Атмосферный мониторинг и диагностика аэрозолей тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Список основных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

Проблема и пути ее решения (обзор)

Методы определения характеристик аэрозолей 11 Улавливание аэрозолей волокнистыми материалами при высоких скоростях фильтрации

Газо-аэрозольные продукты аварии на Чернобыльской АЭС

Постановка задачи исследований

Часть 1. Расчетные и инструментальные основы мониторинга газоаэрозольных систем с помощью волокнистых фильтров

Введение

Глава 1. Закономерности высокоскоростного улавливания аэрозолей волокнистыми фильтрами

1.1. Характеристики структуры волокнистых материалов. Сходство и различие структуры волокнистых фильтров и веерной модели

1.1.1. Моделирование структуры волокнистого фильтра

1.1.2. Характеристики линейной структуры

1.1.3. Статистические характеристики структуры волокнистого фильтра с дефектами

1.2. Гидродинамические свойства веерной модели и волокнистых фильтров

1.2.1. Конструкция и параметры веерных моделей. Экспериментальные установки

1.2.2. Результаты экспериментов при промежуточных числах Рейнольдса

1.2.3. Режим течения со скольжением

1.3. Инерционное осаждение аэрозольных частиц в фильтрах 53 1.3.1 Экспериментальная установка

1.3.2. Результаты измерений

1.3.3. Определение коэффициентов инерционного захвата

1.3.4. Отскок от поверхности волокон

1.3.5. Режимы отбора проб аэрозолей на аналитические фильтры

1.4. Обсуждение результатов

Глава 2. Метод многослойных фильтров

2.1. Метод анализа дисперсности аэрозолей

2.1.1 Теоретические основы

2.1.2. Априорная функция распределения частиц по размерам

2.1.3. Ядра интегральных уравнений

2.1.4. Методы поиска параметров логнормального распределения

2.1.5. Требования к фильтрам

2.1.6. Диапазон определяемых размеров частиц

2.1.7. Точность оценок параметров логнормального распределения

2.1.8. Волокнистые фильтры для дисперсного анализа аэрозолей

2.2. Сорбционно- фильтрующие материалы для улавливания летучих веществ 84 2.2.1 .Принцип улавливания 84 2.2.2. Улавливание газообразных соединений радиоактивного йода

2.3. Композиция многослойного фильтровального пакета для атмосферного мониторинга

2.4. Особенности отбора и анализа аэрозолей пакетами их волокнистых фильтров ФП

2.5. Обсуждение результатов 93 Заключение по первой части

Часть 2. Мониторинг и диагностика природных и антропогенных аэрозолей

Введение

Глава 3. Нерадиоактивные аэрозольные объекты

3.1. Трансформация аэрозольных выбросов горно- металлургических комбинатов и тепловых электростанций

3.2. Аэрозоли пограничного слоя атмосферы над Москвой

3.2.1. Характер задачи

3.2.2. Регламент отбора проб и метеорологические условия

3.2.3. Результаты и их обсуждение

Глава 4. Мониторинг природных радиоактивных аэрозолей

4.1. Характеристики аэрозолей ЛВе, ЛЛР, ^ и ЛЛ¥Ь ПО

4.2. Аэрозоли РЪ и РЪ вдоль железнодорожной трассы Москва-Хабаровск

4.2.1. Отбор проб и их измерение

4.2.2. Результаты мониторинга и их обсуждение

Глава 5. Диагностика радиоактивных аэрозолей атомных реакторов

5.1. Характеристики аэрозолей исследовательских реакторов ИРТ-2000 и ВВР-М

5.2. Характеристики аэрозолей реактора РБМК-1000 Ленинградской АЭС 122 Заключение по второй части

Часть 3. Газо-аэрозольные продукты Чернобыльского генезиса

Введение

Глава 6. Эволюция дисперсных продуктов аварии

6.1 Краткая характеристика аварийной ситуации

6.2. Условия и стратегия исследований. Техника отбора проб

6.3. Обьемная активность и радионуклидный состав аэрозолей

6.4. Эволюция дисперсности аэрозолей Чернобыльского генезиса

6.4.1. Особенности исследования дисперсности аэрозолей методом многослойных фильтров

6.4.2. Начальный период аварии

6.4.3. Аэрозоли в приземном слое воздуха ближней зоны в 1986 г.

6.4.4. Аэрозоли в производственных помещениях III блока ЧАЭС

6.4.5. Аэрозоли над разрушенным реактором в августе-сентябре 1986 г.

6.4.6. Вторичные аэрозоли чернобыльского генезиса в дальней зоне

6.4.7. Аэрозоли летучих радионуклидов

6.4.8. Вторичные аэрозоли 5-км зоны ЧАЭС. Эволюция дисперсного состава в 1986-2000 гг.

6.4.9. Индивидуальные характеристики вторичных высокоактивных аэрозольных частиц в приземном слое атмосферы.

6.5. Влияние пожаров и сильных ветров на образование и характеристики радиоактивных аэрозолей

6.6. Обсуждение результатов

Глава 7. Эволюция фазового состава радионуклидов йода и рутения

7.1. Введение

7.2. Фазовый состав йода и рутения в атмосфере ближней и дальней зон ЧАЭС.

7.3. Влияние продолжительности отбора проб на результаты мониторинга фазового состава ЛЛА1. Данные измерений.

7.4. Модели

7.4.1. Адсорбционный характер взаимодействия между газовой и 170 дисперсной фазами

7.4.2. Схема расчета

7.4.3. Результаты расчетов и их обсуждение

Глава 8. Вопросы дозиметрии и защиты от радиоактивных аэрозолей

Чернобыльской аварии

8.1. Растворимость вторичных радиоактивных аэрозолей

8.2. Лесные пожары как источники дополнительной радиационной опасности

8.3. Учет газообразных соединений радиоактивного йода при расчете ингаляционных доз.

8.4. Поправки к дозовым коэффициентам 'л'лСб, л

§г и лллри для аэрозолей Чернобыльского генезиса

8.5. Обоснование выбора средств индивидуальной защиты при ликвидации последствий Чернобыльской аварии 199 ВЫВОДЫ 201 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 203 Список литературы

Список основных обозначений динамическая вязкость газа а плотность упаковки фильтра функция тока 7/ коэффициент захвата

О" стандартное геометрическое отклонение логарифмически нормального распределения ¡5 динамический коэффициент сорбции радиоактивного йода д доля газообразного компонента летучего радионуклида

X вероятность аккомодации (коэффициент аккомодации) молекул примеси к аэрозольной частице Я (1) средняя длина свободного пробега газовых молекул

2) постоянная радиоактивного распада £ коэффициент образования аэрозолей при горении р, рр плотность аэрозольных частиц коэффициент неоднородности волокнистого фильтра коэффициент диффузионного захвата частиц волокном г1од интерференционный член в формулах Кирша-Стечкиной

Pf плотность волокна фильтра плотность газа ЛР перепад давления на фильтре

ЛРо стандартное сопротивление фильтра щ коэффициент захвата частиц волокном за счет зацепления r]st коэффициент инерционного захвата частиц волокном

Лад вероятность адсорбции молекул примеси на аэрозольной частице в единицу времени

Ядес вероятность десорбции молекул примеси с аэрозольной частицы в единицу времени

5к доля газообразного компонента радионуклида, определенная экспериментально а радиус волокна, гидродинамический радиус волокна

А(г) активность радионуклида, накопленная на аэрозольной частице радиуса г дозовый коэффициент внутреннего фотонного облучения Ca(t) концентрация аэрозольного компонента в атмосфере в момент времени 1 Скп поправка Каннингема

Cг(t) концентрация газообразного компонента в атмосфере в момент времени t

В коэффициент диффузии молекул

0 медиана счетного распределения частиц по размерам

Оо медиана распределения пятен почернения по размерам на авторадиографических изображениях Еу энергия гамма-излучения

Е(у) среднее число пересечений N волокон

Е безразмерная сила сопротивления потоку, действующая на волокно единичной длины г) плотность распределения аэрозольных частиц по размерам

Ео безразмерная сила сопротивления потоку при автомодельном режиме течения газа а(г) плотность активностного распределения аэрозольных частиц по размерам л? (г) плотность счетного распределения аэрозольных частиц по размерам

О массовая концентрация аэрозольных частиц

Н толщина волокнистого фильтра к константа Лассена-Рао

1(г, а) диффузионный поток адсорбируемой на аэрозольной частице молекулярной примеси к гидродинамический фактор

К проскок аэрозольных частиц через фильтр к(3) нормированная корреляционная функция структуры волокнистого фильтра Кп число Кнудсена

Е периметр выпуклого множества длина случайной хорды выпуклого множества т масса аэрозольной частицы масса фильтра единичной площади N счетная концентрация аэрозольных частиц

М доля вещества, задержанная 1-ым фильтром пакета

Р давление газа

Ре число Пекле

Цр качество фильтра или коэффициент фильтрующего действия

Р параметр зацепления г радиус частицы

Го медианный радиус логарифмически нормального распределения

ГАт мода распределения активности по размерам аэрозольных частиц активностная мода) Ке число Рейнольдса п/ коэффициент корреляции между массовыми концентрациями 1 и I химическими элементами на к высоте ^ число Стокса

Stc критическое число Стокса

Г температура

Т1/2 период полураспада радионуклида

Но скорость набегающего потока

V скорость частицы

У(В) объем случайной области В

Ус критическая скорость частицы

АМАД активностный медианный аэродинамический диаметр

Е эффективность фильтра

К47 отношение объемных активностей лл"лОз и лл''Сз

ММАД массовый медианный аэродинамический диаметр

ОА объемная активность аэрозолей

Некоторые употребляемые сокращения

ЛНР логарифмически нормальное распределение

ММФ метод многослойных фильтров

СФМ сорбционно- фильтрующие материалы

Д11Р дочерние продукты распада

ЧАЭС Чернобыльская атомная электрическая станция

МКРЗ Международная комиссия по радиологической защите

НРБ Нормы радиационной безопасности

Современное состояние окружающей среды вызывает серьезное опасение не только экологов, медиков, биологов и других ученых и специалистов, но и населения Земли в целом. Развитие и функционирование традиционных отраслей промышленности, создание новых отраслей с неизученными последствиями воздействий сопутствующих факторов на экосистемы, локальные и крупномасштабные аварии, быстрый рост числа автотранспорта и т.д. ведут к непрерывному загрязнению воды, почвы, атмосферы. Их воздействие на природу и человека часто носит необратимый характер и ведет к росту числа мест, неблагополучных или невозможных для постоянного проживания и ведения хозяйственной деятельности, к нарастающему ухудшению здоровья, проявляющемуся не только в росте заболеваемости, но и в повреждении генофонда.

Качество атмосферного воздуха является важнейшим критерием состояния окружающей среды в том или ином регионе. К загрязнителям воздуха относятся вещества, присутствующие в атмосфере в концентрациях, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на человека и окружающую среду. Большинство этих веществ обычно присутствуют в низких (фоновых) концентрациях. Они образуются в результате природных процессов, а также из антропогенных источников (высокие концентрации таких веществ в природе, например метана или диоксида серы, наблюдаются в исключительных случаях). Поэтому к загрязнителям следует относить вещества в высоких по сравнению с фоновыми значениями концентрациях, возникающие в результате химических, биологических или иных процессов, используемых человеком. Наиболее значимую отрицательную роль среди них играют энергетика, химическая, металлургическая и нефтеперерабатывающая промышленности.

Вещества-загрязнители присутствуют в атмосфере в виде газов и аэрозолей. Некоторые токсичные газы вследствие различных реакций образуют аэрозоли с твердой или жидкой дисперсной фазой, причем равновесные условия между газом и аэрозолем достигаются достаточно быстро [1]. Содержание радиоактивных веществ в атмосфере обычно незначительно (исключение составляют эманации естественного радона, объемная активность которого может быть очень велика в шахтах и подвалах зданий [2]). Наоборот, крупные ядерные аварии приводят к сильному загрязнению атмосферы радиоактивными аэрозолями и газами и к их глобальному переносу [3].

Необходимость в контроле состояния воздуха обусловлена несколькими причинами. Во-первых, требуется выявить источники образования токсичных газов и аэрозолей в технологических процессах, оценить их характеристики и предложить те или иные способы их локализации и улавливания для предотвращения выбросов в производственные помещения и свободную атмосферу. Во-вторых, для обеспечения высоких стандартов чистоты воздуха или технологических газов в ряде производств (например, в электронной промышленности) их требуется предварительно очищать, контролируя чистоту с высокой точностью.

Не менее важной причиной, определяющей необходимость контроля воздушной среды, является развитие представлений, основанных на физике и химии атмосферы. Для понимания процессов, происходящих в атмосфере, необходимо иметь надежные исходные данные об источниках образования примесей, их вертикальном и временном распределениях и трансформациях. Многие примеси служат удобными метеорологическими трассерами.

Для всестороннего контроля воздушной среды используют атмосферный мониторинг - инструментально- методический комплекс для получения информации о токсичных или технологически недопустимых атмосферных примесях.

Аэрозольный мониторинг, предназначенный для контроля аэродисперсных загрязнений атмосферы, имеет свои особенности. Прежде всего, они связаны с различием в методах отбора и анализа газов и аэрозолей. Как правило, количественный анализ атмосферных примесей проводят после их концентрирования в результате прохождения воздуха через поглотительные среды (для газов) или фильтрующие материалы (для аэрозолей). Поглотительная среда выбирается исходя из анализируемого вещества, в то время как фильтрующие материалы улавливает дисперсные примеси независимо от их химического состава. Наконец, аэрозоли ведут себя в атмосфере не так, как газы, и их механика определяется свойствами частиц.

Для решения задач, стоящих перед аэрозольным мониторингом, необходимо контролировать

1) концентрацию, а в случае радиоактивных аэрозолей- объемную активность;

2) химический (радионуклидный) состав аэрозолей. Под этим понимают, как правило, элементный состав частиц. Сюда же можно отнести и химические формы стабильных элементов и радионуклидов, определяющие, в частности, их растворимость.

3) дисперсность, которая характеризуется плотностью распределения или интегральной характеристикой- функцией распределения индивидуальных свойств частиц по размерам;

4) соотношение аэрозоль-газ (фазовый состав) определяется для летучих соединений веществ, существующих в атмосфере как в аэрозольном, так и в газообразном состоянии;

Среди этих характеристик две последние имеют важнейшее значение, так как определяют поведение примесей в атмосфере, фильтрующих системах и органах дыхания.

Очевидно, что чем меньшими аппаратурными средствами достигается контроль необходимых параметров аэрозолей, тем эффективнее мониторинг. Так как подавляющее большинство способов контроля концентрации и химического состава аэрозолей основано на их предварительном концентрировании с помощью фильтров, наиболее логичным и эффективным методом определения дисперсного и фазового состава примеси является разделение аэрозольных частиц по размерам, а газо-аэрозольных компонентов-по фазам путем их послойного избирательного осаждения в пакетах волокнистых фильтров, заключительные слои которого содержат сорбенты. Однако, существуюгцая фундаментальная, расчетная и инструментальная основа этого метода недостаточна. Так, модели волокнистых фильтров, применяемые в теории фильтрации, неадекватны реальным фильтрам, а полученные на основе лучшей из известных моделей- «веерной» - формулы для расчета гидродинамического сопротивления и эффективности улавливания аэрозолей не охватывают диапазон высоких скоростей фильтрации, необходимых для реализации данного метода. Требует доработки, оптимизации и программного обеспечения задача восстановления спектров размеров частиц исходя из послойного распределения осадка в пакете фильтров. Необходимо также, чтобы эти фильтры были бы достаточно тонкими, прочными и имели бы однородную заданную структуру. Но имеющийся ассортимент фильтрующих материалов не удовлетворяет этим требованиям.

В качестве причин, ограничивающих глубину и результативность диагностики аэродисперсных систем и надежность оценок их воздействия на человека и окружающую среду, к указанному выше несовершенству аэрозольного мониторинга волокнистыми фильтрами, как методической базы исследований, следует добавить еще ряд других весьма существенных недостатков - небольшое число и малое генетическое разнообразие исследованных объектов, случайность и импровизированный характер сценариев их эволюции и диагностики, ограниченный объем и невысокая статистическая надежность полученного экспериментального материала, недостаточно глубокий, как правило, лишь качественный уровень его физико-химической интерпретации.

В связи с тем, что загрязнение атмосферы продолжается, растет число и масштабы способствующих этому техногенных катастроф, устранение существующих недостатков, а также дальнейшее развитие методической, экспериментальной и фундаментальной базы диагностики процессов эволюции экологически опасных аэрозольных объектов, являющееся предметом данной работы, представляет собой комплекс взаимосвязанных актуальных научных задач физико-химического направления, решаемых в интересах охраны окружающей среды.

Проблема и пути ее решения (обзор)

Методы определения характеристик аэрозолей

К основным характеристикам аэрозолей относят счетную, массовую или активностную концентрацию (объемную активность), химический (радионуклидный) состав, дисперсность и фазовый состав . Если для определения первых двух параметров фильтры используются очень давно, по крайней мере, с 40-х годов XX века, то применение волокнистых фильтров для целей дисперсного и фазового состава не является традиционным.

В большинстве практических случаев для отбора представительной пробы аэрозолей (отношение полезного сигнала к собственному фону фильтра должно быть 3 и выше) требуется отфильтровывать значительные количества воздуха. При отборе атмосферных аэрозолей и последующем определении их химического состава инструментальным нейтронно-активационным анализом, ИНАА (одним из самых чувствительных ядерно-физических методов) через

2 3 аналитический фильтр площадью 20 см прокачивают не менее 6 м воздуха. При исследовании глобального ЛЛЛСз с объемной активностью порядка 101ЛЛ Ки/л (3,7х10"Л Бк/мЛ) для выполнения полупроводниковой гамма- спектрометрии пробы необходимо прокачать через фильтр не менее 10л мЛ. Поэтому линейная скорость фильтрации должна быть высокой. Как правило, она превышает 1 м/с.

Для того, чтобы отобрать аэрозольную пробу на аналитический фильтр и исследовать состав осадка, необходимо, чтобы этот фильтр был бы достаточно эффективным. Такие фильтры производятся как в России, так и за рубежом, и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подобным исследованиям [4]. При этом совершенно не обязательно с высокой точностью знать эффективность фильтра; как правило, достаточно значения, указанного в паспортных данных.

Е[наче обстоит дело с определением дисперсности аэрозолей. Все измерения основаны на точном знании зависимости той или иной характеристики частицы от ее размера. Универсального метода определения дисперсности во всем диапазоне размеров частиц аэрозоля (от нескольких нм до нескольких десятков мкм) не существует. К прямым методам (с некоторой оговоркой) определения размеров частиц относятся оптическая и электронная микроскопия- весьма трудоемкие методы, использующиеся как правило лишь при детальном исследований структур частиц. Основу всех косвенных методов анализа можно выразить посредством интегрального уравнения Фредгольма I рода

1) пСх) = \К{х,г)/{г)Ф, В обзоре не рассматриваются оптические характеристики аэрозолей и методы их определения. где /(г) - плотность распределения частиц по размерам (неизвестная функция),

К{х,г) - функция отклика (ядро уравнения), п{х)- измеряемая с некоторой погрешностью величина, х - совокупность параметров, г - радиус частиц. Известно [5], что уравнение (1) принадлежит к классу некорректно поставленных задач.

Если в качестве ядра уравнения (1) взять величину С-5(г-го), найдем, что п(х)л(го).

Рассмотрев слзд1аи л(х,г) = ¥^(г -Го)=л< , получим, что п(х)=1-Р(го). Здесь Р(г)- функция распределения частиц по размерам.

Методов, в основе которых лежат столь "хорошие" функции отклика, не существует. Общим же для всех методов является однозначная зависимость функции отклика от размера частиц, причем чем сильнее зависимость - тем лучше метод может быть реализован практически. Известны методы, основанные па искусственной зарядке частиц и измерении их подвижности в электрическом поле [6]. Фотоэлектрические методы основаны на регистрации излучения, отраженного от частицы. Их недостаток состоит в том, что функция отклика зависит не только от размера частицы, но и от показателя преломления(состоящего из рассеивающей и поглощающей компонент) и угла наблюдения. Поэтому при измерении одинаковых размерных спектров аэрозолей латекса и сажи будут получены разные результаты. Измеренный с помощью фотоэлектрических методов размер частицы называется оптическим эквивалентным диаметром (радиусом) [7], и часто в силу вышеуказанных причин не соответствует другим характеристикам размеров.

Общий недостаток этих классов методов состоит в том, что при измерениях невозможно разделить интересующие частицы и аэрозольный фон. Примером может слулшть использование лазерного аэрозольного спектрометра в начальный период аварии на Чернобыльской АЭС, когда не было выявлено различий в спектрах размеров аэрозолей в 30- км зоне и в центральных районах Европейской части СССР, измеренных до аварии [8].

В связи с этим представляется логичным проведение исследований дисперсности, когда разделение на размерные фракции происходит непосредственно в пробоотборном устройстве, после чего можно определить химический (нуклидный) состав каждой фракции. Этот принцип присущ методам, основанным на диффузионном (диффузионные батареи) и аэродинамическом разделении частиц вследствие их седиментации или инерционном осаждении на препятствии. Наиболее распространенным инерционным осадителем является импактор.

Современные импакторы состоят из последовательно расположенных каскадов (общее их число составляет обычно 5-6), на каждом из которых происходит осаждение той или иной размерной фракции. В качестве препятствия используют плоские поверхности или калиброванные отверстия, а в заключительном каскаде всегда используется аэрозольный фильтр. Функция отклика в уравнении (1) для каждого каскада достаточно резко возрастает от О до 1, что позволяет получить оценку функции распределения по размерам. Описания различных типов импакторов и основы их расчета приведены в работах Н. А. Фукса [9] и Мэйпла [10]. Каскадные импакторы эффективны для исследований в размерном диапазоне 1.10 мкм, но некоторые конструктивные доработки позволяют снизить минимальный размер до 0,4 мкм. В импакторах низкого давления возможен анализ в диапазоне 0,03-0,7 мкм [11].

Для разделения аэрозоля по размерным фракциям объемная скорость воздуха в импакторе должна быть фиксированной. Как правило она составляет несколько десятков л/мин. Для отборов проб с низким содержанием аэрозольных примесей используют импакторы с гораздо большей производительностью (сотни л/мин), при этом вес и габариты таких моделей существенно возрастают, а для обеспечения представительности пробы применяют мощные воздуходувки. После окончания отбора пробы импактор разбирают, и осадок, задержанный на каждом каскаде, анализируют.

Использование импакторов для выполнения задач аэрозольного мониторинга требует высокой квалификации экспериментаторов. По-видимому, для рутинных измерений дисперсности они малопригодны в силу высокой стоимости проведения анализа. Тем не менее, в настоящее время за рубежом большинство сведений о дисперсности атмосферных аэрозолей получены с помощью импакторов.

Другим препятствием, на котором можно разделить размерные фракции (хотя и в неявном виде), служит фильтр. Процесс разделения основан на зависимости эффективности улавливания частиц от размера. При заданной скорости потока эффективность с возрастанием размера частицы вначале уменьшается, проходя через минимум, а затем резко растет.

Использование фильтрации для целей дисперсного анализа вначале не было связано с послойным разделением частиц. Методы сводились либо к микроскопическим, либо к авторадиографическим исследованиям осадка [12 . Лишь в середине 60-х годов Локхарт с соавт. опубликовали работы [13, 14] о методе анализа дисперсного состава субмикронных радиоактивных аэрозолей с помощью набора из нескольких волокнистых фильтров. Распределение активности по размерам находили из уравнения т

2) ЛЛ-=1л.лл где Д - доля активности, задержанной / фильтром, Ву- эффективность /-го фильтра для у-го размерного диапазона, принимаемая постоянной, щ - доля активности, связанная с частицами из у-го размерного диапазона. Этим методом Локхарт и др. исследовали радиоактивные атмосферные аэрозоли. Метод оказался неудобным на практике, так как система уравнений (2) плохо обусловлена и нечувствительна, следовательно, к вариациям исходных данных [15]. Б. И. Огородников с соавт. [16] сумел использовать такой подход лишь благодаря малому числу размерных интервалов, удачному выбору их границ и высокой точности измерения активности проб.

Для анализа дисперсности в широком диапазоне Манфред [17] предложил использовать 11 нуклепорных фильтров с размерами пор от 0,05 до 10 мкм. С помощью иной композиции нуклепорных фильтров Твоми и Залабски [18, 19] исследовали распределение по размерам атмосферных аэрозолей в диапазоне 0,001. 0,1 мкм. Оказалось, что несмотря на большое количество фильтров, пакет из таких фильтров оказался слабо чувствителен к бимодальным спектрам, а восстановленная плотность распределения по размерам - шире, чем истинная. Малая пылеемкость и высокое гидродинамическое сопротивление пакета не позволили широко его использовать, и дальнейшие работы не проводились.

Следующим этапом в развитии метода анализа дисперсности с помощью набора фильтров стала работа Н. В. Боголапова с соавт. [20]. Благодаря введению априорной информации о спектре размеров частиц и использованию тонких слоев однородных волокнистых фильтров ФП удалось определить дисперсность альфа- активных субмикронных аэрозолей в приземном слое воздуха.

Дальнейшее развитие метод определения дисперсности с помощью волокнистых фильтров получил благодаря выполненному нами (совместно с Б. И. Огородниковым, В. И. Скитовичем и др.) циклу работ. В первую очередь, были исследованы закономерности высокоскоростной фильтрации аэрозолей, которая лежит в основе определения параметров априорного распределения. Были предложены вычислительные алгоритмы и программные реализации поиска искомых параметров [21, 22], расширен диапазон использования метода [23], определены оптимальная композиция набора фршьтров и их характеристики [24]. Была усовершенствована технология получения волокнистых фильтрующих материалов и пакетов аналитических фильтров, предназначенных для анализа дисперсного состава аэрозолей, что позволило выпускать их в количествах, достаточных для проведения апробации метода и его практическому использованию.

Метод многослойных фильтров (ММФ), стал широко использоваться в России в практике аэрозольного мониторинга. С его помощью удалось определить дисперсный состав радиоактивных и неактивных аэрозолей различного генезиса (см., например, [25-28]), в частности, на исследовательских ядерных реакторах и АЭС. ММФ существенно упростил проведение комплексного мониторинга газо-аэрозольных продуктов Чернобыльской аварии.

В результате введения в действие Норм Радиационной Безопасности (НРБ-99) в 2000 г. разработаны Методические указания по определению дисперсности радиоактивных аэрозолей на предприятиях атомной промышленности, основанные на ММФ [29].

Некоторые примеси в атмосфере существуют как в виде аэрозолей, так и в различных газообразных формах. Для концентрирования газообразных примесей их пропускают через сорбирующие среды. Как правило, сорбент помещают в картридж пробоотборного устройства, а сам сорбент выбирают исходя из эффективности улавливания по отношению к анализируемой примеси. Часто используют активированные угли с добавлением взаимодействующих с газовой примесью добавками [30]. Так, для улавливания паров радиоактивного молекулярного йода и других его химических форм в качестве таких добавок успешно применяют азотнокислое серебро, пары ртути улавливаются добавлением йода и т. д.

Если мелкоизмельченный сорбент разместить в пространстве между волокнами фильтрующего материала, в результате мы получим двухкомпонентную систему, эффективно улавливающую газообразные примеси. Такие сорбционно- фильтрующие материалы (СФМ) на основе фильтров ФП из полимерных волокон были разработаны Н. Б. Борисовым с соавт. [31] для анализа ряда токсичных соединений. По нашему мнению, использование СФМ в мониторинге газо-аэрозольных систем предпочтительней, чем применение картриджей. СФМ обладают низким аэродинамическим сопротивлением, высокой эффективностью и простотой использования как при отборе воздушной пробы, так и ее подготовке к дальнейшим измерениям.

Волокнистые фильтры и СФМ с отобранной на них пробой легко подвергаются дальнейшим анализам (микроскопия, авторадиография, спектрометрия, химическое выделение примеси и т. д.). Поэтому использование пакетов, состоящих из волокнистых фильтров и сорбционно-фильтрующих материалов, позволяет решить разнообразные задачи мониторинга, связанные с отбором проб и определением физико-химических характеристик аэрозолей.

В России и странах бывшего СССР фильтрующие материалы ФП из тонких полимерных волокон являются основным средством улавливания аэрозолей для аналитических целей. Эти материалы получают методом электроформования [32]. Впервые материалы ФП были получены в 1937 г в лаборатории аэрозолей НИФХИ им. Л. Я. Карпова, руководимой И. А. Фуксом, его сотрудниками И. В. Петряновым и Н. Д. Розенблюм. К несомненным достоинствам ФП относится возможность создания тонких однородных слоев фильтрующих материалов, что играет решающую роль при разделении аэрозоля по размерным фракциям.

Из уже изложенного материала следует, что отбор аэрозолей для целей мониторинга выполняют при скоростях фильтрации порядка 1 м/с и выше. Как следует из уравнения (1), закономерности высокоскоростного улавливания частиц имеют первостепенное значение для дисперсного анализа аэрозолей, так как именно они определяют распределение уловленного осадка по фильтрующим слоям, а следовательно, и позволяют найти неизвестную функцию Г(г). Поэтому остановимся на проблемах высокоскоростного улавливания аэрозолей волокнистыми фильтрами более подробно.

Улавливание аэрозолей волокнистыми материалами при высоких скоростях фильтрации

Волокнистый фильтр- это не сито, в котором задерживаются все частицы крупнее размера ячейки. Захват частиц волокнами осуществляется за счет следующих процессов: 1) зацепление; 2) инерция; 3) диффузия; 4) электростатическое притяжение; 5) гравитационное осаждение. Эти эффекты действуют всегда, но их вклад неравнозначен. Превалирование того или иного процесса захвата частиц зависит от ряда параметров среды, частицы и фильтра. Получение количественных соотношений между этими параметрами, сопротивлением и эффективностью волокнистого материала составляет цель теории фильтрации аэрозолей.

Несмотря на обилие теоретических и экспериментальных исследований в области фильтрации аэрозолей волокнистыми структурами, можно утверждать, что проблема далека до полного решения. Это связано с тем, что для точного расчета эффективности улавливания фильтра необходимо решить уравнение Навье-Стокса и уравнение движения частицы (в общем случае несферической) с учетом ее инерции, диффузии и всех внешних сил в пространстве волокнистого фильтра, который представляет собой случайную волокнистую структуру. Еще более усложняют задачу неэффективные соударения частицы с волокнами, накопление осадка на волокнах в процессе фильтрации, поджатие фильтрующего слоя при больших динамических напорах газа.

Вместе с тем, теория фильтрации, возникновение, развитие и обобщение результатов которой тесно связано с именами Лэнгмюра, Лэмба, Дэйвиса, Л. М. Левина, Г. Л. Натансона, Кувабары, Хаппеля, А. А. Кирша, И. Б. Стечкиной, Н. А. Фукса, Брауна и др., достигла значительных успехов. Практической иллюстрацией достижений служат отечественные фильтры на основе ФП и аналогичные им зарубежные высокоэффективные аэрозольные фильтры из стекловолокна типа ПЕРА и ULPA[33], создание которых было бы невозможно без теоретических и экспериментальных исследований вопросов фильтрации.

Волокнистый фильтр представляет собой неупорядоченную систему волокон. В силу этого все без исключения структурные параметры являются случайными величинами, имеющими соответствующие распределения вероятности. В основные соотношения для расчета перепада давления и эффективности волокнистого фильтра [34] входят лишь три параметра структуры: радиус (диаметр) волокна, плотность упаковки (доля, занимаемая волокнами в пространстве волокнистого фильтра) и толщина волокнистого слоя. Эти величины считают неизменными и постоянными при решении задач стационарной фильтрации.

В реальном же волокнистом фильтре диаметр волокна распределен по некоторому закону. Это может быть распределение Гаусса с достаточно малым среднеквадратичным отклонением, а также иные распределения вероятности. Кроме того, волокна не всегда имеют форму цилиндров. Вариации плотности упаковки и толщины фильтра также всегда имеют место. Однако отклонения упомянутых случайных величин от их средних значений не являются определяющими. В конечном итоге, различие макроскопических свойств материалов определяются способом укладки волокон. В качестве примера можно рассмотреть 2 слоя параллельных волокон, один из которых состоит из одинаковых цилиндров, равноотстоящих друг от друга, а второй - из таких же цилиндров, но сдвоенных. Несмотря на тождество диаметра волокон, плотности упаковки и толщины обоих слоев, их гидродинамические сопротивления существенно различаются [34].

Волокнистые структуры как объект исследования изучаются в современной стохастической геометрии. Случайные прямые исследовались Крофтоном, Бляшке, Дэвидсоном в конце XIX и в первой половине XX века. Большой вклад в их описание внес Майлз. Наиболее полно современное состояние стохастической геометрии изложено в монографиях [35-37 .

Подход к описанию аэрозольного волокнистого фильтра как случайной линейной структуры впервые применили Пикаар и Кларенбург [38]. Ошибки в выборе способа моделирования структуры и внешнее сходство распределения пор по размерам с логарифмически нормальным привели к неточным результатам. Корте [39] разделил параметры линейной структуры на те, которые определяют механические и пористые свойства бумаги. Л. В. Радушкевич [40], рассмотрев сеть случайных прямых на плоскости, показал, что длина свободного участка волокна между пересечениями с другими волокнами описывается экспоненциальным распределением, параметры которого выражаются через диаметр волокон и плотность упаковки фильтра. Было определено среднее число точек пересечения цилиндров в упаковке, однако эти результаты в математике были уже известны. Ю. М. Глушков [41] предпринял попытку рассчитать проскок аэрозоля через случайную трехмерную линейную структуру в случае свободномолекулярного течения и попытался аналитически построить корреляционную функцию плотности упаковки фильтра. В работе [42] мы исследовали сходство и различие модельных и реальных волокнистых структур и ввели понятие корреляционной функции случайной структуры, чувствительной к дефектам микроструктуры. Браун [43] показал (хотя и не совсем строго), что площади пор подчинены распределению Вэйбулла [44], являющимся обобщением экспоненциального распределения на многомерный случай.

Следует заметить, что экспериментальное изучение микроструктуры волокнистого фильтра затруднено тем, что при его препарировании и дальнейшем исследовании волокна в фильтре могут сместиться от своего первоначального положения. Некоторые успехи были достигнуты при использовании конфокального лазерного сканирующего микроскопа, вносящего минимальные искажения в изучаемую структуру [45] и позволяющего получить ее трехмерное изображение, однако по непонятным причинам дальнейшего развития эти работы не получили. Другие попытки сводились лишь к измерению вариации плотности упаковки фильтрующего материала [46-48].

Так как волокнистый фильтр является случайной структурой и поле течения в каждой точке зависит от конкретного расположения волокон, расчет гидродинамических и фильтрующих характеристик представляется очень сложной задачей. Тем не менее, попытки учесть неоднородность микроструктуры фильтра теми или иными способами предпринимаются, хотя здесь нет заметных успехов (см., например, работы Брауна [49], Швирса и Леффлера [50], М. Шапиро [51]). Не является исключением и недавно опубликованная работа Даньялы и Лю [52]. В ней авторы 5Д1итывают микронеоднородность фильтра путем введения переменной плотности упаковки, распределенной по логарифмически-нормальному закону, но в расчетах проскока частиц используют профиль течения в системе параллельных цилиндров.

Для приближенного определения перепада давления и эффективности обычно используют двумерные регулярные (модельные) структуры, существенно упрощающие расчеты. Действенность той или иной модели волокнистого фильтра в конечном итоге определяется применимостью полученных формул для расчета реальных фильтров.

Существует несколько моделей, более или менее успешно применяющихся для указанных выше целей. Отметим, что наиболее интересны те модели, которые можно изготовить и исследовать экспериментально. Известны модели с шахматным и коридорным расположением рядов параллельных цилиндров [34]. В качестве модельных фильтров применяли сетки, наложенные друг на друга [53]. Экспериментальные исследования, проведенные А. А. Киршем и Н. А. Фуксом [54, 55], показали, что при невысоких скоростях воздушного потока (при малых числах Рейнольдса, Ке) очень хорошей является веерная модель волокнистого фильтра. Веерная модель представляет собой систему, состоящую из рядов параллельных цилиндров, причем каждый последующий ряд повернут относительно предыдущего на произвольный ненулевой угол. Несмотря на то, что веерная модель пока не подлежит прямому расчету в силу ее трехмерности, она, по-видимому является наилучшей регулярной структурой для экспериментального изучения закономерностей фильтрации. О одной стороны, для ряда параллельных цилиндров поле течения известно. О другой стороны, статистические характеристики структуры веерной модели достаточно близки к характеристикам случайной волокнистой структуры, чего нельзя сказать о других моделях [42]. Свидетельством тому являются исследования гидродинамических свойств веерной модели при малых Ке и ее фильтрующих свойств в отсутствии инерционного осаждения и электростатического захвата. Проведенные эксперименты позволили А. А. Киршу и И. Б. Отечкиной получить формулы для расчета аэрозольных фильтров, причем в расчетах для описания поля течения в системе параллельных цилиндров при Ке«1 была использована ячеистая модель Кувабары [56]. Отличие от реальных фильтров заложено в эмпирическом коэффициенте неоднородности, определяемом как отношение перепада давления на волокнистом фильтре и веерной модели. Оущественно, что измеренные таким образом коэффициенты неоднородности были успешно использованы в расчетах захвата аэрозолей за счет диффузии и зацепления.

Экспериментальные исследования свойств веерной модели в переходном режиме течения газа (Ке порядка 1 и более), в режиме течения со скольжением (большие числа Кнудсена) и в области инерционного захвата аэрозолей выполнены нами [57\

Для мониторинга аэрозолей используют высокие скорости фильтрации. Повышение скорости потока газа через волокнистый фильтр (в более общем случае, рост Ке) ведет к возрастанию инерционного члена в уравнении Навье-Стокса, что создает значительные трудности при расчете поля течения даже в ряде параллельных цилиндров. Аналитически исследован лишь предельный оЩкй потенциального обтекания (Ке-Асо) (Г. Л. Натансон, [58]).

Рост скорости фильтрации выражается в том, что зависимость перепада давления на фильтре от скорости газа из линейной постепенно переходит в квадратичную. Для расчета при промежуточных числах Ке применяют методы, в основном использующие ячеистую модель Кувабары. Так, Бушер и Луа [59 предложили метод расчета, объясняющие экспериментальные данные Робинсона и Франклина [60] и Фэна с соавт. [61]. Эми с соавт. [62] рассчитал поле течения в системе параллельных цилиндров в диапазоне чисел Рейнольдса от 1 до 100 при различных плотностях упаковки волокон. Браун [63] предложил многоволоконную теорию, и с помощью метода конечных элементов рассчитал поле течения шахматной модели волокнистого фильтра при Ке>\.

Экспериментальные исследования гидродинамических характеристик реального волокнистого фильтра при промежуточных Ке с целью получения формул для расчета перепада давления проведены Робинсоном и Франклином 60] и многими другими авторами. Гидродинамические характеристики фильтров ФП изучены в работах [64-67]. Исследования веерных моделей с разными диаметрами волокон и плотностями упаковки и фильтров ФП позволили нам предложить формулу для расчета перепада давления волокнистых фильтров для Ке<4 [68], что имеет практическое значение для выбора средств высокоскоростного отбора проб на волокнистые фильтрующие материалы.

Повышение скорости фильтрации ведет не только к нарушению автомодельности течения, но и к снижению относительных вкладов диффузионного и электрического механизмов улавливания аэрозольных частиц. Определяющим становится инерционный захват. Эффективность инерционного осаждения частиц на волокне фильтра характеризуется числом Стокса, где Сл„-поправка Каннингема, Рр,г иг - плотность, скорость и радиус частицы, соответственно, р- динамическая вязкость газа, а - радиус волокна.

Коэффициент инерционного захвата щ находят из траектории частицы, которая зависит не только от поля течения вблизи волокна, но и от поля течения в целом. Эта задача существенно более сложная, чем расчет захвата за счет эффекта зацепления, так как частица в силу своей инерционности смещается с линии тока.

Очевидно, при щ->0 (частицы двигаются вдоль линий тока), а при

81->со Г181 Л1 (все частицы из потока, сечение которого равно площади препятствия, осаждаются на нем). Если вклады инерции и зацепления в суммарный коэффициент захвата сопоставимы, трудно выделить инерционный эффект в чистом виде. В этом случае рассматривается захват за счет совместного действия этих механизмов.

А. А. Кирш с соавт. показал, что при числах Стокса 0,02-0,1 зависимость коэффициента захвата за счет зацепления и инерции г]А имеет минимум вследствие действия центробежных сил, приводяш,их к возрастанию концентрации частиц непосредственно перед препятствием и ее сниженипю в остальных областях вблизи волокна [69]. Этот эффект представляет чисто теоретический интерес, так как его невозможно зафиксировать в экспериментах. Расчеты, проведенные Йехом и Лю в диапазонах чисел Стокса, при которых проявляется центробежный эффект, дают отличие в коэффициентах Г1т лишь в третьем знаке [70 .

Из анализа уравнения движения частицы вблизи препятствия следует, что существует критическое число Стокса 81кр, ниже которого инерционный захват отсутствует(Л. М. Левин, [71]). Установлено, что при вязком обтекании изолированного цилиндра его значение равно 1/8. (Позже Ингхэм [72] показал, что критическое число Стокса существует лишь в случае потенциального обтекания препятствия, а в режиме вязкого обтекания величина щ очень мала, но конечна).

Экспериментально установлено, что эффективность инерционного осаждения в волокнистых фильтрах начинает существенно возрастать при 81 >0,1.0,3 (Вонг с соавт. [73]), а при 8Г>0,5 инерционное осаждение преобладает над другими механизмами улавливания частиц. Например, в наших экспериментах с волокнистыми фильтрами ФП и веерными моделями критическое число Стокса находилось в диапазоне 0,15.0,20 [57]. Е. Н. Ушаковой с соавт. [74] получено значение 8ир=А,26.

Расчеты инерционного осаждения на волокнах фильтра в широком диапазоне чисел Стокса и Рейнольдса проводили многие авторы [75-81]. Общим результатом является медленный рост щ при малых 81 и асимптотическое приближение к 1 при больших 81. Всегда существует область, где коэффициент инерционного захвата возрастает гораздо быстрее, чем в результате чистого зацепления. Эта закономерность и позволяет разделять частицы по размерам в процессе отбора проб на пакеты фильтров. Кроме того, коэффициент инерционного захвата растет с увеличением плотности упаковки и числа Ке.

Как и при расчетах поля течения, для оценки эффективности улавливания частиц используют регулярные решетки. Для того, чтобы проверить правильность расчетов инерционного осаждения в моделях фильтров, необходимо соблюсти обязательные требования к экспериментам, а именно: эффективное соударение частиц с цилиндрами, перемешивание аэрозоля после каждого ряда и автомодельность течения {Ке<\). Последнее условие важно при использовании ячеистой модели поля течения. Выполнение этих условий в экспериментах с шахматной моделью позволили получить А. А. Киршу и И. Б. Стечкиной удовлетворительное согласие полученных данных с расчетами, выполненными для этой модели с использованием поле течения Мияги при малых числах Ке [82 .

Эффект "скольжения" газа на волокнах, проявляющийся при разрежении (при отборе проб па больших высотах) или при фильтрации материалами с тонкими волокнами, ведет к росту инерционного осаждения, что теоретически показано Йехом и Лю [70].

Количественные результаты расчетов инерционного осаждения в модельных фильтрах не совпадают с экспериментальными данными, полученными для реальных фильтров. Характерным примером служит работа Нгуэна и Бэкманса [76]. Эти авторы получили полуэмпирическ}А формулу для щ, выраженную в виде степеней St и учитывающую зависимость от Ке и плотности упаковки. Для нахождения коэффициентов был использован нелинейный метод наименьших квадратов. Оказалось, что полученные коэффициенты сильно различаются в случаях модельных и реальных фильтров.

Экспериментальные исследования эффективности фильтров в инерционной области захвата частиц выполнены в работах [61, 81, 83-85], а для материалов ФП- в работах [16, 66, 74, 86], в том числе и нами. Общим для всех экспериментальных работ является то, что зависимости инерционного захвата от параметров фильтра, частиц и среды соответствуют расчетным лишь качественно. Таким образом, в настоящее время наиболее надежным способом расчета инерционного осаждения является использование эмпирических и полуэмпирических соотношений с учетом проведенных экспериментов.

Применение этих формул ограничено, однако их использование позволяет с хорошей степенью точности определить эффективность фильтров с приблизительно одинаковыми структурными характеристиками.

Вопросы, связанные с нестационарной фильтрацией, важны для выбора продолжительности и скорости отбора проб при аэрозольном мониторинге. Скорость отбора проб ограничена отскоком частиц от волокон и связанным с ним снижением эффективности инерционного захвата, а продолжительность определяется динамикой накопления осадка на волокнах фильтра.

Частица, соприкасаясь с волокном, удерживается на ней благодаря действию электрических, капиллярных и Ван-дер-Ваальсовых сил, которые в совокупности называют силами адгезии. Их величины зависят от состава, формы и поверхности частиц и волокон и ряда других причин. Даже для однородной системы значения сил могут различаться на несколько порядков величины.

Если скорость частицы непосредственно перед столкновением с волокном равна то после столкновения ее значение равно Уг. Величину Г/1А называют коэффициентом реституции. Кинетической энергии частицы, которой она обладает после столкновения, может быть достаточно на преодоление энергии адгезии. Последняя величина также может измениться при столкновении (например, из-за деформации частицы). Таким образом, существует критическая скорость, выше которой столкновение частицы с волокном становиться неэффективным.

Количественной теории, позволяющей предсказать снижение коэффициента захвата аэрозольных частиц вследствие отскока, не существует. Отметим экспериментальные работы Данеке [87-89], в которых исследована зависимость коэффициента реституции от скорости полистироловых частиц при их столкновении с плоскими поверхностями. В работе Леффлера [90] для сферических частиц и Ван-дер-Ваальсовой адгезии приведена формула для вероятности адгезии как функции St, Яе, кА, плотности частиц. Из нее следует, что вероятность адгезии снижается с ростом размера частицы, ее скорости, коэффициента реституции (зависящего от упругих свойств частицы) и уменьшения диаметра волокна. Расчеты проведены для изолированного цилиндра и совпадают с экспериментами с кварцевыми и парафиновыми частицами диаметрами 3-20 мкм вплоть до скорости 1 м/с. Элленбеккер с соавт.

91] привел корреляционную связь между вероятностью адгезии и кинетической энергией частицы. Стенхаус и Фрешвотер [92] с помощью расчета с использованием ячеистой модели Кувабары показали, что существует сильная зависимость эффективности столкновений от числа Стокса, однако их данные более чем в 2 раза отличались от опытных. Подобные результаты получены в работе [93].

Эксперименты, в которых наблюдали отскок частиц от поверхности волокон ФП, выполнены В. И. Скитовичем с соавт. [66,94]. При испытаниях материала ФП из волокон ацетилцеллюлозы диаметром 5-7 мкм было установлено, что снижение эффективности улавливания частиц стеариновой кислоты диаметром 0,8 мкм начинается при скоростях свыше 5 м/с. При проведении экспериментов с аэрозолями двуокиси меди и карбида вольфрама было обнаружено смещение скорости, соответствующей максимальному коэффициенту инерционного захвата, в сторону меньших значений при увеличении размеров частиц. Нами исследован отскок частиц латекса от полимерных волокон материала ФП[95] и от вольфрамовых цилиндров диаметром 11 мкм, из которых была изготовлена веерная модель [57].

Эффект отскока следует учитывать при мониторинге аэрозолей с помощью фильтров. Это означает, что скорость отбора аэрозольных проб не должна превышать критических скоростей для наиболее крупных частиц в спектре размеров. Это особенно важно при использовании как ММФ, так и импакторов. Если частица с большой вероятностью отскочит от препятствия, она задержится на последующих каскадах или слоях пакета фильтров, что приведет к неправильному определению дисперсности аэрозоля.

Динамика изменения сопротивления и эффективности фильтра в процессе его запыления качественно схожа для всех основных механизмов захвата частиц волокнами. Вначале с накоплением осадка на фильтре перепад давления и эффективность растут достаточно медленно и линейно. Затем начинается быстрый рост, означающий переход от глубинной фильтрации к поверхностной. Однако динамика образования осадка на волокне разлргчается для различных механизмов захвата частиц волокном. Если в случае диффузионного осаждения на начальном этапе забивки частицы располагаются на волокне равномерно по всей его поверхности, то при инерционном осаждении частицы оседают преимущественно на фронтальной поверхности волокна [96]. Вследствие этого сопротивление и эффективность растут существенно медленней, чем при диффузионном осаждении. Например, в работах Канаока с соавт. экспериментально установлено, что коэффициент пропорциональности в линейной функции отношения эффективностей запыленного и незапъшенного фильтров снижается с 10 млкг при St=(),05 до 0,1 мл/кг при St=l [97, 98]. На это же указывают и его расчеты [99]. Отенхаусом с соавт. показано, что перепад давления на фильтре в процессе забивки растет существенно быстрее для более мелких частиц, чем для крупных [100]. Скорости роста перепада давления и эффективности выше для фильтров с большей величиной плотности упаковки при любых механизмах улавливания частиц [101 .

Нри инерционном механизме улавливания рост эффективности при накоплении осадка впоследствии может смениться снижением эффективности за счет отскока частиц от образовавшегося слоя на волокнах. Это продемонстрировано в расчетах Рамаро и Тьена [102] и экспериментах Отенхауса с соавт.[103]. Иначе говоря, с ростом запыленности вероятность отскока повышается.

Таким образом, на выбор продолжительности отбора проб при аэрозольном мониторинге влияют несколько факторов, среди которых; запыленность атмосферы, параметры аэрозоля и фильтра, скорость фильтрации и др. Особенно важно не допустить изменение фильтрующих характеристик волокнистых материалов при анализе дисперсности аэрозолей.

Вернемся к рассмотрению уравнения (1). Из него следует, что чем точнее будет определено его ядро, тем точнее можно найти неизвестную функцию Д(г) (распределение частиц по размерам). Из уже рассмотренного материала следует, что задача количественного определения эффективности фильтра в инерционной области в зависимости от его характеристик и параметров аэрозоля является весьма непростой.

Как уже упоминали, задача (1) является некорректно поставленной, если относительно функции Д.г) не сделано никаких предположений. Однако если вид функции принять в качестве априорно заданной, можно по экспериментально определенной правой части уравнения (1) найти в качестве его единственного решения параметры функции Д(г). Для этого подходит, например, нелинейный метод наименьших квадратов.

Распределение частиц по размерам в полном размерном диапазоне, к которому обычно относят аэрозоли (от десятков нм до десятков мкм), описать единой функцией не удается. Например, счетное распределение атмосферных аэрозолей описывают распределением Юнге [104], с плотностью сс Г', где показатель степени (параметр) в зависимости от размерной области меняется от 2 до 4. Для аппроксимации размеров некоторых техногенных аэрозольных частиц используют различные эмпирические распределения, например Ромашова, Розина-Рамлера и т.д. [105]. Вид распределения определяют механизмы образования аэрозолей и динамика взаимодействия частиц друг с другом.

Оуществуют 2 основных первичных механизма образования аэрозольных частиц: дисперсионный (когда спектр размеров формируется при дроблении) и конденсационный. При конденсационном механизме молекулы осаждаются на

Присутствующих в атмосфере частицах-носителях. Как правило, при наличии единственного источника образования аэрозолей распределение частиц по размерам унимодально (с одним максимумом в плотности распределения).

В практике дисперсного анализа аэрозолей наиболее часто используют логарифмически- нормальное распределение (ЛНР), плотность которого равна ir) = - p =-exp<A

Здесь Го - медианный радиус, а - геометрическое стандартное отклонение -параметры ЛНР. А. Н. Колмогоров [106] показал, что при бесконечном дроблении частиц (при условии, что вероятность ее дробления на два осколка не зависит от размера частицы) распределение по размерам асимптотически приближается к ЛНР. Не вдаваясь в дискуссию об устойчивости ЛНР- спектра в атмосфере, отметим наличие большого числа экспериментальных исследований аэрозолей как дисперсионного, так и конденсационного происхождения, в которых спектр размеров достаточно хорошо аппроксимируется ЛНР (см., например[107-109]). Прежде всего, это относится к исследованиям радиоактивных аэрозолей. Следствием этого являются нормативные документы Международной и Национальных Комиссий по Радиологической Защите, в которых динамика поступления частиц в респираторный тракт рассчитывается на основе предположения о логарифмически - нормальном спектре размеров [110,111].

Предпочтение в выборе ЛНР из других унимодальных распределений отчасти объясняется его замечательными свойствами. В случае счетного ЛНР с медианным диаметром do массовое, поверхностное и другие производные распределения будут также логарифмически нормальными с одной и той же величиной а. Поэтому для обработки экспериментальных данных, полученных с помощью импактора, ЛНР используют достаточно часто (иногда размерный спектр аппроксимируют суммой двух ЛНР), а в современной версии ММФ это распределение заложено а priori.

Метод анализа дисперсности лежит в основе аэрозольного мониторинга с помощью волокнистых фильтров. За исключением фазового состава загрязнителя, все другие параметры, составляющие предмет мониторинга, определяются после измерения осадка каждого слоя и соответствующей обработки данных эксперимента.

Структура и химический состав атмосферного аэрозоля, его образование, временная эволюция и перенос исследовались на протяжении многих десятилетий. В этих направлениях благодаря работам К. Я. Кондратьева, Л. С. Ивлева, Г. В. Розенберга, А. Г. Сутугина, А. А. Лушникова, А. Е. Алояна и многих других отечественных и зарубежных ученых достигнуты значительные успехи. Тем не менее, до сих пор существуют нерешенные проблемы. Одной из таких проблем является количественное описание поведения летучих радионуклидов в атмосфере. В главе 7 приведен подробный обзор состояния вопроса, здесь же мы отметим сложности, возникающие при решении этой задачи, общие для радиоактивных и нерадиоактивных газо-аэрозольных систем.

Простейший пример взаимодействия газа с аэрозольной частицей- прямая конденсация пара на ее поверхности. Этот процесс хорошо изучен, однако при малых коэффициентах аккомодации ситуация становится менее определенной. Вносят дополнительные неопределенности химические реакции между молекулами газа и веществом частицы, химическое испарение, фотохимические процессы и т.д. Для получения необходимых исходных данных о процессе (прежде всего, значений вероятностей реакций) необходимо проведение экспериментальных исследований, к которым относятся прямые атмосферные опыты, лабораторные исследования с искусственными частицами и эксперименты в проточных камерах [112]. Заметим, что даже полученные экспериментально вероятности аккомодации для некоторых газо-аэрозольных систем различаются более чем на порядок величин.

Не менее важной практической проблемой является диагностика техногенных аэрозольных источников. В ее задачи включены как непосредственная их идентификация, так и возможность сделать заключение о надежности технологического оборудования по характеристикам аэрозолей. К наиболее опасным потенциальным источникам аэрозолей относятся ядерные реакторы.

В настоящее время о состоянии различных узлов реакторов судят по активности отобранных проб и их радионуклидному составу. При переменных режимах, проведении ремонтно-профилактических работ активность теплоносителя возрастает, а ОА аэрозолей также пропорционально растет (Л. Н. Москвин с соавт. [ИЗ]). Несмотря на отдельные измерения дисперсности аэрозолей на АЭС, выполненные в разное время В. П. Григоровым и С. С. Черным [114, 115], Доррианом с соавт. [116] и многими другими, в том числе и нами [117], размеры радиоактивных аэрозольных частиц до сих пор не являются предметом регламентного контроля. Между тем очевидно, что размеры носителей несут дополнительную информацию не только о степени опасности аэрозолей, но и о самом локальном источнике. Например, субмикронный диапазон размеров аэрозолей как правило свидетельствует о выходе радионуклидов через неплотности тепловыделяющих элементов с последующим осаждением на атмосферных частицах, в то время как частицы микронного диапазона появляются в результате сдувок активных продуктов с поверхностей коммуникаций и при различных инцидентах.

Если для нерадиоактивных аэрозолей (за исключением примерно 20 химических элементов) предельно допустимые концентрации (ПДК) выражаются в единицах массы и не связаны с элементным составом [118], то допустимые объемные активности (ДОА) радиоактивных аэрозолей различны для разных радионуклидов [111]. К мониторингу радиоактивных аэрозолей, как к одним из самых опасных, всегда предъявляли повышенные требования.

Радиационные аварии и инциденты (которые, к сожалению, неизбежны) демонстрируют, в какой степени то или иное государство, обладающее ядерными технологиями, способно обеспечить получение оперативной и достоверной информации о динамике загрязнения окружающей среды для принятия оптимальных организационных решений. Среди таких аварий крупнейшей стала авария на IV энергоблоке Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Рассмотрим вопросы, связанные с загрязнением атмосферы продуктами аварии.

Газо-аэрозольные продукты аварии на Чернобыльской АЭС

В результате Чернобыльской аварии выброс радиоактивных аэрозолей и газообразных нуклидов привел к глобальному загрязнению территорий России, Белоруссии, Украины, Восточной и Западной Европы, Северной Америки и Японии. Масштаб загрязнения иллюстрирует карта Европейской части России, полученная с помощью аэрогаммасъемки [119] и представленная на рис. 1. По последним оценкам, из разрушенного реактора было выброшено 50-60% всей накопленной активности 33± 10% лл4' лл*лСз и 3+1% урана и трансурановых элементов [120], что существенно больше, чем по начальным данным,

Представленных в

В начальный период аварии мониторинг газоаэрозольных продуктов Чернобыльской аварии проводили все страны, имеющие в своем распоряжении соответствующие средства контроля. В СССР первые пробы аэрозолей были отобраны над аварийным реактором уже через несколько часов после начала аварии. Для этой цели фильтргондолы, которыми оснащен самолет-лаборатория АН-24рр, снаряжали фильтрующим материалом ФПА-15-2,0[121]. Наземные станции Госкомгидромета СССР, расположенные к западу от Чернобыля, на штатном фильтрующем материале ФПП-15-1,5 зафиксировали радиоактивные частицы также 26 апреля 1986 г. [122]. Были идентифицированы радиоактивные изотопы Сз, Се, 2т, КЪ, Ва, Ьа, I, Ки, Те. Ни содержание газообразного радиоактивного йода, ни размеры радиоактивных аэрозольных частиц не были определены, так как специалисты Гидромета не располагали соответствующими средствами контроля. Первые данные о соотношении между газообразной и аэрозольной составляющими радиойода на территории СССР были получены 30 апреля 1986г. сотрудниками института Физики Литовской ССР [123], а о дисперсности радиоактивных аэрозолей непосредственно над развалом реактора - 14 мая 1986 г. службой спецконтроля Минобороны совместно с сотрудниками НИФХИ им. Л.Я. Карпова [23]. В этих исследованиях был применен ММФ. Кроме того, в мае 1986 г. с нашим участием выполнены отборы проб над разрушенным реактором, над Европейской Ту

Масштаб 1:2 500 ССО

Ржс.1. Картаппогносхилагрязненид иииеы-137 с залагоц > 1 КнЛэ42 террнтортш европейской части России территорией СССР и в Атлантическом океане [124, 125], в результате чего были определены доли газообразных компонентов изотопов I и Ru, OA аэрозолей и размеры частиц. Для определения газообразных компонентов выброса применяли несколько слоев сорбционно-фильтрующих материалов СФМ-И, содержащих мелкоизмельченный уголь ОУ-А, импрегнированный азотнокислым серебром.

Многие зарубежные станции наблюдения, начав мониторинг аварийных продуктов уже 27 апреля [126], определяли не только объемные активности и радионуклидный состав выброса, но и долю газообразного компонента йода, и распределение аэрозольных частиц по размерам.

Для улавливания аэрозолей использовались различные фильтрующие материалы. Например, в Польше применяли российские фильтры ФПП-15-1,7 [127-129], которыми снаряжали самолетные и наземные средства отбора проб, в Японии- фильтры из стекловолокна "Тоуо НЕ-40Т" [130, 131], в США-"Микросорбан" из полистирольных волокон [132], в Канаде- стекловолокнистые фильтры "Gelman" [133]. Газообразные продукты аварии улавливали активированными углями, ипрегнированными различными добавками и расположенными в картриджах после аэрозольных фильтров. Для этой цели в Литве использовали березовый активированный уголь (БАУ) и уголь с уротропином [123], в Канаде- активированный уголь кокосовых орехов [133], в США [132] и Японии [134]- угли с триэтилендиамином (ТЭДА). Угли использовали также в Чехии [135], 111веции[126] и ряде других стран, однако об импрегнаторах в упомянутых публикациях сведений нет. В некоторых зарубежных странах применяли специальные волокнистые фильтры, содержащие угли: в Польше - фильтры "Шляйхер и Шюлль" № 508 из целлюлозных волокон с добавкой угля, содержащего ТЭДА и древесный уголь [129], в Югославии- углеродные фильтры "Whatman ACG/B" [136], в Японии-специальные пробоотборники, содержащие посеребренные медные сетки, фильтровальную бумагу с активированным углем и картриджи с углем, импрегнированным ТЭДА [137].

Дисперсность аэрозолей определяли с помощью импакторов Андерсена [138-140], Sierra-236 [141], и др., в том числе 11-каскадных низкого давления 142, 143] и однокаскадных пробоотборников [144]. Для этой цели пакеты волокнистых фильтров за рубежом нигде не использовали, однако несмотря на различие методов отбора и анализа при проведении мониторинга, были получены в целом схожие результаты. Объемные активности сильно варьировали во времени и пространстве в пределах нескольких порядков величины, а радионуклидный состав выброса был нестабильным. Это объясняется как крайне нестационарными процессами в аварийном блоке, так и неустойчивостью метеорологической ситуации. Удалось оценить приблизительное время начала аварии по соотношению изотопов йода в выбросе.

О составе первичных аэрозольных частиц отчасти свидетельствуют результаты анализа выпадений, отобранных в 30-км зоне вокруг атомной станции. А. А. Тер-Сааков с соавт. [145] установил, что почти 90% частиц представляли собой диспергированные фрагменты облученных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Было выделено 2 группы топливных частиц: радионуклидный состав частиц первой группы идентичен составу ТВЭЛа на момент аварии. Эти частицы образовались при тепловом взрыве реактора; 85% активности частиц второго типа было обусловлено тугоплавким А'л''Се. Радионуклидов ЛЛ2г и ЛЛКЬ в них находилось существенно больше, чем в облученном топливе на момент аварии, а Сз и Ки- гораздо меньше. Среди частиц встречались такие, в которых одна или несколько радиоактивных микрочастиц находились на неактивном носителе [145]. Радиоактивные частицы конденсационного происхождения в основном содержали нуклиды лл'с и ллллллКи [146]. На расстоянии 5 км от аварийного блока доля топливных частиц в зависимости от азимута составляла 50- 100%. В дальней зоне, в том числе за границами СССР, напротив, частицы топливного генезиса регистрировали лишь в отдельных случаях (см., например, [147]).

Размеры радиоактивных частиц, измеренные в апреле-мае 1986 г. как в наших, так и в других работах, лежали в субмикронной области. Практически все радионуклиды были идентифицированы на частицах с активностным медианным аэродинамическим диаметром {АМАД) от 0,5 до 1 мкм. Исключение составляли аэрозоли изотопов йода, АМАД которых находился в диапазоне 0,30,7 мкм. Это связано с особенностями образования аэрозолей йода в атмосфере, а именно с малыми коэффициентами аккомодации молекул йода к частицам носителям [148, 149'.

Так как относится к главным дозообразующим радионуклидам в начальный аварийный период, его мониторингу уделяли большое внимание. Доля газообразной составляющей летучих радионуклидов ллл^ как следует из результатов мониторинга во всех странах, менялась в широких пределах (от 0,1 до 0,94), но в большинстве случаях превалировала над аэрозольной компонентой [150]. В составе газообразного компонента присутствовали как молекулярный йод, так и его органические соединения. Доля газообразных соединений изотопа коррелировала с долей ллл^ в то время как вел себя иначе: доля его аэрозолей была выше. Последнее объясняется тем, что период полураспада предшественника этого изотопа в изобарной цепочке распада- лллТе существенно больше, чем у ллл-лллТе, и аэрозоли ллл! образовывались преимущественно при распаде теллура, уже находившегося в виде аэрозолей.

Натичие корреляции между долей газообразного йода и продолжительностью отбора "чернобыльских" проб позволили нам учесть десорбцию йода с аэрозольных частиц, задержанных аэрозольным фильтром, вследствие чего результаты мониторинга йода были существенно скорректированы [151]. Заметим, что ни в одной из работ, посвященных мониторингу летучих радионуклидов, давно известный эффект десорбции йода даже не упоминается. По уточненным нами данным, доля газообразного йода в действительности составляла от 0,3 до 0,6. Расчеты позволили нам также найти связь между долей газообразного йода, коэффициентом аккомодации и массовой концентрацией частиц-носителей в атмосфере [149]. Нами найдена поправка к дозовому коэффициенту внутреннего облучения при ингаляционном поступлении радиоактивного йода [152] при условии, что известна только его аэрозольная составляющая. Исследования, проведенные с нашим участием в начальный период аварии, позволили также выявить долю газообразного рутения, не превышающего 0,1 [125].

После того, как выброс радионуклидов из аварийного реактора практически прекратился (это произошло в конце первой декады мая 1986 г.), интерес исследователей сконцентрировался на образовании, измерении физико-химических характеристик и переносе вторичных радиоактивных аэрозолей. Для этих задач "идеальным" служит полигон, непроизвольно возникший из зоны отчуждения вокруг Чернобыльской АЭО.

Основным механизмом образования аэрозолей стал вторичный подъем (ресуспензия) с загрязненных поверхностей почвы, деревьев, зданий и т.д. Изучение физико- химических характеристик вторичных аэрозольных частиц необходимо, прежде всего, для оценки доз персонала и населения, пребывающего на загрязненных территориях, а также для прогнозирования перераспределения первичных выпадений за счет природных и техногенных факторов.

В зарубежной литературе вторичные аэрозоли принято характеризовать с помощью коэффициента ресуспензии Кг=С[Бк/мА]/8[Бк/м\ где О- объемная активность, S- плотность загрязнения. Так как плотность загрязнения является величиной, зависящей только от постоянной распада радионуклида, величина К,-не является более информативной, чем объемная активность. Овойства вторичных аэрозолей Чернобыльского генезиса изучали в ОООР и за рубежом. Е. К. Гаргер [153] приводит данные об ОА нуклидов на высоте 1 м от поверхности в некоторых точках 30-км зоны. Им установлено, что их величины снижаются в 3-4 раза при подъеме от 0,25 до 15 м над поверхностью приблизительно по линейному закону. Окорость ресуспензии частиц в лесу

137 оказалась выше, чем в поле, а измеренные для Сб величины Кг имели в 1991 г. значения (7,7.59)10"У"\ В [153] отбор аэрозолей проводили с помощью марлевых конусов, размещенных на мачте на разных высотах. В силу низкой эффективности улавливания аэрозолей марлей к полученным результатам следует относиться как к оценочным. В другой работе [154] Е. К. Гаргер с соавт. представил результаты измерений объемной активности нуклидов в воздухе за период 1997-1991 гг. Аэрозоли отбирали на материал ФПП-15-1,5, с помощью высокопроизводительной фильтрующей установки "Тайфун" (1,16 мл/с). Были определены некоторые статистические характеристики временного хода ОА лллСб и л''лОе. Установлено, что ОА в течение наблюдений в одной и той же точке меняются более чем в 10 раз. Показано, что снижение средней ОА происходит быстрее, чем это происходит вследствие радиоактивного распада.

Размеры вторичных аэрозолей исследовались Я. И. Газиевым с соавт. [155] и Е. К. Гаргером с соавт. [156]. В частности, в последней работе приведены результаты определения дисперсности частиц, отобранных с помощью каскадного импакторов ИК и ПК с производительностью 40 и 380 мЛ/ч, соответственно. Пробы отбирали в Заполье (территория 30-км зоны) и Припяти (3,8 км от аварийного блока) на протяжении периода 1986-1993 гг. Было выделено 5 типов распределений по размерам, из которых лишь 2 являлись унимодальными. В частности, в Заполье преобладали бимодальные распределения, в то время как в Припяти- унимодальные.

А. А. Тер-Сааков с соавт. [157] исследовал горячие частицы, анализируя выпадения в 30-км зоне на почву. Было показано, что такие частицы имеют средний диаметр 1 мкм, и они содержатся на носителях с диаметром около 10 мкм. Приблизительно те же результаты получены нами при исследовании высокоактивных частиц в приземном слое воздуха с помощью послойной радиографии слоев пакета фильтров, используемых в ММФ [158]. Влияние скорости ветра на ОА вторичных аэрозолей Чернобыльского генезиса исследовано экспериментально Холландером [159]. В экспериментах он использовал модифицированный широкодиапазонный классификатор аэрозолей WRAC с производительностью более 2000 мЛ/ч, имеющий 4 ступени разделения частиц по размерным фракциям (9,2; 20,4; 48,6 и 60,2 мкм). Частицы с диаметром менее 9,2 мкм улавливаются фильтром. Показано, что ОА растет линейно с увеличением скорости ветра, при этом доля размерной фракции ё<9,2 мкм снижается. Результаты исследования вторичных аэрозолей в Великобритании и других странах Европы в течение 2-3 лет после аварии представлены в обзоре Гарланда и Помероя [160]. Показано, что величины Кг снижаются с увеличением времени после первичного выпадения по экспоненциальному закону с временной константой 0,02-0,12 1/мес. Несмотря на различие в климатических условиях, при схожих величинах первичных выпадений коэффициенты ресуспензии оказались схожи практически во всей Европе. Эти коэффициенты снижаются при удалении от автодорог и возрастают в зоне проведения сельскохозяйственных работ. Масштаб переноса вторичных аэрозолей при нормальных погодных условиях составляет, дословно, "несколько" км.

Сильные ветры, наоборот, приводят к выносу вторичных радиоактивных аэрозолей из зоны загрязнения на сотни км. В частности, это было показано нами в работе [28].

Размеры вторичных аэрозольных частиц лежат в микронной области. Это показано и в наших работах с помощью ММФ [161], и в работах Дорриана и Бэйли [162] и Николсона с Фалкером [163], в которых измерения проводили с помощью импакторов, и в уже упоминаемой работе Е. К. Гаргера с соавт [149 . Отметим, что в близких точках отбора проб данные, полученные двумя различными методами, хорошо совпадают. Нами дисперсный состав вторичных аэрозолей измерялся в течение 1987-2000 гг. в 30-км зоне [28], в Брянской области [164] и других регионах. За все время наблюдений мы не установили в пределах погрешности измерений влияние на размеры таких факторов, как осадки, снежный покров, температура. Тем не менее, обширный массив данных позволил нам проследить за временной эволюцией дисперсного состава радиоактивного аэрозоля. Средние размеры возрастали и к 1991 г достигли постоянных значений, соответствующих дисперсным характеристикам неактивной пыли.

Важным источником появления вторичных радиоактивных аэрозолей служит пожар на территориях, загрязненных радионуклидами. Впервые на этот фактор радиационной опасности мы обратили внимание после лесных пожаров в 30-км зоне весной и летом 1992 г. [165]. Оценки, выполненные нами, и результаты мониторинга аэрозолей во время пожаров показали, что ОА аэрозолей 'ллСз возрастает на 2 порядка по сравнению с фоновым уровнем в нескольких км от источника, а в зоне горения ОА может превысить предельно допустимые значения даже при относительно невысокой плотности загрязнения 7 Ки/кмЛ (2,6x10л Бк/мЛ) [166]. Исследование аэрозолей, отобранных на пакеты многослойных фильтров в процессе экспериментального пожара в Новозыбковском р-не Брянской обл. в 1993 г, показало, что у 1фомки огня ОА 'ллсз возросла в 1000 раз, распределение частиц по размерам было бимодальным (66%- АМАД=\ 0-Ы мкм, 33%-АМАД= 0,4 мкм), а доля растворимых форм цезия возросла до 38% [167]. Е. К. Гаргер в [149] приводит похожие результаты для размеров частиц, образованных вследствие пожаров 1992 г. и полученные по результатам отбора проб в 17 км от источника пожара. Заметим, что первичный аварийный выброс содержал почти целиком нерастворимые формы радиоактивного цезия. Следовательно, пожары приводят не только к росту ОА. Появляется субмикронная составляющая спектра размеров. Доля водорастворимых форм цезия (более опасных, чем нерастворимые формы) становится существенной. Мелкодисперсная составляющая, как правило, вовлекается в дальний перенос, что приводит к загрязнению чистых территорий.

Постановка задачи исследований

Из обзора следует, что проблема определения основных характеристик газо-аэрозольных систем может быть решена с использованием пакетов, состоящих из волокнистых фильтров и сорбционно-фильтрующих материалов. Применение таких пакетов делает аэрозольный мониторинг весьма эффективным и простым в использовании. Например, метод определения дисперсности аэрозолей с помощью волокнистых фильтров является эффективной альтернативой импактору, широко используемому для аналогичных задач, особенно в субмикронном диапазоне размеров частиц.

Однако, существующая теоретическая, экспериментальная и инструментальная основа метода недостаточна. Так, модели волокнистых фильтров, применяемые в теории фильтрации, неадекватны реальным фильтрам. Формулы для расчета гидродинамического сопротивления и эффективности улавливания аэрозолей, полученные на основе лучшей из известных моделей -"веерной" - не охватывают диапазон высоких скоростей фильтрации, необходимых для реализации данного метода.

В теории фильтрации остается еще много незавершенных задач. Не удается пока рассчитать не только поле течения и коэффициенты захвата частиц в реальных волокнистых фильтрах (тем более при высокоскоростном улавливании частиц), но даже и в их трехмерных моделях. Поэтому решающее значение имеют экспериментальные исследования процессов улавливания частиц. Без экспериментов пока также невозможен количественный учет отскока частиц от волокон.

Задача восстановления спектра размеров частиц по распределению осадка в пакете фильтров требует существенной доработки, оптимизации и соответствующего программного обеспечения. Наконец, фильтры, используемые в пакетах, должны быть достаточно тонкими, прочными и иметь однородную заданную структуру. Но имеющийся ассортимент фильтрующих материалов, выпускаемых промышленностью, не удовлетворяет этим требованиям.

В качестве причин, ограничивающих глубину и результативность диагностики экологически опасных (и прежде всего, радиоактивных) аэрозолей и надежности оценок их воздействия на окружающую среду, к указанному выше несовершенству мониторинга с помощью пакетов фильтров следует добавить еще и другие весьма существенные недостатки: небольшое число и генетическое разнообразие исследованных объектов, часто недостаточно глубокий уровень интерпретации экспериментальных данных. Ведь важно не только измерить параметры аэрозолей, но и прогнозировать их дальнейшее поведение, и оценивать степень их опасности. Преимущества или недостатки того или иного метода становятся очевидными только при систематическом проведении исследований аэрозольного объекта на протяжении длительного периода.

Чернобыльская авария стала крупнейшей техногенной катастрофой глобального масштаба, которая привела к образованию крупномасштабного газо-аэрозольного объекта, существующего уже 15 лет и до сих пор представляющего опасность. Как следует из обзора, наиболее эффективным средством мониторинга, диагностики и исследования эволюции характеристик радиоактивных аэрозолей является пакет из волокнистых и сорбционных фильтров, разработанный автором совместно с сотрудниками НИФХИ им. Л. Я. Карпова. Это же можно сказать и о контроле воздушной среды в начальный период аварии, а так же в последующий длительный период.

Таким образом, основной целью исследования является развитие высокоинформативного расчетно-ииструменталъного метода атмосферного мониторинга с помощью волокнистых фильтров, и осуществление на его основе физико-химической и экологической диагностики процессов образования, атмосферной эволюции и влияния на окружающую среду экологически опасных аэрозольных объектов различного генезиса.

33

ВЫВОДЫ

1. Развиты физико-химические, расчетные и инструментальные основы метода многослойных фильтров (ММФ), позволяющего одновременно определять концентрацио, дисперсные, фазовые и другие характеристики газоаэрозольных объектов различного состава и генезиса.

• Средствами стохастической геометрии, теории фильтрации аэрозолей и экспериментального моделирования выявлена количественная связь между структурными параметрами волокнистых материалов, их гидродинамическими и фильтрующими свойствами, позволяющая находить распределение осадка частиц полидисперсного аэрозоля по слоям пакета волокнистых фильтров;

• Решена и обеспечена вычислительными алгоритмами и программами задача восстановления параметров априорно заданного спектра размеров аэрозольных частиц исходя из послойного распределения их осадка в пакете волокнистых фильтров;

• На основе модифицированных фильтрующих материалов ФП созданы многослойные пакеты, обеспечившие реализацию ММФ в практике атмосферного мониторинга.

2. С использованием стационарных и мобильных наземных и воздушных средств отбора проб проведена апробация ММФ и продемонстрирована эффективность его использования для диагностики крупномасштабных природных и техногенных неактивных и радиоактивных аэрозольных объектов различного состава и происхождения.

3. Предложен принцип классификации и определения характеристик аэрозольных источников на основе корреляционного анализа синхронных высотных и изовысотных временных вариаций массовой концентрации и дисперсности аэрозолей, реализованный в мониторинге и диагностике аэрозолей пограничного слоя атмосферы г. Москвы.

4. Определены характеристики радиоактивных аэрозолей, образующихся при штатных режимах работы исследовательских и энергетических атомных реакторов, позволяющие по характеру изменений объемной активности, радионуклидного и дисперсного состава аэрозолей обнаруживать их источники и судить о состоянии технологического оборудования и герметичности радиоактивных контуров АЭС.

5. Осуществлен многолетний высокоинформативный мониторинг газоаэрозольного объекта глобального масштаба, образованного в результате аварии на Чернобыльской АЭС; проведена физико-химическая диагностика процессов трансформации образующего этот объект первичного источника (разрушенный атомный реактор) во вторичные (ресуспензия с загрязненных радионуклидами территорий) и пространственно-временной эволюции характеристик объекта.

• Выявлены и интерпретированы нестабильность объемной активности, радионуклидного, дисперсного и фазового состава объекта как непосредственно над разрушенным реактором, так и на значительном удалении от него;

• Выявлены природные и техногенные факторы, влияющие на дисперсные характеристики радиоактивных аэрозолей, образующихся при вторичном подъеме с загрязненных территорий и состоящих как правило из неактивного носителя с вкраплениями субмикронных фрагментов облученного ядерного топлива. Среди таких факторов основными являются: время, прошедшее после первичного выпадения, лесные пожары, сильные ветры, близость автодорог. Наоборот, на дисперсность радиоактивных аэрозолей не оказывают существенного влияния сезонные факторы и интенсивность осадков.

6. Предложена количественная модель адсорбционного взаимодействия летучих радионуклидов с атмосферным аэрозолем, на основе которой: найдены временные и равновесные характеристики газо-аэрозольной системы в атмосфере; определены вероятности аккомодации на частицах атмосферного аэрозоля газообразных соединений радионуклидов рутения и йода, период полудесорбции йода с частиц атмосферного аэрозоля; внесены существенные поправки к массиву данных глобального атмосферного мониторинга фазового состава ллл1.

7. Уточнена степень радиационной опасности основных дозообразующих газо-аэрозольных продуктов аварии на Чернобыльской АЭС в ее начальный и последующие периоды и установлено, что: а) эффективная доза внутреннего облучения человека при ингаляционном поступлении лл1 в организм в несколько раз превышала величину, вычисленную без учета его газообразных форм, б) в помещениях ЧАЭС и в зоне лесных пожаров дозы, обусловленные ингаляцией аэрозолей цезия, стронция и плутония, могли превышать рассчитанные без учета дисперсности и растворимости носителей этих радионуклидов почти в полтора раза. Показано также, что использование легких респираторов "Лепесток" обеспечивало соблюдение требований Норм радиационной безопасности, предъявляемых к средствам индивидуальной защиты органов дыхания от радиоактивных аэрозолей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на то, что изложенные в диссертации результаты свидетельствуют о решении важной научной проблемы в сфере охраны окружаюш;ей среды - развитии расчетных и инструментальных основ атмосферного мониторинга с помощью волокнистых фильтров и проведение физико-химической и экологической диагностики процессов образования и эволюции крупномасштабных природных и экологически опасных аэрозольных объектов, в том числе продуктов Чернобыльской аварии, многие аспекты, рассмотренные в работе, далеки до полного решения. Сформулируем некоторые задачи для последующих исследований.

1. В области теории фильтрации аэрозолей приоритетным, на наш взгляд, должен быть подход к фильтру как к сл)Аайной структуре. В этом направлении сделаны лишь первые шаги. Волокнистый фильтр представляет собой систему из хаотично расположенных в пространстве волокон. Длина волокон и их взаимное расположение, а также геометрия каждого отдельного волокна определяются технологическим процессом производства фильтра и являются, по существу, входными параметрами исследуемой системы и определяют тип и свойства ее выбранной модели. Построение статистической модели обтекания волокнистой структуры распадается на две большие подзадачи: 1) геометрическое задание трехмерной структуры и статистических распределений в пространстве геометрических параметров отдельных волокон; 2) определение параметров обтекания отдельных элементов волокнистой структуры, для которых найдены статистические распределения. Их решение позволит построить гидродинамическую модель обтекания случайной структуры.

Для построения модели можно выделить два основных элемента структуры - отдельное цилиндрическое волокно и область, в которой два волокна скрещиваются под некоторым углом и на некотором расстоянии между осями. Случаи взаимодействия большего числа элементов структуры маловероятны. В качестве второй части общей задачи можно рассмотреть задачу обтекания двух скрещивающихся цилиндров. Для этой задачи уже сформулированы все необходимые начальные условия и полностью описана процедура проведения численного решения в случае малых скоростей обтекания (Re -> 0). В таком приближении рассматривается совместное решение уравнения Навье-Стокса и уравнения непрерывности:

Av = 1/г| grad р, div v = 0. Систему можно решать в координатах ротор скорости - функция тока (w,a), что в приближении Re а О позволяет решать не систему уравнений, а два уравнения последовательно: AW = 0 АЧЕА + W = О, где - вектор функции тока, = rot w, w = rot v. Данная задача может быть решена модифицированным методом отражений для ограниченной области. На ее границе нулевые граничные условия можно трансформировать в условия равенства нулю линейной комбинации значений функции и ее производных.

В качестве физической модели обтекания скрещивающихся цилиндров целесообразно использовать идею ячеистой модели Кувабары с рассмотрением области пересечения цилиндров. Для расчета поля скоростей в данном случае можно применить квази- метод отражений: каждый из двух цилиндров заключается в цилиндрическую поверхность, соосную с данным цилиндром, и на ее поверхности задаются определенные граничные условия. Функция-отражение от цилиндра на данном шаге итерационного процесса рассчитывается именно в такой области, а ее радиус определяется из такого расчета, чтобы суммарный объем всех областей "закрывал" все пространство.

Анализ численных методов решения векторного уравнения Лапласа в цилиндрической области с заданными граничными условиями на ее поверхности показывает, что наилучшим является метод Гаусса-Зейделя с правильно подобранным параметром верхней релаксации, который сочетает высокую скорость сходимости и простоту исполнения.

2. В области разработки новых средств улавливания и контроля газодисперсных атмосферных примесей перспективным является разработка волокнистых материалов, обладающих фильтрующими и сорбирующими свойствами одновременно. Этого можно добиться, придавая тонким волокнам соответствующие характеристики, например, вводя хемосорбент в исходный полимер или карбонизуя полученные волокна. Получение таких материалов сделает атмосферный мониторинг газообразных примесей более эффективным, чем изложенный в диссертации.

3. В области экспериментальных исследований фильтрации остается ряд проблем, связанных с отсутствием генераторов монодисперсных аэрозолей с высокой плотностью и в микронном размерном диапазоне. Возможно, один из способов их получения заключается в конденсации паров металла на металлических частицах, образованных в плазмотроне.

4. Дальнейшее исследование радиоактивных аэрозолей Чернобыльского происхождения может проводиться по нескольким направлениям. Это-разработка количественных моделей образования вторичных частиц при природном и техногенном пылении, при пожарах и т.д. В последнем случае весьма актуальным представляется изучение химических форм и механизмов выхода радионуклидов из очага пожара и механизма образования аэрозолей. Остается открытым вопрос о наличии газообразных форм плутония при пожарах.

5. В главе 7 была изложена модель для прогнозирования газо- дисперсного состава летучих радионуклидов. Нахождение коэффициентов аккомодации малых молекулярных примесей к аэрозольным частицам можно свести к эксперименту, в котором измеряются концентрация и спектр размеров частиц-носителей, а также спектр размеров (или какие-либо его характеристики) образовавшихся частиц. Из этих данных при решении обратной задачи можно найти искомые величины.

6. Об эффективности респираторов "Лепесток" в условиях ликвидации аварийных ситуаций. Нам неоднократно приходилось слышать утверждения о потере заряда на волокнах фильтрующего материала в полях гамма-излучения, ведущей к снижению его эффективности. Однако неоднократные проверки респираторов после их использования в таких условиях показывали, что их эффективность не меняется. В чем же дело? Скорее всего, защитное действие респиратора в полях порядка нескольких Р/ч действительно снижается. Однако, речь идет не о потере заряда, а о его частичной или полной "блокировке" ионами, образующихся в воздухе при прохождении излучения. После выхода из зоны повышенной радиации улавливающие свойства заряженных волокон полностью восстанавливаются, так как для полной ликвидации заряда на волокне требуется существенно более высокая доза (порядка 10л рад), чем полученная за время пребывания респиратора в поле излучения. В связи с этим необходимо проведение экспериментальных и расчетных работ по окончательному закрытию этой достаточно острой проблемы.

Автор выражает сердечную благодарность профессору Б. И. Огородникову (НИФХИ им. Л. Я. Карпова) за многолетнее плодотворное сотрудничество при получении, интерпретации и использовании результатов, изложенных в работе и надеется на дальнейшее продолжение совместной работы в стенах лаборатории аэрозолей. При работе над диссертацией существенную помощь, состоящую в заинтересованном и продуктивном обсуждении многих ее разделов, оказал д.х.н. В. Н. Кириченко. В экспериментах принимали участие большинство сотрудников лаборатории аэрозолей НИФХИ им. Л. Я. Карпова, долгое время возглавляемой академиком И. В. Петряновым, но особо хочется отметить В. И. Скитовича, П. И. Басманова, Н. Б. Борисова, А. Г. Шарапова, Г. Б. Казарцева, Ю. Н. Иванова - за совместную работу по исследованию газо-аэрозольных продуктов при ликвидации аварии на ЧАЭС, к. х. н. А. Д. Шепелева- за совершенствование технологии получения фильтров для дисперсного анализа. Благодарю коллег, в разные периоды работающих в 30-км зоне ЧАЭС: Е. Д. Шегая, Р. И. Бакина, А. В. Ковалева, Ю. П. Иванова, к. ф.-м. н. А. К. Сухоручкина - за обеспечение и техническую поддержку проведения наших исследований; к. т. н. В. И. Бадьина, А. Г. Цовьянова, к. т. н. А. В. Молоканова (ИБФ МЗ России) - за участие в совместных работах на П1 блоке ЧАЭС. Автор глубоко признателен профессору Д. А. Василькову (МИФИ) за помощь при теоретических исследованиях структуры фильтров, Г. Луянене и В. Луянису (Институт физики АН Литвы) за проведение исследований растворимости радионуклидов, В. Ю. Максимову (МИФИ), И. В. Г[ыркову (ВНИИАЭС), Л. М. Площанскому (ЛИЯФ им. Б. П. Константинова) - за содействие в исследованиях аэрозолей на атомных реакторах, к. ф.-м. н. В. А. Киршу (ИФХ РАН)- за расчеты инерционного осаждения на волокнах.

Окончательное оформление рукописи диссертации выполнила Д. П. Губанова (НИФХИ), за что автор выражает глубокую признательность.

1. Образование аэрозолей в атмосфере. В кн.: Химия окружающей среды. Под. ред. Дж. О. М. Бокриса. Пер. с англ. М.: Химия, 1982.

2. Рузер Л.С. Радиоактивные аэрозоли. Измерение концентращш и поглощенных доз. М.: Изд-БО Стандартов, 1968, 192 с.

3. Информация об аварии на Чернобьшьской АЭС и ее последствиях, подготовленная для МАГАТЭ. М.: Атомная энергия, 1986, 61,5, 301-320.

4. Огородников Б. И. Улавливание радиоактивных аэрозолей волокнистыми фильтрующими материалами. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1973, 114 с.

5. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.

6. Tammet Н., Salm J., Шег Н. Observation of condensation of small air ions in the atmosphere/ZLecture Notes in Physics, 1988, 309, 239

7. Оптико-электронные методы изучеьшя аэрозолей/Беляев С. П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В., Щелчков Г.И. М.: Энергоиздат, 1981, 232 с.

8. Fuchs N.A. Aerosol impactors (а review). In Fundamental of Aerosol Science. Ed. D.T. Shaw. N.Y., Wiley, 1978, p.l.

9. Marple V.A., Willeke K. Inertional Impactors: Theory, Design and Use. In Fine Particles. Ed. by B Y. H. Liu. N.Y., 1976, p. 411.

10. Hering S.V. Size selective sampling for atmospheric aerosols. Tut. № 17 presented at 1995 Ann. Meeting AAAR. Pittsburg, Pennsylvania, October, 9, 1995. 69 pp.

11. Грин X, Лейн В. Аэрозоли- пыеш, дымы и туманы. Пер. с англ. под ред. Н. А. Фукса. Л.: Химия, 1969.

12. Lockhart L.B., Patterson R.L., Sanders A.W. Filter pack technique for classifying radioactive aerosols by particle sizes. Part. 2. 1964, NRL Report 6164, UN Docum. A/AC.82/g/l 1138.

13. Lockhart L.B., Patterson R.L., Sanders A.W. Filter pack technique for classifying radioactive aerosols by particle sizes. Part.5. 1967, Ibid. Report 6520

14. Lockhart L.B., Patterson R.L., Sanders A.W. The size distribution of radioactive atmospheric aerosols. // J. Geophys. Res., 1965, 7, 24, 6033.

15. Огородников Б. И., Скотникова О. Г., Скитович В. И. и др. Исследование дисперсного состава радиоактивных аэрозолей в приземном слое воздуха. // Атомная энергия, 1972, 32, 6, 76.

16. Manfred F. Eine Mebmethode fiir Teilchengrosenanalysen im durchmesserbereuch zwissen 10 mkm und 0,5 mkm. // Chem. Ind. Techn., 1978, 50, 1, 47

17. Twomey S. Aerosol size distiibution of multiple filter measurements. // J. Aeros. Sci., 1976, 33,6 1073.

18. Twomey S., Zaiabsky R. Multifilter technique for examination of the size distribution of the natural aerosol in submicron size range. // Environm. Sci. Techn., 1981, 15, 2, 177.20