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.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ И АЭРОЗОЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ
1А.Е. Алоян, 1В.О. Арутюнян, 2В.А. Загайнов, 3А.Н. Ермаков
1Инстиут вычислительной математики РАН, Москва, Россия
2НИФХИ им. Карпова, Москва, Россия
3Институт энергетических проблем химической физики РАН, Москва, Москва, Россия
Рассматривается комплексная математическая модель для изучения изменчивости концентраций газовых примесей и аэрозолей в атмосфере в региональном масштабе. Модель включает следующие блоки: уравнения гидротермодинамики мезомасштабных атмосферных процессов в негидростатическом приближении и образование облаков, переноса газовых примесей и аэрозолей с учетом фотохимической трансформации и гомогенной бинарной и тернарной нуклеации в системе "серная кислота–водяной пар–аммиак", а также кинетических процессов конденсации/испарения и коагуляции. Исследование ионного состава аэрозольных частиц проводится с помощью жидкофазной химической модели с учетом процессов массообмена на поверхности раздела газ–частица (капля). Особое внимание уделено образованию частиц новой фазы по механизму гомогенной нуклеации. На базе этой модели проводились численные эксперименты по исследованию пространственно-временной изменчивости концентраций газовых примесей и аэрозолей и образования мельчайших кластеров в Байкальском регионе под воздействием выбросов от индустриальных источников (5 промышленных объектов). Сопоставление результатов расчетов с данными наблюдений показало, что модель хорошо воспроизводит (1) часовую изменчивость концентраций озона в течение 7 дней в разных измерительных точках, (2) формирование частиц нуклеационной моды из газов-предшественников (как по счетной концентрации, так и по размеру частиц). Кроме того, показано, что малые частицы имеют высокие значения кислоты. Получено хорошее воспроизведение и содержания ионного состава аэрозольных частиц (H+, SO42 и др.).
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ КРУПНЫХ МЕГАПОЛИСОВ НА ПРИМЕРЕ МОСКВЫ И ПЕКИНА
Андронова А.В; Иорданский М.А.; Минашкин В.М; Невский И.А.; Обвинцев Ю.И., Трефилова А.В.
Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л. Я. Карпова,
105064, Воронцово поле, 10, Москва, Россия
minash@cc.nifhi.ac.ru
Важными параметрами атмосферных аэрозолей, характеризующими их физико-химические свойства и экологическое воздействие на окружающую среду, являются массовая концентрация, функция распределения частиц по размерам и элементный состав.
Частицы диаметром менее 10 мкм (РМ10) составляют 40-70% всех взвешенных частиц и являются наиболее опасными для здоровья людей, они способны проникать глубоко в легкие и накапливаться, а частицы размером менее 1 мкм (РМ1) проникают сквозь стенки мембран и могут накапливаться на стенках кровеносных сосудов и в других органах человека. Они оказывают свое влияние на показатели смертности, статистику возникновения респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний, а также на другие показатели состояния здоровья. Любые концентрации РМ10 в атмосферном воздухе считаются вредными для здоровья
В данной работе проведен элементный анализ проб аэрозольных частиц с целью корреляционного анализа между размером частиц и их элементным составом, что дает представление об элементном составе частиц определенного размера. Данные могут быть полезны с точки зрения оценки накопления тех или иных элементов в организме человека и их влияния на здоровье.
Измерения параметров аэрозолей проводились одновременно в г.г. Москве и Пекине с 21 октября по 2 ноября. Массовая концентрация аэрозоля измерялась непрерывно нефелометром (Москва) и дискретно аспирационными пробоотборниками весовым методом. (Москва, Пекин). Счетная концентрация и функция распределения частиц по размерам определялись анализаторами спектра размеров в диапазоне 0,15 -20 мкм и измерялись синхронно с отбором проб на элементный анализ.
Отбор проб производился на фильтры АФА-ХА, теми же пробоотборниками, которые использовались для определения массовой концентрации, с обязательным контролем расхода воздуха и времени отбора пробы.
Следует отметить, что атмосфера обоих городов существенно загрязнена аэрозольными частицами, даже концентрация частиц до 2,5 мкм (РМ-2,5) во многих случаях превышает ПДК. По всей видимости это происходит из-за наличия большого количества транспортных средств.
Элементный состав проб определялся методом масс-спектрометрии. На фильтрах были идентифицированы 60 химических элементов. Для определения возможных источников поступления химических элементов рассчитывались коэффициенты обогащения. Проведен расчет коэффициентов корреляции между элементами и размерами частиц, что позволило выявить возможные частицы-носители для ряда химических элементов.
ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАТОНКИХ ВОЛОКОН ИЗ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСПИННИНГА
С.И. Белоусов, А.М. Праздничный, С.Н. Малахов, А.Д. Шепелев,
А.К. Будыка, С.Н. Чвалун
ФГУП «НИФХИ им. Л.Я.Карпова»
Современные наукоемкие технологии основаны на разработке научных принципов создания и получения новых материалов. Одним из видов таких материалов являются функциональные полимерные нановолокнистые нетканые материалы. Такие материалы широко используются для очистки и фильтрации различных сред от примесей аэрозольных частиц, дисперсий, эмульсий и т.д., создания эффективных носителей каталитических систем при тонком химическом синтезе, в электронных устройствах в качестве сенсор, в медицине для очистки и разделения крови. Эффективность работы этих материалов основана на большой развитой поверхности. С увеличением площади поверхности в системе накапливается избыточная поверхностная энергия, которая приводит к эффективности работы данных материалов. Введение в матрицу полимера наночастиц, обладающих каталитическим действием, повышает эффективность и селективность системы. Подбор материала носителя, каталитических наночастиц, размера и площади поверхности позволяет создавать изделия для различных целей и задач с требуемыми специфическими свойствами.
Одним из способов получения подобных изделий является технология, основанная на электростатическом безфильерном вытягивании волокон из растворов полимеров. Под действием разности потенциалов раствор полимера вытягивается в волокна на приемном коллекторе. В результате испарения растворителя на поверхности коллектора образуется слой нетканого материала, состоящего из однородных диаметром от несколько десятых долей до нескольких микрон волоконец. Данная технология разработана еще в сороковых годах прошлого века в НИФХИ им. Л.Я. Карпова и успешно используется для изготовления фильтров (фильтры Петрянова) для улавливания аэрозольных частиц. Наряду с рядом достоинств, таких как простота технологии, однородность материала по толщине, данная технология имеет ограничения. Необходимым условием получения волокон является условие растворимости полимера. При этом растворитель испаряется и, как правило, не улавливается и выбрасывается в атмосферу. Происходит загрязнение окружающей среды. Растворитель не возвращается в производственный цикл, что не выгодно с экономической стороны процесса. Также условие растворимости ограничивает число полимеров, которые могут быть использованы для получения фильтров. К еще одному из недостатков можно отнести сложность введения модифицирующих функциональных добавок.
В представленной работе была сделана попытка получения электростатической безфильерной вытяжкой волокнистого материала из расплавов полимеров, без использования балластного растворителя. В докладе обсуждается технология получения материалов из расплавов полиамида 6, полиэтилентерефталата, поликарбоната, полипропилена и влияние ряда переменных, таких как вязкость расплава, температура, напряженность электрического поля, поляризуемость поверхности полимеров, скорость и напряжение сдвиги и т.д. Приведены примеры малых добавок, использованных для снижения вязкости расплава (пластификаторов) и увеличения поляризуемости поверхностного слоя в полимерах (ПАВ). В качестве добавок использованы натриевые соли из ряда предельных жирных кислот.
ИОНООБМЕННАЯ МЕМБРАНА КАК НАНОРЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Березина Н.П.
Кубанский государственный университет, г. Краснодар
В результате совместных исследований физико-химических свойств ионообменных мембран, которые проводились на кафедре физической химии КубГУ, в течении ряда лет, в рамках творческого взаимодействия с лабораторией мембран НИФХИ им.Л.Я. Карпова, были получены новые данные по электрохимии перфторированных полимерных пленок МФ-4СК отечественного производства. Вместе с Н.И. Николаевым и Г.Г. Чувилёвой, А.Н. Озериным и А.В. Ребровым были опубликованы результаты по исследованию диффузионных явлений и проводимости перфторированных мембран МФ-4СК и выявлена взаимосвязь между этими транспортными свойствами и характеристическими параметрами водно-кластерных зон мембран МФ-4СК. Так, например, методом рентгено-структурного анализа было показано, что при изменении влагосодержания от 10 до 30
- размеры кластерных зон изменяются от 4,4 нм до 6,2 нм. Эти данные позволяют использовать отечественные полимерные пленки МФ-4СК как нанореактор для проведения темплатных синтезов нанокомпозитных материалов. В последние годы в лаборатории мембранного материаловедения развиваются исследования нанокомпозитных мембран, полученных путем введения в нанополости мембран МФ-4СК электрон-проводящего полимера – полианилина, дисперсий металлов и бентонитов. Теперь мы располагаем различными модификациями МФ-4СК, синтезированными в ОНПО «Пластполимер» в лаборатории Тимофеева С.В. Матричные или электрохимические синтезы разного рода композитов на основе перфторированных сульфокатионитовых мембран позволяют получить мембранные материалы нового поколения, перспективные для применения в электродиализе, топливных элементах микроэлектронике, сенсорах, в получении антикоррозионных покрытий. Эти исследования базируются на тех пионерских работах по физико-химии мембран, которые были выполнены в 70-80-е годы в физико-химическом институте им.Л.Я. Карпова в лаборатории С.Ф. Тимашева, В.И.Волковым, А.В. Максимычевым, С.Г Лакеевым, Ю.М. Попковым, Ю.Э. Киршем. Трудно переоценить также огромное влияние монографий Н.И. Николаева «Диффузия в мембранах» (1980) и С.Ф.Тимашева «Физико-химия мембранных процессов» (1988) на развитие мембранной науки и технологии в нашей стране.
НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МЕМБРАНЫ МФ-4СК/ПОЛИАНИЛИН КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ
Березина Н.П., Шкирская С.А., Сычева А. А.-Р., Сухацкий А.В.
Кубанский государственный университет, Краснодар, ул. Ставропольская, 149,
e-mail: berezina_ninel@mail.ru
Электроактивные полимерные пленки такие как полианилин, обладают хорошо обратимым редокс-поведением, или “химической памятью”, что используется в настоящее время для создания различных химических и биологических сенсоров. Уникальный механизм проводимости полианилина и стабильность к внешним воздействиям обеспечивают его чувствительность к разным компонентам, влияющим на изменение его электрического сопротивления и цвета. Сенсорные свойства полианилина проявляются, например, в росте сопротивления при сорбции таких газов, как аммиак, или, наоборот, в снижении электрического сопротивления к такому газу, как НСl. Установлена чувствительность полианилиновых пленок, допированных сульфокислотами, к водным растворам NH3 при концентрации 10-4-10-5, к NO2, а также к уреазе, глюкозе и аскорбиновой кислоте.
В данной работе проведено сравнительное исследование зависимости проводящих свойств порошкообразного полианилина, а также композитной мембраны на основе МФ-4СК и полианилина от рН в равновесных растворах HCl и NaOH. Показано, что электропроводность порошкообразного полианилина, определенная методом U-образной трубки, остается низкой в широком диапазоне рН и резко возрастает только при рН<1 и рН>13. При этом наблюдаются две точки изоэлектропроводности при рН=2,7 и рН=11,4. Для пленок МФ-4СК, модифицированных полианилином путем матричного синтеза с использованием ионов трехвалентного железа в качестве инициатора полимеризации, электропроводность на порядок выше во всем исследованном диапазоне рН. При этом отмечено, что время полимеризации анилина в матрице перфторированной мембраны, варьируемое от 5 до 24 часов, несущественно влияет на проводящие свойства полученных композитов. Параллельно были получены спектры поглощения в видимой области, зависящие от условий синтеза полианилина и значений рН равновесного раствора [1]. Наблюдаемые смещения максимумов в спектрах для композитов связаны с изменением степени окисления полианилина и изменением соотношения хинон-иминных и катион-радикальных фрагментов в мембране. Это сопровождается изменением окраски композитных пленок от зеленой в кислой среде к фиолетовой в щелочной. Электрохромные эффекты при изменении рН среды открывают возможность использования композитных мембран МФ-4СК/полианилин в качестве рН-чувствительных сенсорных материалов. Изменение условий синтеза полианилина в матрице мембраны позволяет регулировать чувствительность нанокомпозитов к параметрам среды, что подтверждено также исследованием электроосмотического переноса в этих материалах [2].
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект № 06-08-01424).
Литература
Berezina N.P., Kubaisy A.A.-R., Timofeev S.V., Karpenko L.V. // J. Solid State Electrochem. 2007. №11. P.378.
Березина Н.П., Шкирская С.А., Сычева А. А.-Р., Криштопа М.В. // Коллоидный журнал. 2008. Т.70. №4. С.437.
НЕТКАНЫЕ ФИЛЬТРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ СРЕД
Будыка А.К., Луканина К.И., Рыкунов В.А., Шепелев А.Д.
НИФХИ им. Л.Я. Карпова, Россия, 105064, Москва, Воронцово поле, 10, lukanina.k@gmail.com
Работа посвящена разработке микро- и нановолокнистых фильтрующих материалов, предназначенных для анализа и очистки агрессивных жидких сред. Для реализации поставленной задачи был выбран метод электроформования, который позволяет получать волокна микронного и нанометрового диапазона.
В качестве полимера для создания волокнистого фильтрующего материала был выбран сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом, этот полимер является химически стойким, изделия из него могут эксплуатироваться при температуре до 120оС. Он хорошо перерабатывается в волокно из растворов на основе кетонов и сложных эфиров. Для увеличения емкости фильтрующие материалы изготавливались многослойными, причем диаметр волокон изменялся по глубине слоя. Волокна в точках пересечения были скреплены между собой, т.е. материал получался «проклеенным». Такая структура позволяет исключить перемещение волокон и сохранить характеристики материала в процессе эксплуатации.
Проведенная работа показала, что из выбранного полимера, возможно получение волокон с заданными характеристиками. Диаметр волокон слабо зависит от производительности и определяется, в основном, вязкостью и электропроводностью полимерного раствора. Также были проведены эксперименты по изготовлению образцов волокнистого фильтрующего материала различной толщины, для исследования их фильтрующих характеристик.
Изучение зависимости тонкости фильтрации от параметров волокнистого слоя показало, как и следовало ожидать, что для разного диаметра волокон и разной тонкости фильтрации требуемая толщина слоя различна. Минимальная толщина волокнистого слоя содержит 100-140 слоев единичных волокон. Однако, учитывая, что это минимально возможная толщина волокнистого слоя, мы увеличили ее до: 0,06; 0,1 и 0,2 мм, в зависимости от тонкости фильтрации. Учитывая, что для волокон диаметром 200 и 400 нм слои не обладают необходимой механической прочностью, их наносили на подложку из волокнистого материала с диаметром волокон 1,0 мкм.
| Диаметр средн. волокон, мкм | Толщина фильтр. слоя, мм /без подложки/ | Плот. упак., % | Размер пор, мкм макс/ср | Тонкость фильтрац., мкм | Произ. по воде, 0,05Мпа мл/мин·см2 |
| 0,2 | 0,06 | 15 | 1,8/0,5 | 0,5 | 14 |
| 0,4 | 0,1 | 12 | 2,3/0,9 | 1,0 | 28 |
| 1,0 | 0,2 | 8 | 5,4/2,2 | 3,0 | 42 |
В результате работы разработан процесс получения фильтрующих материалов с различной тонкостью фильтрации: 0,5, 1,0 и 3,0 мкм и оптимальными характеристиками фильтрующего слоя. Результаты показывают, что после фильтрации 200 мл/см2 снижение производительности волокнистых фильтров, изготовленных из волокон 1 мкм, составляет от 15 до 35%. По своим свойствам волокнистые фильтры, изготовленные из волокон 200 и 400 нм, приближаются к мембранам, поэтому для сохранения высокой производительности их необходимо использовать с предварительным фильтром.
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Будыка А. К1., Кирш А. А.2, Кирш В. А.3, Негин А. Е.1, Шепелев А. Д.1
1Физико-химический институт им. Л. Я. Карпова, Москва, ул. Воронцово Поле, 10
2 Российский научный центр «Курчатовский институт», Москва, пл. Курчатова, 1
3 Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, Москва, Ленинский проспект, 31
В нанотехнологических производствах весьма вероятно появление в воздухе взвешенных наночастиц, которые, попадая в организм человека, могут оказать вредное воздействие. Эта проблема интенсивно исследуется за рубежом. Несколько недавних исследований показало, что токсичность вдыхаемых наночастиц обусловлена их высокой удельной поверхностью.
Наночастицы всегда присутствуют во вдыхаемом воздухе. Они осаждаются в легких, попадают в организм и участвуют в обменных процессах. Следует отметить, что у человека нет защитных механизмов противодействия в случае, если наночастицы оказывают токсическое воздействие. К настоящему времени нет полной ясности в этой проблеме. Нанотоксикология - наука молодая и находится пока что на стадии собирания фактов. Но, поскольку вредное воздействие наночастиц на организм имеет место, совершенно очевидно, что взвешенные в воздухе наночастицы надо уметь контролировать и понимать, как и какие средства защиты органов дыхания надо создать.
Для создания средств защиты надо уметь рассчитывать эффективность улавливания наночастиц фильтрующими материалами. Так как современные фильтрующие материалы содержат нановолокна, имеются особенности течения газа через нановолокнистые слои и захвата частиц волокнами, связанные с необходимостью учета эффекта скольжения и значительной долей сдвоенных нановолокон. Последнее обстоятельство определяется технологией получения нановолокон методом электроспиннинга. В докладе приводятся результаты расчета эффективности и перепада давления через фильтр.
Далее, необходимо уметь создавать фильтрующие материалы, способные улавливать наночастицы с требуемой эффективностью. Гибкость технологии электроспиннинга позволяет управлять микро- и нановолокнистой структурой фильтрующего материала в широких диапазонах параметров. В докладе приведены характеристики экспериментальных образцов новых материалов, предназначенных для респираторов и фильтров сверхтонкой очистки от наночастиц.
Наконец, для экспериментальных исследований эффективности фильтрующих материалов необходимо иметь генераторы наноаэрозолей с регулируемыми параметрами частиц и системой измерения проскока частиц через образец. В докладе представлена блок-схема действующего стенда.
Были изготовлены экспериментальные образцы новых респираторов, предназначенных для защиты от наноаэрозолей любого генезиса, включая биоаэрозоли (вирусы), радиоактивные аэрозоли (дочерние продукты радона) и др.
Работа выполнена по Госконтракту с Роснаукой № 02.513.11.3165
фильтрующие материалы из нановолокон
Будыка А.К., Шепелев А.Д., Обвинцев Ю.И., Негин А.Е., Ушакова Е.Н. , Хмелевский В.О., Кирш А.А., Мамагулашвили В.Г.
ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», г. Москва
Работа посвящена сравнительным исследованиям фильтрующих свойств полимерного волокнистого материала различной структуры. Материалы разработаны в ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова», для их изготовления использован метод электроформования. В структуре материалов использованы волокна нанометрового диапазона. Изучению подвергались три типа структур фильтрующих материалов изготовленных из фторопласта Ф-42 «В» и перхлорвинила (ПВХ):
1. Фильтрующий материал из фторопласта Ф-42 с послойным расположением слоев волокон. В центре располагается слой волокон диаметром 70 нм, с двух сторон он перекрыт слоями волокон диаметром 2,0÷2,5 мкм, структура «сэндвич-1».
2. Фильтрующий материал, в котором центральный слой изготовлен из волокон на основе фторопласта Ф-42 диаметром 70 нм, а защитные слои изготовлены из волокон ПХВ диаметром 1,5÷2,5 мкм, структура «сэндвич-2».
3. Фильтрующий материал, в котором осуществлена структура «объёмной смески-3», т.е. толстые и тонкие волокна совмещены. Толстые волокна, изготовлены из ПХВ и имеют диаметр 1,5÷2,5 мкм, тонкие волокна изготовлены из Ф-42 и имеют диаметр 70 нм, соотношение длин волокон 1:20.
Наличие защитных слоев, для подобного типа материалов
вызвано необходимостью предотвратить возможные повреждения волокнистых слоев состоящих из нановолокон. Эти слои обладают очень небольшой механической прочностью.
Испытания фильтрующих материалов проводилась как по модельному твердому, жидкому и обводненному аэрозолю, так и по атмосферному аэрозолю. В качестве твердого аэрозоля использовались аэрозоли селена размером 0,08-0,12 мкм, жидкого – аэрозоли дибутилфталата диаметром 0,2-0,25 мкм, а в качестве обводненного - аэрозоль табачного дыма, размером от 0,1 до 1,0 мкм.
Проведенные исследования показали, что твердые аэрозоли лучше фильтруются на волокнистых структурах типа «объемной смески», а жидкие на структурах типа «сэндвич». Приведены результаты показывающие, что структура, состоящая из волокна нанометрового диапазона, деформируется под воздействием уловленной жидкости. Результаты исследований находятся в хорошем соответствии с материалами, приведенными в работе Б.Ф. Садовского [1]. Полученные выводы подтверждены фотографиями с электронного микроскопа.