Введение к работе
Актуальность.
Возросшие требования в области охраны окружающей среды и необходимость дальнейшего снижения предельно допустимых концентрации вредных веществ выбрасываемых в атмосферу обусловили необходимость разработки и внедрения новых эффективных технологий очистки газовых потоков от взвешенных примесей. Существует большое количество промышленных технологий производящих и выбрасывающих в атмосферу вязкие аэрозольные частицы. К таким производствам относятся технологии связанные с переработкой нефтепродуктов, оцинковыванием стальных конструкций, производством полимеров и лакокрасочных продуктов и многие другие. Использование сухих фильтров для очистки газовых выбросов таких технологий крайне ограничено в связи с быстрой и необратимой блокировкой фильтровальной ткани и невозможностью длительной эксплуатации. В этой связи, очистка газов от вязких частиц обычно производится орошаемыми скрубберами, малоэффективными для улавливания субмикронных фракций. Разработка новых подходов, позволяющих существенно увеличить эффективность улавливания вязких аэрозольных фракций, является актуальной задачей, направленной на улучшение качества воздуха в промышленных районах и в окружающих их населённых пунктах.
В настоящее время существует достаточно ограниченный круг устройств, способных с высокой эффективностью одновременно улавливать газовые и аэрозольные загрязнители. Теоретическое обоснование и последующее создание таких устройств позволит существенно удешевить процессы очистки газов, а также устанавливать очистные сооружения в местах, где в связи с ограниченностью пространства, очистные сооружения в настоящее время либо не используются вообще, либо устанавливаются только для очистки наиболее критичной составляющей выбросов (газовых или аэрозольных загрязнителей). Решение данной задачи является актуальной проблемой, напрямую направленной на улучшение экологии воздушного бассейна.
В последние годы, в связи с возросшей опасностью био-терроризма и широким распространением опасных вирусных заболеваний, таких как атипичная пневмония и птичий грипп, необходимость разработки надёжных и быстрых методов выявления инфекции в окружающем воздухе становится задачей первостепенной важности и особой актуальности. В настоящее время в мире не существует методов, позволяющих обнаруживать живые вирусные частицы в воздушном пространстве. Создание таких методов может диаметрально изменить ситуацию, позволяя своевременно провести комплекс санитарных и эвакуационных мероприятий, существенно снижая возможность распространения эпидемий/пандемий, связанных с человеческими жертвами и влекущих колоссальный экономический ущерб для экономики.
Основными целями работы являются:
-
Теоретическое обоснование, исследование и разработка новых технологии, основанных на использовании орошаемых фильтров, способных эффективно улавливать широкий спектр аэрозолей, включая вязкие частицы.
-
Теоретическое обоснование и разработка технологических решений по использованию волокнистых сред погружённых в жидкости для параллельного удаления аэрозольных и газовых примесей из воздушных потоков.
-
Теоретическое обоснование и разработка аппаратурного оформления и протокола для нового метода быстрого мониторинга биоаэрозольных частиц.
Научная новизна
Получен ряд результатов, позволивший теоретически обосновать и разработать технологии нового поколения в областях фильтрации аэрозолей и мониторинга биологических загрязнителей воздуха. Математически описаны, разработаны и внедрены самоочищающиеся фильтры позволяющие улавливать вязкие частицы и изучен процесс поведения жидкой фазы на волокнах. Оптимизация процесса позволила достичь очень высокой эффективности очистки выхлопных газов, что особенно важно, так как исторически выхлопные газы, несущие вязкие аэрозольные частицы, очищались низкоэффективными скрубберами не позволяющими достигать требуемых степеней очистки. Разработан ряд моделей, описывающий процессы улавливания аэрозолей, испарения жидкости с поверхности фильтра, и поведения капель и плёнок на поверхности волокна, позволяющих проводить точную оценку технологических процессов на стадии их разработки. Все разработанные модели были экспериментально верифицированы в лаборатории и на производстве.
Разработаны и детально изучены физико-кинетические основы процесса улавливания аэрозольной фазы при пропускании газового носителя через пористые среды, погружённые в слои орошающей жидкости. С помощью разработанного метода, в котором используется процесс пропускания газового носителя через пористые среды, решены задачи, связанные с очисткой воздуха при помощи компактных и дешёвых технологий. Для исследований, разработан и применён динамический метод исследований при помощи ядерного магнитного резонанса на микроскопическом уровне. Результаты, полученные с помощью данного метода, позволили визуализировать процесс течения газо-жидкостных потоков внутри пористой среды. На основании полученных результатов были разработаны математические модели расчётов параметров процесса, необходимых на стадии разработки оборудования. Метод был применён для разработки персонального пробоотборника биоаэрозольных частиц.
Разработан и испытан в лабораторных и полевых условиях эксплуатации метод мониторинга живых биоаэрозольных частиц. В результате испытаний получено, что выживаемость бактериальных и грибковых аэрозолей более чем в два раза выше по сравнению с лучшими мировыми образцами аналогичного оборудования. Биоаэрозольный пробоотборник был успешно использован для мониторинга живых вирусных частиц в окружающем воздухе. Результаты, показанные при лабораторных испытаниях легли в основу разработки прототипа для массового производства для дальнейшего использования анти-террористическими организациями, вооружёнными силами, в областях сельского хозяйства и здравоохранения и многими другими. Прибор был успешно использован для мониторинга вируссодержащих аэрозолей в инфекционных больницах и в сельском хозяйстве. Далее он был использован в сочетании с устройством ПЦР (полимеразной цепной реакции), что позволило существенно сократить сроки определения наличия патогенов в воздухе. Прибор был испытан в сочетании с ПЦР в реальном времени, что позволило качественно (присутствуют/отсутствуют) определять целевые микроорганизмы в течение минут после их появления в воздухе. Был разработан прототип миниатюрного ПЦР реального времени что, в сочетании с пробоотборником, позволило разработать портативный комплекс мониторинга биоаэрозолей, устанавливаемого на ремне пользователя и определяющего наличие инфекционных биоаэрозолей в течение минут после их появления. Разработаны модели оценивающие процесс мониторинга внутри помещений и в условиях открытой атмосферы, позволяющие, на основании данных полученных в результате пробоотбора, производить точный перерасчёт соответствующей концентрации в воздухе. Данные модели также могут быть использованы для определения оптимальных маршрутов мониторинга для наиболее полного охвата исследуемого объекта.
На защиту выносятся:
-
Новый метод улавливания аэрозольных частиц орошаемыми фильтрами с различными гигроскопическими свойствами (теоретическое обоснование и аппаратурное оформление), позволяющий приводить фильтрацию частиц с широким диапазоном параметров, включая вязкие частицы блокирующие традиционные фильтры.
-
Новый метод комплексного улавливания аэрозольных и газовых загрязнителей воздуха на пористых материалах погружённых в жидкую среду, включая его теоретическое обоснование и аппаратурное оформление.
-
Теоретическое обоснование и разработка нового метода мониторинга живых биоаэрозольных частиц (аппаратурное оформление и протокол измерений), включая быстрое обнаружение патогенных микроорганизмов с использованием комбинации с мини-ПЦР.
Апробация.
Результаты изложенные в диссертации обсуждены на 'СНЕМЕСА 95', Adelaide, Australia; 10th World Clean Air Congress, Helsinki, Finland; 13th International Clean Air & Environment Conference. Adelaide. Australia; 7th World Filtration Congress, Budapest, Hungary; 15th International Meeting on Air Cleaning & Contamination Control. Tokyo. Japan; Separation of particles. 4th European Symposium. Nurnberg. Germany; 11th World Clean Air Congress. Durbin. South Africa; European Aerosol Conference. Prague. Czech Republic; Горение и атмосферное загрязнение, Санкт Петербург, Россия; 17th International Meeting on Air Cleaning & Contamination Control. Tokyo, Japan; American Aerosol Conference, St.Louis, USA; 3r European Congress of Chemical Engineering. Nurnberg, Germany; 6l World Congress of Chemical Engineering. Melbourne; MODSIM 2001, Canberra, Australia; ICIPACT-2001. Hyderabad, India; AIHce. San-Diego, USA; AIOH. Wollongong, Australia; 6l International Aerosol Conference, Taipei, Taiwan; European Aerosol Conference 2003. Madrid, Spain; Asian Aerosol Congress, Hong Kong; European Aerosol Conference, Budapest, Hungary; American Association Aerosol Research, Austin, TX, USA; European Aerosol Conference, Ghent, Belgium; 4 Asian Aerosol Congress, Mumbai, India; 7r International Aerosol Congress; "Аэрозоли Сибири", Томск. Публикации.
По теме диссертации опубликовано более 140 работ в Российских и международных изданиях (список основных работ про латается), в том числе в 56 международных и 11 Российских изданиях рекомендованных ВАК РФ. Личный вклад автора.
Данная работа описывает результаты исследований проведённых автором на протяжении 22 лет в лабораториях России, Австралии, США, Японии, Гонконга, Великобритании, Франции, Кореи, Израиля и многих других стран. Были получены результаты, позволившие решить ряд важных проблем в различных областях науки и техники. Разработанные технологии успешно работают более чем в 30 странах мира. Под руководством автора и по теме данной диссертации подготовлено 9 кандидатских диссертаций (PhD) и опубликовано более 140 научных статей и докладов. Все исследования, описанные в данной диссертации, были проведены при непосредственном участии автора, который принимал участие в обосновании и разработке направлений исследований, разработке лабораторного и промышленного оборудования, разработке математических и физических моделей процессов и в экспериментальных программах. Все статьи и тезисы докладов описывающие результаты исследований были целиком или в большей степени написаны автором. Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, трёх частей, содержащих 19 глав, выводов, заключения и списка литературы. Объём диссертации - 328 стр., включающих 127 рисунков и 27 таблиц. Библиография: 283 наименования.
