На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим* миром. Гидросфера, атмосфера и литосфера Земли в настоящее время подвергаются нарастающему антропогенному воздействию. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды не свойственными ей веществами химической природы. Среди них — газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения [1]. Во многих технологических процессах образуются мелкие твердые или жидкие I.
I I частицы. Из ¡-них большинство аэродисперсных систем ¡-оказывают вредное воздействие на человека [2].
В связи с ежегодным ростом уровня профессиональной заболеваемости работников вредных отраслей, где присутствуют аэрозольные загрязнения, особую актуальность приобретает охрана их здоровья и создание безопасных условий труда: Одним из основных приоритетов социальной защиты работников предприятий должен стать постоянный достоверный учет уровней воздействия вредных факторов [3].
Задачей настоящей работы является создание простого и эффективного метода для экспресс-оценки запыленности в местах пребывания людей. Большое значение имеет оценка степени содержания аэрозоля при работе мощных источников. При взрывах, горении, ударах, размоле, трении, дроблении, сверлении, шлифовке и многих других процессах образуется дисперсная фаза твердых веществ. Диспергирование жидкостей происходит при разбрызгивании, пульверизации и др. Все эти факторы влияют на экологическую обстановку и требуют оценки.
Часто в лабораторной практике требуется в реальном времени измерять процессы зарождения пылевого облака и его изменение во времени в ограниченном объеме (1.3 м). Требования к оперативности контроля уровня загрязненности исключают применение известных методов оценки размеров частиц путем отбора проб.
Например, частицы величиной 10 мкм и более задерживаются в верхних дыхательных путях, бронхахчастицы размером до 5 мкм способны проникать в альвеолы и задерживаться в них [4]. При попадании в организм аэрозоли способны вызывать ряд заболеваний: ларингиты, трахеиты, бронхиты, пневмокониозы, пневмомикозы, повреждения глаз, кожи. Токсичные аэрозоли вызывают острые и хронические отравления. Биологические аэрозоли могут вызывать инфекционные и аллергические заболевания [5].
Совершенствование контроля производственной среды должно быть направлено-на регистрацию и длительное хранение информации динамики по.
1 I лученных доз вредных факторов. Это позволит прогнозировать состояние здоровья, получать достоверную информацию, вовремя прекращать контакт с вредным фактором.
Поэтому решение этих вопросов, связанное с созданием, экспресс-анализа, является актуальным.
В настоящее время предложено множество методов и средств для регистрации параметров аэрозоля, что отражено в патентах [6−14] и присутствием на рынке множества разнообразных приборов и устройств для анализа пыли, аэрозолей, мелкодисперсных порошков и эмульсий.
Из анализа литературы можно сделать следующие выводы о возможностях упомянутых методов по оценке параметров аэрозоля:
— скорость движения капель до 10 м/с [15];
— размер капель: от 5. 10 мкм до нескольких миллиметров [16].
Однако распространенные методы требуют забора проб, что вносит искажения в поток, а также возможны дробление, деформация капель, поэтому область применения данных методов ограничена в основном анализом твердых частиц [17].
Отбор проб требует большой трудоемкости, которая заключается в сложности конструкций пробоотборных устройств и анализа большого количества капель за одно время экспонирования. Для обеспечения представительности дисперсного анализа число частиц в каждой пробе должно быть не менее 1000 [16].
Как известно [18], получить моментальную оценку измеряемого аэрозоля, не внося искажений в поток среды, позволяют оптические методы определения дисперсного состава. Однако известные на рынке различные оптические приборы для определения дисперсного состава различных порошков, эмульсий и воздушных аэрозолей построены на принципе отбора проб.
Такие приборы, как лазерный дифференциальный-анализатор «Анали-зетте 22» и анализатор дисперсности и размеров частиц серии ЬБЮОС),.
I I имеющие большой диапазон измерения, предназначены для определения дисперсного состава порошков и эмульсий в кювете. Портативные приборы ННРС-2, ННРС-6 и «Аэрокон» являются счетчиками частиц в воздухе. Они применяются для замера запыленности частицами размером около 5 мкм и требуют забора пробы.
Представленные установки измерения дисперсности аэрозольных сред английской фирмы Ме1 у.е.гп и китайской ОМЕС имеют большую стоимость и предназначены для измерения аэрозольных объектов, в основном созданных спреями лекарственных препаратов, и не позволяют проводить мониторинг аэрозольного загрязнения среды.
Приведенные примеры показывают, что, несмотря на многочисленный парк аналитических приборов по оценке параметров аэрозолей, ряд практических задач остается нерешенным. Это связано с отбором проб, а отсюда значительными трудностями получения информации о генезисе аэрозоля, начиная со времени его образования.
Актуальность работы, таким образом, заключается в разработке оптического метода измерения дисперсного состава техногенного аэрозоля, что позволит создать мобильный экспресс-анализатор оценки динамики запыленности атмосферы жидкими и твердыми микрочастицами, способный провести анализ в заданном месте без влияния на измеряемый объект в любой момент времени.
Цель работы.
Разработка бесконтактного метода измерения дисперсного состава аэрозоля во всем контролируемом объеме на основе закономерностей рассеяния излучения и создание лазерной установки для исследования генезиса техногенных загрязнений.
Достижение цели работы требует решения следующих задач:
1. Обосновать выбранный за основу метод малоуглового рассеяния — метод анализа измеренной индикатрисы рассеяния.
2. Разработать математическую модель рассеяния зондирующего излуI чения в слое аэрозоля и на ее основе разработать метод определения функции распределения частиц по размерам.
3. Обеспечить аппаратурную и программную оснащенность метода: выбор источника зондирующего излучения, разработка блока регистрации излучения и создание программного обеспечения автоматизированной обработки измерительной информации.
4. Выбрать аппаратуру и устройства для апробации разработанной установки и имитаторов аэрозолей со стандартизированными свойствами.
5. Разработать методику проведения экспериментов.
6. Обеспечить экспериментальную проверку работоспособности метода и методики для оценки параметров аэрозолей различной природы.
Объектом исследования является метод измерения дисперсного состава аэрозоля, позволяющий без влияния на исследуемую среду в процессе ее генезиса производить оценку распределения частиц по размерам с высоким временным разрешением.
Методы исследования. Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования взаимодействия лазерного излучения с рассеивающим слоем. Полученные экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с использованием измерительного микроскопа и ситового анализа. Исследования проводились в одной из экспериментальных лабораторий ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск).
Научная новизна.
1. Предложена новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от ограниченного слоя аэрозоля, позволяющая повысить информативность метода малоуглового рассеяния.
2. Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозо.
1 1 лей, что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния.
3. Разработана и сконструирована схема лазерной измерительной установки, отличающаяся возможностью проведения анализа генезиса аэрозольных сред различной природы, начиная с момента их образования.
4. Экспериментально доказана возможность применения разработанного метода для большинства жидких и твердых сыпучих материалов.
Практическая ценность состоит в возможности использования лазерной установки экспресс-анализа генезиса аэрозольных сред в лабораторной и промышленной практике для аналитического контроля техногенных загрязнений, а также для экологического мониторинга.
Реализация и внедрение.
Разработанный метод и лазерная установка определения дисперсных параметров аэрозолей применяется при выполнении тематических работ в ИПХЭТ СО РАН. Модернизация лабораторной установки для малосерийного производства позволит внедрить установку для экспериментальных исследований в других организациях.
К защите представлены.
1. Математическая модель рассеяния коллимированного лазерного излучения в ограниченном аэрозольном слое.
2. Метод и лазерная измерительная. установка анализа генезиса дисперсного состава аэрозолей, позволяющая получить функцию распределения частиц различной природы по размерам в диапазоне от 1 до 100 мкм.
3. Методика проведения измерений.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
— корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
— применением современной высокоточной исследовательской, техники, ее тщательной калибровкойi i.
— хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных с помощью разработанного метода, с данными, полученными одновременно другими известными методами, а также воспроизводимостью полученных результатов.
Публикации.
По материалам исследований диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, разработана методика измерений.
Апробация работы.
Материалы работы обсуждались на научно-технических семинарах лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов и лаборатории материаловедения минерального сырья ИПХЭТ СО РАН, а также на различных конференциях, среди них: XII Joint International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Phisics» (Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2005) — II International, Workshop HEMs-2006, September 11−14, 2006, BelokurikhaII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Бийск, сентябрь 2005 г.) — Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (г. Бийск, сентябрь 2006 г.) — V Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 3−5 октября 2006 г.) — XIII рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 28 ноября — 1 декабря 2006 г.).
Личный вклад.
Автору принадлежат основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработка физико-математической модели взаимодействия лазерного излучения со слоем аэрозоля, метода и аппаратуры для экспресс-анализа дисперсности аэрозолей.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.
Общий объем диссертации 86 страниц текста, диссертация содержит 29 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 63 наименований.
В первой главе приводится описание существующих оптических методов диагностики дисперсных потоков, анализ которых позволил сделать вывод о перспективности разработки метода экспресс-контроля аэрозольной загрязненности.
Во второй главе описана математическая модель взаимодействия лазерного излучения со слоем аэрозоля по теории Ми и метод определения функции распределения частиц по размерам, основанный на прямом поиске путем решения серий прямых задач оптики аэрозоля.
В третьей главе представлена реализация разработанной лазерной установки измерения дисперсных параметров аэрозоля, программного обеспечения, приведены основные результаты проверки метода.
Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность своему научному руководителю, д.т.н Ворожцову Борису Ивановичу и консультанту, к.ф.-м.н. Павленко Анатолию Александровичу за помощь и ценные замечания при обсуждении результатов исследования. Автор благодарит также профессора Томского государственного университета, д.ф.-м.н. Архи-пова Владимира Афанасьевича за консультации по теоретическим основам разработанного метода.
3.2.3 Результаты исследования жидкокапельного аэрозоля и сравнение с результатами других методов л.
Измерения проводились в измерительной камере объемом 1 м, заполненном аэрозолем, полученным с помощью импульсного пиротехнического распылительного устройства, использовалась та же схема эксперимента, что и для твердых частиц, представленная на рисунке 16.
Применимость метода для исследования жидко-капельного аэрозоля проверена на воде, в создании модельной аэрозольной среды использовался распылитель, схема которого приведена на рисунке 14.
Так как жидкость способна испаряться со временем, вместо предметных стекол взята белая бумага, а распыляемая жидкость подкрашивалась красителем [63].
Эксперимент с жидко-капельным, аэрозолем дублировался с помощью разработанного сотрудниками ИПХЭТ СО РАН метода отпечатков измерения дисперсности (приложение Б).
Были проведены исследования облака жидко-капельного аэрозоля, получены гистограммы распределения частиц по размерам, представленные на рисунке 26.
Метод измерения отпечатков является приблизительным и дает завышенные размеры частиц, поскольку предметные экраны воспринимают поток интегрально за все время развития процесса, и возможно взаимное наложение частиц. Однако, как показывают теоретические и экспериментальные данные, при импульсном диспергировании жидкости образуются частицы с размерами гораздо меньше 10 мкм (~1 мкм и менее), которые данный метод не позволяет разрешить, из-за разрешающей способности сканирующего устройства. ная с помощью ЛИД-2 т. %.
0 — 5 5- 10 10−15 15−20 20 — 25 25 — 30 30 — 35 35 — 40 40 — 45 45 — 50 50−100 100 300.
О, мкм.
— ЛИД-2 ¦ - метод отпечатков.
Рисунок 26 -Счетные гистограммы частиц по размерам, полученные на.
ЛИД -2 и методом отпечатков.
Для исследования жидкого аэрозоля более мелкой дисперсности использовался усовершенствованный распылитель пиротехнического типа. В качестве имитационной жидкости брался водный раствор глицерина. Проведено исследование динамики зарождения облака аэрозоля, график изменения во времени модального диаметра дифференциальной функции распределения показан на рисунке 27. о.
7 6 2 5? /1 ¦
V.
С' з.
2 1.
П ;
С 2 время, с С.
Рисунок 27 — Динамика изменения модального размера аэрозоля облака при зарождении.
Из графика видно, как происходит уравновешивание изменения дисперсного состава созданного аэрозольного облака со временем.
Особый интерес представляет случай, когда аэрозоль способен быстро менять свое дисперсное состояние, что не позволяет использовать методы отбора и накопления капель. К таким веществам относятся быстроиспаряю-щиеся жидкости.
Для имитации аэрозоля опасных быстроиспаряемых веществ был взят этанол, для которого было проведено измерение спектра размера частиц от момента образования облака аэрозоля до момента полного испарения. время, с диаметр частиц.
0−10 —Ю-20 «——20−30 ¦ ЗСМО —40−50.
Рисунок 28 — Генезис спиртового аэрозоля.
На рисунке 28 видно, как происходит изменение массового распределения частиц аэрозольного облака за счет осаждения и испарения крупных частиц, факт длительного существования мелких частиц требует дополнительного исследования.
3.3 Перспективы развития разработанного метода.
Разработанная установка использовалась в ИПХЭТ СО РАН для исследования дисперсных параметров аэрозольного облака, созданного в заданном объеме.
Дальнейшее развитие метода связана в возможности определение концентрации частиц в облаке аэрозоля по ослаблению излучения и рассчитанной функции распределения частиц по размерам по формуле с Т’Р т 1.5 •/•2(А2)'.
Здесь Д}2 определяется из найденной разработанным методом функции распределения частиц по размерамх — рассчитывается по измеренным данным ослабления лазерного излучения- - длина взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем- <2 — усредненные фактор эффективности ослабления.
1 — лазер- 2 — сканирующее устройство- 3 — оптическая система- 4 — исследуемый поток- 5 — фотодиодная линейка;
6 — приемник излучения. Рисунок 29 — Схема измерения факела распыла.
Дополнение установки сканирующей системой (рисунок 29) позволит применить разработанный метод и установку для исследования факела распыла в различных сечениях.
3.4 Заключение по главе 3.
1 Разработана лазерная измерительная установка ЛИД-2 для определения дисперсных параметров аэрозоля в объеме. Проведена настройка аппаратурной части установки.
2 Разработан метод и программное обеспечение, реализующее метод определения функции распределения частиц по размерам методом прямого поиска.
3 Проведена оценка работоспособности метода и проведена апробация 1 на мелкодисперсных аэрозольных частицах различной природы.
Показано, что разработанный метод и аппаратура малоуглового рассеяния позволяет с достаточной точностью определять параметры аэрозоля, генезис распределения частиц в объеме, включая момент образования аэрозоля и его изменение при длительном времени существования, обеспечивая таким образом мониторинг.
Схема метода обладает повышенной информативностью, поскольку используется рассеянное излучение на аэрозоле со всего объема взаимодействия луча с двухфазным потоком.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Разработана новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от слоя аэрозоля, обладающая большей информативностью за счет регистрации рассеянного излучения от всего объема, взаимодействующего с лазерным излучением.
2. Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозоI лей, 1 что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния.
3. Сконструирована и реализована лабораторная лазерная измерительная установка, позволяющая проведение экспресс-анализа генезиса аэрозольных потоков различной природы в заданном объеме.
4. На основе разработанного программного обеспечения автоматизирован процесс измерения динамики изменения аэрозольного поля с частотой 100 кГц, позволяющий определять параметры аэрозоля, генезис распределения частиц в объеме с момента образования аэрозоля и его изменение при длительном времени существования.
5. Проведены экспериментальные исследования разработанным методом дисперсного состава мелкодисперсных порошков алюминия, песка, мела и органических частиц. Сравнение с другими методами доказало работоспособность разработанного модифицированного метода малоуглового рассеяния по определению дисперсных параметров аэрозольных облаков в заданном объеме с погрешностью 54−15%.
6. Применение метода для исследования генезиса жидких и легкоиспа-ряющихся аэрозолей показало возможность использования метода для контроля и мониторинга аэрозолей различной природы.
