Экспериментальная оценка диффузии субмикронных и наночастиц через пограничный слой

УДК 534.29:551.594.25

Н.Н. Чернов, М. А. Тимошенко, М.В. Рубашкина ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДИФФУЗИИ СУБМИКРОННЫХ И НАНОЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ

Экспериментально оцениваются диффузионные потоки субмикронных и наночастиц через пограничный слой и их дисперсное распределение для двух видов сигарет.

Диффузия; пограничный слой; аэрозольные частицы; табачный дым.

N.N. Chernov, M.A. Timoshenko, M.V. Rubashkina THE DIFFUSION OF SUBMICRONIC PARTICLES AT BLAST THROUGH GYDRODINAMIC AND ACOUSTIC BOUNDARY LAYERS

The diffusion flux of submicron & nano- particles through boundary layer and the disperse structure of two kind of cigarettes were estimated by experiment.

Diffusion; boundary layer; aerosol particles; tobacco smoke.

В дыхательном тракте человека (и в ряде технологических процессов в промышленности) осаждение нано- и субмикронных частиц, например, табачного дыма при пассивном и активном курении происходит через пограничный слой. Нами предпринята попытка экспериментального исследования осаждения таких частиц. При движении воздуха со взвешенными в нем субмикронными и наночастицами в узком канале (например, при активном и пассивном курении, а также в ряде промышленных технологических процессах, связанных с осаждением аэрозолей), происходит осаждение в гидродинамическом потоке с преодолением пограничного слоя за счет диффузии [1].

Ранее нами производились теоретические расчеты, касающиеся диффузионного потока от источника [2,3]. В данной работе приводится описание проведенного нами экспериментального исследования потока субмикронных аэрозольных частиц через гидродинамический слой.

Экспериментальная оценка диффузионного потока субмикронных и наночастиц через пограничный слой базируется на предположении, что все (или практически все) аэрозоли, отклонившиеся в перпендикулярном направлении (по оси y) от горизонтального потока (оси x) в канале, шириной h, прилипнут на горизонтальную подложку. Эти частицы можно рассмотреть в атомно-силовом микроскопе, их можно сосчитать и оценить их дисперсное распределение. Высказанное предположение подкрепляется тем обстоятельством, что диффузионный поток Пу(х) через пограничный слой в направлении оси у невелик по сравнению с основным Пх(х). Слипаемость субмикронных, тем более наночастиц, проникших с помощью диффузионного потока через пограничный слой, обеспечивает сцепление с поверхностью ситаловой подложки за счет сил Ван-дер-Ваальса.

При названных предположениях диффузионный поток субмикронных и наночастиц Пу(х) рассчитывается путем подсчета на снимках в атомно-силовом микроскопе числа осажденных аэрозольных частиц на горизонтальную ситаловую подложку известной площади за известное время. При этом фиксируется скорость горизонтального потока, температура, а также параметры среды и аэрозоля.

Измерения проводились следующим образом: в трубе коагуляционной камеры, шириной h = 10 см и длиной l = 110 см, вдоль оси х протягивался воздух со взвешенными в нем частицами дыма, при этом создавался аэрозольный поток Пх(х). От него, в силу диффузии, ответвляется поток частиц в направлении, пер-

пендикулярном оси х, Пу(у). В это время в коагуляционную камеру помещались подложки ситала для отбора проб дыма. Пробы отбирались в двух точках в течение времени 1 = 5 с. Подложки располагались горизонтально на оси камеры, при этом отверстия для забора проб закрывались. Затем ситаловые подложки с осажденными на них частицами дыма, помещались в зондовый микроскоп, где методом атомно-силовой микроскопии в бесконтактном режиме исследовались рельеф, структура, поверхностная концентрация частиц. Измерения проводились для двух типов аэрозолей: «махорка» и «Мальборо».

Измерения проводили на установке, схема которой изображена на рис. 1. Основной частью является горизонтальная труба 1, длиной 110 см, в левой части расположен акустический излучатель 2. Справа - вентилятор 5, обеспечивающий горизонтальный поток аэрозоля. В диффузоре 4 имеется отверстие для подключения генератора дыма. В трубе 1 имеются отверстия для взятия проб на ситаловые подложки, располагающиеся горизонтально на фиксированных расстояниях х1 = 20 см, х2 = 40 см от источника аэрозоля.

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования процессов взаимодействия аэрозолей

В представляемой серии экспериментов измерения проводились с аэрозольными частицами двух типов сигарет тонкодисперсными «Мальборо» и грубодисперсными «махорка». На рис. 2 приведен фазовый портрет осажденных на ситало-вую подложку частиц сигарет «Мальборо» при х1 = 20 см. На микрофотографии отдельные частицы сигаретного дыма, средним размером порядка 100 нм. Размер скана равен 50х50 мкм. Конфигурация и общий вид частиц во многом совпадает с наблюдаемыми нами ранее частицами выдыхаемого курильщиками дыма. На си-таловой подложке, помещенной в наномикроспоп, можно насчитать много сканов, на которых видны для измерений размеры и соответствующее число частиц для подсчета счетной концентрации, диффузионного потока Пу(х) и дисперсного распределения.

пт

50

40

30

20

10

2§

Рис. 2. Фазовая нанофотография частиц сигарет «Мальборо» при х1 = 20 см

На рис. 3 приведена нанофотография осажденных при х] = 20 см на ситало-вую подложку частиц сигарет типа махорка. Из сравнения микрофотографий видно, что размеры частиц сигаре типа махорка существенно больше сигарет «Мальборо». Общая их конфигурация сходная, так как в основе лежат смолы никотина.

ПГП-

Рис. 3. Фазовая нанофотография частиц сигарет «Махорка» при х2 = 20 см

Из сравнения нанофотографий следует, что медианный размер частиц сигарет «Мальборо» меньше аэрозолей дыма сигарет типа махорка.

На рис. 4 и 5 приведены трехмерные микрофотографии осажденных через пограничный слой на ситаловые подложки частиц соответственно тех же сигарет «Мальборо» и махорка в токе х2 = 40 см. Результаты сравнения рис. 4 и 5 приблизительно такие же, как и рис. 2,3. По результатам подсчета различных сканов си-таловых подложек в точке 2 нами получены количественные характеристики диффузионных потоков субмикронных и наночастиц через пограничный слой. Скорость горизонтального потока удерживалась постоянной.

10

0 0

Рис. 4. Фазовая нанофотография частиц сигарет «Мальборо» при х1 = 40 см

Рис. 5. Фазовая нанофотография частиц сигарет «Махорка» при х2 = 40 см

Сравнение подсчитанных из экспериментальных данных из рис. 2-5 диффузионных потоков показывает некоторую убыль, предсказанную теорией.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тимошенко В.И., Чернов Н.Н. Осаждение и осадконакопление промышленных дымов.

- Ростов-на-Дону: «Ростиздат», 2004. - 224 с.

2. Тимошенко М.А. Решение задачи о диффузионном изменении счетной концентрации наночастиц методом операционного исчисления // Известия ЮФУ. Технические науки.

- 2009. - № 6 (95). - С. 186-193.

3. Тимошенко М.А., Чернов Н.Н. Модель осаждения частиц сигаретного дыма на поверхность в звуковом поле с учетом квазистационарности среды // Нелинейные акустические системы. Сборник статей, май, 2008. - Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат». - 2008. - С. 206-213.

4. Тимошенко В.И., Чернов Н.Н. Взаимодействие и диффузия частиц в звуковом поле.

- Ростов-на-Дону: «Ростиздат», 2003. - 304 с.

5. ФуксН.А. Механика аэрозолей. - М.: Изд-во «Академии наук», 1955. - 351 с.

Чернов Николай Николаевич

Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: nik-chemov@yandex.ru.

347930, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2.

Тел.: 88634 371795.

Тимошенко Мария Алексеевна

E-mail: ega@tsure.ru.

Рубашкина Марина Владимировна

E-mail: tmina@fep.tsure.ru.

Chernov Nikolay Nikolaevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: nik-chernov@yandex.ru.

2, Shevchenko street, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +78634 371795

Timoshenko Maria Alekseevna

E-mail: ega@tsure.ru.

Rubashkina Marina Vladimirovna

E-mail:tmina@fep.tsure.ru.