альбертовича Фукса, общепризнан мировым аэрозольным сообществом.
Основные вопросы, на которые нужно ответить - это:
1. Как возникают аэрозоли?
Помимо диспергации (первичные аэрозоли) частицы могут возникать в результате перехода газ—частица (вторичные аэрозоли). Несмотря на долгую историю этого вопроса, окончательного ответа нет до сих пор. Единственно, что стало ясно – существует несколько механизмов такого перехода, а общепринятый механизм спонтанной нуклеации через равновесный критический зародыш реализуется крайне редко.
2. Как аэрозольные частицы растут и испаряются?
Очевидно, что в процессе конденсации (испарения) молекулы конденсирующегося вещества присоединяются по одной. Общепринятая модель этого процесса предполагает диффузию конденсирующихся молекул к уже образовавшейся частицы. Все очень просто до тех пор, пока размер присоединяющейся частицы много выше или много меньше размера частицы. Если же это не так, то рассмотрение усложняется. Выход из положения был найден Н.А. Фуксом [1], предложившим т.н. теорию пограничной сферы, внутри которой кинетика процесса конденсации описывается в свободно молекулярном приближении, а снаружи – в приближении непрерывной среды. Радиус граничной сферы становится подгоночным параметром теории. Теоретический подход к вычислению радиуса граничной сферы, предложенный в ЛФАС Н.А. Фуксом и А.Г. Сутугиным [2] нашел широкое применение в кинетике аэродисперсных систем. Дальнейшее развитие теория пограничной сферы получила в работе [3].
3. Аэродисперсные системы стареют за счет коагуляции. Этот процесс также не исследован до конца, .Современные компьютеры позволяют решать очень сложные уравнения, в том числе и уравнение Смолуховского, описывающее коагулирующие системы. Однако в ряде случаев коагуляционный процесс может вести к образованию очень крупных объектов, концентрация которых очень низка, но которые все же сказываются на судьбе высокодисперсной фракции. Это явление было обнаружено в ЛФАС около двух десятилетий назад при исследовании взаимодействия сильного лазерного излучения с поверхностями твердых мишеней [4]. Теоретическое предсказание этого явления появилось гораздо раньше [5]. Исследования в этом направлении продолжаются.
4. Заметную роль в кинетике аэродисперсных систем играют заряженные частицы. Кинетика зарядки частиц и процессов рекомбинации необычайно сложна. Дело в том, что в нормальных условиях длина свободного пробега ионов сравнима с кулоновской длиной – расстоянием при котором энергия кулоновского взаимодействия ион – частица становится сравнимой с тепловой энергией иона. Это означает, что даже очень маленькие частицы никогда не могут быть рассмотрены в свободно молекулярном приближении. Подробное рассмотрение процесса зарядки появилось недавно [3] и нескольких других работах.
Литература
1. N.A. Fuchs, Mechanics of Aerosols, Pergamon, N.Y. (1964).
2. N.A. Fuchs and A.G. Sutugin, High dispersed aerosols, in Topiics in Current Aerosol Research (Part 2), ed. by J.M. Hidy and J.R. Brock. Pergamon, N.Y. (1971).
3. A.A. Lushnikov and M. Kulmala, Flux—matching theory of particle charging, Phys. Rev. E70,
046413 (2004)
4. A.A. Lushnikov, A.E. Negin, and A.V. Pakhomov, Experimental observation of aerosol-aerogel transition, Chem. Phys. Lett., 175, 138 (1990).
5. A.A. Lushnikov, Coagulation in finite systems, J. Colloid Interface Sci., 65, 276 (1978)
Новые материалы на основе нанотехнологий. Потенциальные риски при производстве и использовании
Минашкин В.М1., Андреев Г.Б1., Невский И.Е1., А.В. Путилов2
1Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, 105064, Воронцово поле, 10, Москва, Россия
2Научно-исследовательский институт неорганических материалов им. А.А. Бочвара,
Москва, Россия
minash@cc.nifhi.ac.ru
Промышленное применение, распространенных в природе сажевых наночастиц в красках для автомобилей и косметике - пример "инкрементных" новых материалов на основе нанотехнологий.
Однако переход от производства в лаборатории к массовому производству чреват значительными проблемами, а надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать с экономической и экологической точек зрения. В настоящее время, наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов.
Один из продуктов компании Treatment Against Chemical Threats - порошок FAST ACT (First Applied Sorbent ), который обезвреживает токсичные химикаты. Порошок состоит из активных наночастиц, которые связывают и деактивируют около 24 известных токсичных химических соединений (а также некоторые кислоты), использующихся в химических атаках. Порошок может использоваться при температурах ниже нуля, а также в различных средах. В отличие от кремов, он может быть эффективен и в распыленном состоянии (а защитные кремы должны быть влажными), и в растворе. Наиболее широкое применение нанопорошки углерода могут найти и уже находят в строительной промышленности, как добавки, позволяющие получать высокопрочный бетон. Для этой цели используется достаточно грязный, дешевый продукт, содержащий сажу.
Авторами обзора приводятся результаты ранее проведенных исследований по влиянию вдыхаемых углеродных частиц на человеческий организм. Показано, что такие частицы имеют высокую токсичность и могут вызывать онкологические заболевания, аналогично пылям асбоцемента, запрещенного к производству в ЕЭС.
ЭЛЕМЕНТЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ДИФФУЗИИ ГАЗА В СИСТЕМЕ МАЛЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
Максименко В.В.
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я.Карпова, 105064, Москва, ул. Воронцово поле, 10, maksim@cc.nifhi.ac.ru
Рассматривается диффузия молекул идеального газа в системе малых сферических неоднородностей. Это может быть коллектив частиц или же система малых сферических включений в однородной среде. Прилипанием молекул к границам раздела сред пренебрегается. Методами теории многократного рассеяния вычисляется эффективный коэффициент диффузии молекул. Рассмотрен вклад в диффузию бесконечно длинных траекторий, представляющих собой замкнутые петли, многократно обходимые молекулой. Интерес к такого рода петлям связан с тем, что амплитуды двух альтернативных способов обхода петли (по ходу вращения часовой стрелки и наоборот) всегда конструктивно интерферируют вне всякой зависимости от степени упорядоченности той неоднородной среды, в которой движутся молекулы. Любая петля на траектории – это обязательное возвращение назад. Упомянутая интерференция увеличивает вероятность возвращения. Соответственно увеличивается вероятность петлеобразования. Далее все начинается снова. Возникает своего рода самоподдерживающийся прочес, результатом которого является "увязание" молекул в системе петель.
К тому же, бесконечно длинные маршруты более вероятны, чем короткие, т.к. таких маршрутов неизмеримо больше. Ситуация аналогична имеющей место в теории вероятностей, где рассматривается игральный кубик с бесконечным числом граней. Вероятность выпадения любой грани с числом очков, меньшим некоторого конечного фиксированного числа k – нулевая, в то время как вероятность выпадения любой грани с числом очков, большим k, равна единице. Выпадение граней у такого кубика перестает быть равновероятным процессом. Перестают быть равновероятными и маршруты молекулы, бесконечно длинные становятся более вероятными. Среди последних – маршруты с замкнутыми бесконечнократно проходимыми петлями. Между тем, при обычном подходе к диффузии все маршруты предполагаются равновероятными.
Показано, что рассмотренные интерференционные поправки к классической диффузии приводят к существенному замедлению диффузии в плотной упаковке частиц, "непрозрачных" для диффундирующих молекул. Что касается мягких включений (коэффициент диффузии в материале включений выше, чем снаружи), то здесь возможна полная остановка диффузии, выражающаяся в обращении в нуль эффективного коэффициента диффузии. Это явление напоминает андерсоновскую локализацию электрона в системе примесей в идеальной решетке. При значении фактора упаковки "мягких" включений выше некоторой критической величины возможно возникновение в системе макроскопических осцилляций концентрации газа, связанных с движением молекул по замкнутым петлям.
Остановку диффузии можно рассматривать как новый механизм физической адсорбции, обладающей довольно странными свойствами – чем хуже "прилипают" молекулы к поверхности неоднородностей, тем выше эффективная адсорбция. Подобного рода свойства могут оказаться полезными в создании эффективных накопителей, например, водорода.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОБЛУЧЕННЫХ ПОТОКОМ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
Муркин Д.А.1, Каплунов Н.Н.2, Красников П.В.2, Смолянский А.С.1
(1) ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», г. Москва
(2) ООО «РАОТЕХ», г. Москва
В процессе эксплуатации радиационно-химических установок (РХУ) необходимо учитывать возможность загрязнения воздуха рабочей камеры газообразными веществами, выделяющимися из облучаемых изделий. Следовательно, проведение предварительных оценок радиационного газовыделения (РГВ) облучаемых материалов с целью оценки состава и количества продуктов РГВ, степени токсичности выделяющихся газов, разработки системы очистки воздушной среды в рабочей камере и других производственных помещениях РХУ является актуальной проблемой, требующей решения уже на стадии проектирования РХУ. Необходимость получения прогнозных оценок РГВ также связана с отсутствием нормативных документов, регламентирующих порядок расчёта РГВ при проведении радиационной модификации полимерных материалов и изделий.
Цель настоящей работы состояла в разработке методики расчёта, соответствующего программно-математического обеспечения, и получения прогнозных оценок РГВ ряда полимерных изделий (кабельная изоляция, полимерные трубы), изготовленных на основе полиэтилена (ПЭ), фторопласта (или политетрафторэтилена (ПТФЭ)), поливинилхлорида (ПВХ), которые предполагается подвергнуть радиационной модификации путём воздействия потока ускоренных электронов.
Методика расчёта была основана на использовании литературных данных [1] о составе и количестве РГВ рассматриваемых полимеров. Далее определяли пространственные характеристики поля мощностей доз и поглощённых доз в полимерах, облученных электронами с энергией 1 МэВ. Принимали, что полученный профиль распределения поглощённой дозы в объёме полимера сразу после радиационного воздействия совпадает с пространственным распределением газообразных продуктов радиолиза (водород, предельные углеводороды, оксид и диоксид углерода, хлористый водород и т.д.). Численным интегрированием функции распределения радиолитических газов устанавливали среднюю объёмную концентрацию продуктов радиолиза в облученном полимерном образце. С помощью уравнения Фика определяли закономерности газовыделения из облученных полимерных образцов в пострадиационный период. В результате выполненной работы был создан макет базы данных, аккумулирующей известную экспериментальную информацию по РГВ полимерных материалов, а также разработано программно-математическое обеспечение, реализующее предложенную методику расчёта РГВ.
На основании результатов расчётов были сформулированы научно-практические рекомендации для разработки ТЗ на проведение ОКР, направленную на проектирование системы очистки воздуха в производственных помещениях и рабочей камере РХУ на основе ускорителя электронов, предназначенной для радиационной модификации различных полимерных изделий, в ОАО «Завод «Чувашкабель» (г. Чебоксары).
1. Милинчук В.К., Тупиков В.И., Брискман Б.А. и др. // Радиационная стойкость органических материалов. Справочник / под ред. В.К. Милинчука, В.И. Тупикова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 272 с.
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ОТКЛИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЕНСОРОВ В ПРИСУТСТВИИ ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДА
Обвинцева Л.А., Кучаев В.Л., Аветисов А.К., Сухарева И.П., Дмитриева М.П.,
Цыркина Т.В., Чибирова Ф.Х.
Научно-исследовательский физико-химический институт имени Л.Я.Карпова, Москва, Воронцово поле, 10, obvint@yandex.ru.
Изучены газочувствительные свойства ZnO- и In2O3 – сенсоров по отношению к хлористому водороду. Опыты проводили в воздухе, инертном газе, при различных соотношениях смеси Ar/O2, влажности воздуха: 0,5 – 99 %, концентрациях НС1: 0.1-5 мг/м3, диапазоне температур сенсоров: 17 – 500 С0.
Хлористый водород вызывает различный: акцепторный (сопротивление увеличивается, рис. а) или донорный (сопротивление уменьшается, рис. b) сигнал полупроводниковых сенсоров с проводимостью n-типа в зависимости от температуры сенсора и влажности воздуха. При понижении температуры и влажности воздуха усиливается акцепторный сигнал, при повышении температуры и влажности воздуха – усиливается донорный сигнал. Промежуточные условия обеспечивают переход одного типа сигнала в другой. В инертном газе наблюдали только донорный сигнал сенсора при любой влажности воздуха в диапазоне температур эксперимента 17 – 300 0С.
О
бъяснение наблюдаемого явления дано в предположении, что донорный характер сигнала обусловлен адсорбцией НС1, причиной акцепторного сигнала может быть появление хлора на поверхности сенсора в результате окисления хлористого водорода кислородом воздуха по реакции Дикона: 4 HCl + O2 = 2 Cl2 + 2 H2O. Установлено, что хлор вызывает увеличение сопротивления сенсоров такого типа. Известно, что некоторые соли и оксиды металлов являются катализаторами реакции Дикона. Проведены расчеты степени превращения НС1 в условиях термодинамического равновесия реакции окисления НС1 кислородом воздуха при различных температуре и влажности воздуха. Согласно расчетам, в сухом воздухе при комнатных и более низких температурах преобладает образование хлора, который и вызывает увеличение сопротивления сенсора. При увеличении содержания воды и при повышении температуры сенсора степень превращение НС1 в С12 сильно уменьшается. Результаты расчетов качественно коррелируют с экспериментальными данными.Работа поддержана МНТЦ, проект 3288 и РФФИ, проект 08-05-01034.
НИФХИ им. Л.Я. Карпова и советский Атомный проект
Огородников Б.И.
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва, ул. Воронцово поле, 10. Ogorod4@rambler.ru
Летом 1945 г. для создания атомной бомбы был образован Специальный комитет при ГОКО под председательством Л.П. Берии. Ему подчинили Первое главное управление при Совете Министров СССР и образовали при нем Технический совет.
Уже на втором заседании Спецкомитета 31 августа 1945 г. был рассмотрен вопрос «О производстве продукта 180». Так была зашифрована тяжелая вода. Спустя четыре дня вышло постановление ГОКО № 9967сс/оп «О производстве продукта № 180 на заводах Наркомхимпрома». Этому ведомству совместно с Лабораторией № 2 поручалось «организовать в ГСНИИ-42, на Московском электролизном заводе и в Физико-химическом институте им. Карпова научно-исследовательские работы по получению продукта № 180 методами электролитического разделения, изотопного обмена и дистилляции».
Еще через 20 дней И.В. Курчатов представил Техническому совету доклад, в котором сообщал: «Намечено применить для получения тяжелой воды разнообразные процессы – электролиз, испарение, фильтрацию через ультратонкие пористые перегородки, адсорбцию, термодиффузию, разложение водяного пара в процессе газификации углей». 28 сентября Спецкомитет утвердил 20 организаций, которым поручались конкретные направления, в том числе НИФХИ им. Л.Я. Карпова:
«1. Исследовать процесс изотопного обмена в присутствии катализаторов между водой, водяным паром и водородом (руководители проф. Петрянов, к.х.н. Туницкий).
2. Разработать теорию и произвести экспериментальные исследования процессов выделения продукта 180 путем электролиза с целью выяснения зависимости коэффициента разделения от материала катодов, состава электролита, способа обработки поверхности катодов, температуры, давления, плотности тока и интенсивности перемешивания (руководитель работ д.х.н. Эршлер).
3. Исследовать и произвести подбор новых химических реакций для изотопного химического обмена (руководитель проф. Петрянов).
4. Изучение процесса разделения изотопов посредством фильтрации (диффузии) через ультратонкие пористые перегородки (руководитель проф. Петрянов).
5. Изучить процесс разделения изотопов методом адсорбции и термодиффузии (руководитель работы проф. Жуховицкий).
6. Изучить процесс выделения продукта 180 путем дистилляции (руководитель работы проф. Жаворонков).
7. Исследовать возможность обогащения продукта 180 при разложении водяного пара в процессе газификации углей (руководитель проф. Жаворонков).
8. Изучить металлоорганические соединения урана (руководитель проф. Кочешков).
9. Исследовать возможности разделения изотопов тяжелых элементов путем электролиза (руководитель работы д-р Эршлер).
10. Определить нулевую энергию изотопов урана и произвести теоретические расчеты химических методов разделения изотопов (руководитель проф. Сыркин)».
17 января 1946 г. доклад о текущем состоянии работ был направлен И.В. Сталину. Среди 11 НИИ и лабораторий числился Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова.
ЧЕРНОБЫЛЬСКАЯ ЗОНА ОТЧУЖДЕНИЯ.
20 ЛЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ И ДИСПЕРСНОСТИ
РАДИОАКТИВНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ
Огородников Б.И., Будыка А.К.
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва, ул. Воронцово поле, 10. Ogorod4@rambler.ru
После аварии 26 апреля 1986 г. 30-километровая зона вокруг ЧАЭС (Чернобыльская зона отчуждения) всегда находилась под пристальным наблюдением. Ее центральная и западная части наиболее сильно загрязнены радиоактивными веществами, выброшенными при взрыве реактора.
Сотрудники лаборатории аэрозолей НИФХИ им. Л.Я. Карпова под руководством академика И.В. Петрянова начали исследования радиоактивных веществ в атмосфере Зоны отчуждения с середины июня 1986 г. Пробы отбирали на фильтры АФА и многослойные пакеты фильтров ФП. Высокие концентрации радиоактивных аэрозолей (единицы и десятки Бк/м3) были обусловлены присутствием 90Sr, 95Zr, 95Nb, 103, 106Ru, 13II, 134, 137Cs, 140Ba, 140La, 141, 144Ce и др. радионуклидов. Генерация аэрозолей происходила как в результате продолжающихся выбросов из развала реактора, так и подъема пыли при дезактивации местности, строительных работах и движении транспорта.
После возведения «Саркофага» над развалом реактора, уменьшения строительных работ, перемещения загрязненного грунта в могильники, частичной эвакуации транспортных средств, а также радиоактивного распада веществ концентрации аэрозолей снизились и стабилизировались. В течение 1987 – 1988 гг. в Зоне отчуждения были установлены около 100 автономных пробоотборников ПБ-1 и 100 изокинетических пробоотборников ИПА, в которых просасывание и улавливание аэрозолей с помощью фильтров Петрянова происходило под воздействием ветра. В 1988 г. в Зоне отчуждения были сооружены около 30 стационарных пунктов радиационного контроля (АСКРО), на которых отбор аэрозолей проходил непрерывно с помощью установок с производительностью около 1000 м3/ч, снаряженных фильтрами ФПП-15-1,5. Было установлено, что объемные активности аэрозолей коррелируют с плотностью загрязнения местности. Следовательно, основная причина загрязнения воздуха – подъем пыли с грунта и растений.
Со второй половины 1990-х годов основная бета-активность аэрозолей стала определяться 90Sr, 137Cs и 241Рu. Их концентрации были, как правило, ниже 0,1 Бк/м3. При этом дальнейшее снижение объемной активности на протяжении последующих 10 – 15 лет происходило существенно быстрее (примерно вдвое за 5 лет), чем период полураспада 90Sr, 137Cs (около 30 лет). Главная причина – заглубление радиоактивных веществ в почву, восстановление растительности, снижение пылеподъема при строительных работах.
На протяжении 1988 – 2007 гг. на пунктах АСКРО было отобрано около 60 проб аэрозолей с помощью трехслойных пакетов волокнистых материалов ФП. Установлено, что носителями радионуклидов–продуктов Чернобыльской аварии были аэрозоли с активностными медианными аэродинамическими диаметрами (АМАД) от 3 до 8 мкм. При этом фракционирования радионуклидов в зависимости от размера частиц не наблюдалось.
Моделирование кинетики формирования осадков в облачных процессах
А.М.Петров, В.Н.Пискунов, А.И.Голубев.
РФЯЦ-ВНИИЭФ, 607190, Нижегородская область, г. Саров, пр. Мира, 37.
Введение. Задача о формировании смешанных частиц, находящихся в твердом и жидком фазовых состояниях, имеет важное практическое значение для изучения процессов формирования и выпадения атмосферных осадков [1-2]. При отрицательных температурах в облачных системах могут одновременно присутствовать все фазовые состояния воды. Процессы развития фаз и их взаимных переходов определяются конденсацией (испарением) пара, промерзанием капель и таянием твердых частиц, коагуляцией. Значительный рост ледяных частиц может происходить за счет механизма «перегонки», обеспечивающего передачу пара от водяных капель к ледяным частицам за счет разности скоростей конденсации для этих фаз [1]. Таким образом, при моделировании поведения облачных систем необходимо учитывать все фазовые состояния воды и одновременное действие упомянутых выше процессов.
Кинетические уравнения. Основой для моделирования процессов формирования смешанных частиц в облачных системах являются кинетические уравнения, описывающие поведение спектров частиц при совместном действии конденсации и коагуляции [2-3]. Нами сформулированы кинетические уравнения для многофазных систем, описывающие совместное действие процессов коагуляции и конденсации в переохлажденном облаке [3]. Композитные частицы, состоящие одновременно из воды и льда, имеют малые времена существования, поэтому мы считаем, что жидкие капли мгновенно промерзают при их столкновениях с ледяными частицами. В этой модели двухкомпонентная дисперсная среда состоит из смеси жидких капель и ледяных частиц. Для ряда модельных зависимостей нами получены аналитические решения кинетических уравнений [3].
Численная модель для кинетики конденсации. Численное решение уравнений производится на основе метода расщепления по физическим процессам: на каждом временном интервале исходная система заменяется на две подсистемы - одна из которых описывает процессы коагуляции, другая - процессы конденсации с источниками. Метод расщепления был откалиброван на аналитических решениях. Описание «перегонки» в модели обеспечивается учетом разности давлений насыщенного пара для воды и льда. В уравнениях учитываются процессы спонтанного промерзания капель. Особое внимание обращено на описание фазового перехода при температуре таяния льда.
Расчеты для эксперимента «Монтана». На основе описанной выше модели выполнено моделирование процессов формирования осадков в условиях эксперимента, проведенного в штате Монтана 19.07.1981. Полученные результаты воспроизводят общую картину процессов и в ряде случаев обнаруживают полное количественное совпадение с экспериментальными данными и другими моделями [4].
Литература
1. Мейсон Б.Дж. Физика облаков. Л.: Гидрометеоздат, 1961.
2. Pruppacher H.R. and Klett, J.D. Microphysics of cloud and precipitation. Dordrecht: Kluwer Academic Press, 1997
3. Piskunov, V.N and Petrov, A.M. Condensation/coagulation kinetics for mixture of liquid and solid particles: analytical solutions // J. Aerosol Sci. 2002. Vol 33, 647-657.
4. Piskunov V.N., Petrov A.M, Golubev A.I. Modeling particle formation kinetics in mixed-phase clouds // J. Aerosol Sci. 2003. V.34, P 1555-1580.
ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОПРЯДЕНИЯ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
А.В. Товмаш, А.С. Садовский
НИФХИ им.Л.Я. Карпова, г. Москва, ул. Воронцово поле, 10 budyka@cc.nifhi.ac.ru
В отечественной литературе и Рунете способ получения микро- и нановолокон в электрическом поле стали называть «электроспиннингом». Термин электроформование употребляется только в узко специальных публикациях, хотя при этом в последнее время указывается обычно и переводной термин. Происхождение и такое хождение названий обусловлено историей развития техники электропрядения у нас в стране и за рубежом.
Электроформованием был назван способ получения волокон из полимеров, на который Н.А. Фуксу и И.В. Петрянову–Соколову в 1938 г. выдано закрытое Авторское свидетельство № 3444. К этому времени Фукс уже был арестован и репрессирован по 58-ой статье. Петрянов принял руководство лабораторией № 6 и все заботы по технической реализации способа. Накануне войны в Калининском военно-химическом училище была создана опытная база, и в ее составе пущены установки получения материала БФ – боевой фильтр для противогазов и нового отравляющего вещества. В первые же дни войны потребовалось срочно наладить промышленный выпуск этой литерной продукции категории «А». Уже в конце июня 1941 года (!) для организации производство БФ (объект 500) на Березниковский азотно-туковый завод был командирован Петрянов с сотрудниками лаборатории. Для быстрого пуска объекта 500 ресурсов там не нашлось, прежде всего, подходящего помещения. В то же время расположенный по близости в Соликамске 1-ый Калийный комбинат получил задание на выпуск металлохлоридных дымовых шашек, такими шашками ранее занимались в Карповском институте. Возникло сотрудничество. Был заключен договор, по которому Лаборатория № 6 выдала регламент производства шашек. По согласованию с уполномоченным Наркомата химической промышленности, находившимся в областном г. Молотов (Пермь), объект 500 разместили в помещении бытовок горного цеха Калийкомбината. Материал БФ уже в 1942 г. был принят комиссией и пошел на выпуск войсковых противогазов.
После окончания войны от материала БФ в противогазных коробках пришлось отказаться из-за его нестойкости к новым фосфорорганическим ОВ. Вскоре, однако, открылась обширная сфера приложения Петряновских фильтров (ФП) в атомном проекте - анализ радиоактивных аэрозолей в воздухе и очистка от них. Способ получения ФП долгое время сохранялся в секрете, и за рубежом был не известен.
Первый патент США на способы электропрядения были выданы так же в 1938 г. Антону Формхальсу (приоритет в Германии 1937 г.), он же и ввел в обиход термин «электрический спиннинг». Однако, на Западе электропрядение - электроспиннинг практическое применение получил лишь в последние годы. Его развитие там приняло характер бума, что в немалой степени определено перспективой применения микро- и нановолоконных материалов в биомедицине и биоинженерии.
За рубежом число публикаций по проблеме электропрядения стало расти экспоненциально, и за последнее десятилетие приблизилось к тысяче. Преобладают сообщения об исследованиях собственно процесса получения материала и его свойств – 60%. Распределение по областям применения выглядит следующим образом (%): биомедицина (тканевая инженерия, повязки, дозирование лекарств) - 50; охрана и оборона (военная спецодежда, армированные композиты, сенсоры) – 27,5; экология (фильтры и фильтрация) – 15; энергетика и электроника (источники тока, конденсаторы и пр.) – 7,5.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 06-06-80299-а.
Электропрядение и нановолокна
Шутов А.А.
Обнинский институт атомной энергетики, shutov@iate.obninsk.ru
Метод электропрядения (способ формования волокон из растворов полимеров под действием электрического поля) позволяет получать волокна диаметром менее 1 микрометра [1]. В этой технологии эмитируемая жидкость из капилляра, соединенного с высоковольтным источником, заряжается контактным образом в точке истечения. Под действием электрических сил из жидкости формируется сужающаяся струя, которая после испарения растворителя трансформируется в волокно. По постановке задача струйного течения является типичной самосогласованной задачей. Движение жидкости происходит в области с априорно неизвестной границей, которую необходимо находить в процессе решения. Наряду с границей определению подлежит также и плотность заряда на свободной границе, являющегося основным источником движущей силы. Решение для радиуса струи f(z) представляется в следующем виде [2]:
где z – продольная координата, и Q – плотность и расход жидкости, E - напряженность электрического поля, I – электрический ток, переносимый струей, r0 – начальный радиус струи. На больших расстояниях от точки истечения диаметр волокна D, получающегося из струи после испарения растворителя, определяется выражением [3]
где c – концентрация полимера в растворе, U = Ez – межэлектродная разность потенциалов, I E Q1/2. Последнее соотношение отражает общую тенденцию проблемы получения ультратонких волокон: для получения наноразмерных объектов процесс следует проводить при расходах меньших, чем 105 см3/с, и использовать слабо концентрированные растворы полимеров умеренной молекулярной массы. В настоящее время экспериментально зафиксированный нижний предел диаметра волокна составляет величину порядка 6-7 нанометров [4].
[1]. Петрянов И.В., Козлов В.И, Басманов П.И., Огородников Б.И. Волокнистые фильтрующие материалы. М.: Знание, 1968, 77с.
[2]. Шутов А.А. Известия РАН. МЖГ. 2008. № 4. С. 38 - 52.
[3]. Шутов А.А. Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. № 23. С.68-74.
[4]. Zarkoob S., et. al. Polymer. 2004. V. 45. P. 3973-3977.
Нанопористые фильтрующие каталитические материалы
М.Н. Щучкин1, В.И. Малинов1, Г.Г. Савкин1, В.В.Молчанов2
1Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, проспект Мира 37, e-mail:
smn@astra.vniief.ru, 2Институт катализа СО РАН, г. Новосибирск,
проспект ак. Лаврентьева 5, e-mail:BIC@catalysis.ru
В РФЯЦ–ВНИИЭФ с 2001 года проводятся исследования, направленные на разработку новых наноструктурных высокопористых материалов из углерода и металлов.
В результате проведенных работ получены два новых материала: технический углеродный материал, обладающий наноструктурой - ТУМаН и пористый наноструктурный никель - ПНН.
Процесс получения ТУМаН осуществляется по гель-золь из жидкой фенолоформальдегидной смолы с последующей карбонизацией получаемого продукта без доступа воздуха при температуре 9000С и более (патент RU № 2 291 103 от 22.11.2004г ).
Микроструктура ТУМаН состоит из более или менее спеченных между собой микрошариков диаметром 2 – 15 мкм (рисунок 1 А). Углеродные микрошарики ТУМаНа имеют турбостратную структуру, образованную хаотично расположенными наноблоками в несколько графитовых слоев размером около 2нм с системой нанопор между ними размером 1,5-2 нм (рисунок 1Б). В зависимости от количества введенного в смолу порообразователя можно варьировать рыхлость и пористость получаемого ТУМаНа. Удельная поверхность ТУМаНа достигает 600 м2/г, кажущаяся плотность -0,16-0,8г/см3, удельная электропроводность- 101-105Ом·см.
А Б
Рисунок 1 – А -Микроструктура ТУМаНа; Б Микроструктура отдельного микрошарика ТУМаНа
.
Возможные области применения ТУМаНа:
- экологически чистый фильтрующий материал для очистки жидкостей и газов;
- носитель каталитического слоя;
- жесткие проточные объемнопористые электроды с большой удельной поверхностью;
- электроды в сильноточных ускорителях электронов.