УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИГРОСКОПИЧНОГО СУБМИКРОННОГО АЭРОЗОЛЯ ИОДИДА ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ С ГЛИЦЕРИНОМ

Область техники
Полезная модель относится к области физики аэродисперсных систем, а именно к устройствам для получения гигроскопичного, субмикронного и биполярно заряженного аэрозоля из капель гомогенного раствора иодида щелочных металлов в глицерине, и может быть использована в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также в медицине при лечении заболеваний, при которых показаны ингаляция воздуха, содержащего гигроскопичный, субмикронный и аэрозоль биоактивных капель глицерина с иодидом щелочных металлов калия и/или натрия (KI, NaI) диаметром от 0,1 до 3-4 мкм.
Уровень техники
Известно устройство для получения гигроскопичного и биполярно заряженного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен химически инертный реактор с испаряющимся при температуре Т=650-750°С иодидом щелочного металла, вентилятор для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха внутрь трубчатого канала цилиндрической электропечи и в кольцевой зазор между ней и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления с охлаждением паровоздушной смеси на выходе из керамического реактора потоком атмосферного воздуха из кольцевого зазора между цилиндрическим корпусом и цилиндрической электропечью, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением (патент РФ №2276608).
Недостатком данного устройства является невозможность концентрирования аэрозоля иодидов калия (KI) и/или натрия (NaI) в локальном объеме воздуха для последующей прямой ингаляции с целью галотерапии человека аэрозольными частицами, содержащими KI и/или NaI, а также высокие температуры реактора от 650 до 750°С для испарения иодида калия и/или натрия, что повышает энергопотребление, понижает электропожаробезопасность и предъявляет специальные требования к конструкционным материалам устройства.
Известно устройство для получения гигроскопичного и биполярно зараженного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно, с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь, в трубчатом канале которой размещен цилиндрический, керамический реактор с испаряющимся при Т=650-750°С гигроскопичным галогенидом щелочного металла, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха в кольцевой зазор между цилиндрической электропечью и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления и охлаждения паровоздушной смеси атмосферным воздухом на выходе из керамического реактора, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, установленные в нижней части цилиндрического корпуса (Патент РФ №2334560).
Недостатком этого устройства является невозможность концентрирования аэрозоля иодидов калия и/или натрия в локальном объеме воздуха для последующей прямой ингаляции с целью галотерапии пациентов аэрозольными частицами, содержащими KI и/или NaI, а также высокие температуры реактора от 650 до 750°С для испарения иодидов калия или натрия, что повышает энергопотребление, понижает пожаробезопасность и предъявляет специальные требования к конструкционным антикоррозионным материалам устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (прототипом) является устройство для получения гигроскопичного, субмикронного аэрозоля с иодидом щелочных металлов, содержащее цилиндрический корпус, в центральной части которого соосно, с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь с трубчатым каналом, в котором размещен цилиндрический реактор с иодидом щелочных металлов, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью для подачи через сетку, установленную на нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха в кольцевой зазор между цилиндрической электропечью и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления и охлаждения смеси паров и аэрозоля атмосферным воздухом на выходе из цилиндрического реактора, блоки управления вентилятором и электропечью, цилиндрическую съемную ингаляционную емкость объемом более двух литров, закрепленную на верхнем торце цилиндрического корпуса, с перфорированным выходом для подачи аэрозольного потока в атмосферный воздух и патрубком ингаляции аэрозоля с обратным клапаном на ее боковой поверхности перед перфорированным выходом (патент РФ на полезную модель №134083).
Недостатком этого устройства является невозможность получения гигроскопичного, субмикронного капельного аэрозоля с иодидом щелочных металлов и глицерина в локальном объеме воздуха для последующей прямой ингаляции и галотерапии человека, а также нагревание до высокой температуры от 650 до 750°С иодидов калия и/или натрия в цилиндрическом реакторе для их интенсивного испарения, что повышает энергопотребление, понижает пожаробезопасность устройства и требует использование антикоррозионных материалов, устойчивых к воздействию высоких температур в окислительной воздушной атмосфере и расплавов солей галогенидов щелочных металлов при температуре до 750°С.
Раскрытие сущности полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является унификация конструкции устройства и расширение его функциональных возможностей.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для получения субмикронного, гигроскопичного и биполярно заряженного аэрозоля иодида щелочных металлов с глицерином.
Для достижения технического результата предложено устройство для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов с глицерином, содержащее цилиндрический корпус, в котором соосно с кольцевым зазором расположена цилиндрическая электропечь с трубчатым каналом, в котором размещен реактор с испаряющимся веществом, вентилятор, установленный соосно трубчатому каналу перед цилиндрической электропечью для подачи через сетку, установленную в нижнем торце цилиндрического корпуса, атмосферного воздуха в кольцевой зазор между цилиндрической электропечью и цилиндрическим корпусом, камеру турбулентного разбавления, расположенную на выходе из реактора, блоки питания вентилятора и электропечи регулируемым напряжением, соосно установленную на верхнем торце цилиндрического корпуса съемную ингаляционную емкость с перфорированным выходом, на боковой поверхности которой расположен ингаляционный патрубок, при этом в верхней части цилиндрического реактора, содержащего гомогенный раствор иодида щелочных металлов в глицерине, соосно закреплен сепаратор грубодисперсных капель, а в нижней части цилиндрического реактора соосно установлен барботажный тонкодисперсный распылитель жидкого раствора, соединенный с мембранным компрессором атмосферного воздуха.
Кроме того, цилиндрический реактор изготовлен из керамики или тефлона или нержавеющей медицинской стали или кварцевого стекла.
Кроме того, сепаратор грубодисперсных капель выполнен из стали 12Х18Н10Т в виде конуса с углом 60°, состыкованного с пакетом последовательных сеток из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с отверстиями ячеек от 40 до 10 мкм или с полимерным волокнистым фильтром грубой очистки из полиэстера класса F5.
Кроме того, барботажный тонкодисперсный распылитель выполнен в виде пневматической центробежной форсунки из медицинской нержавеющей стали 12Х18Н10Т с профилированными каналами в виде сопел Лаваля.
Краткое описание чертежей
На фигуре показана принципиальная схема устройства для получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля капель глицерина с иодидом щелочных металлов, где:
1 - цилиндрический корпус;
2 - мембранный компрессор атмосферного воздуха;
3 - цилиндрическая электропечь;
4 - трубчатый канал электропечи;
5 - барботажный тонкодисперсный распылитель;
6 - цилиндрический реактор;
7 - раствор иодида щелочных металлов в глицерине;
8 - камера турбулентного разбавления;
9 - съемная ингаляционная емкость;
10 - ингаляционный патрубок;
11 - выходное перфорированное отверстие;
12 - сетка;
13 - блок питания цилиндрической электропечи и мембранного компрессора;
14 - блок питания вентилятора;
15 - вентилятор;
16 - сепаратор грубодисперсных капель;
17 - конус;
18 - набор сеток из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с ячейками различного размера или фильтр грубой очистки из полимерных волокон полиэстера класса F5 согласно ГОСТ Р 51251-1999, Фильтры очистки воздуха.
На фигуре приняты также следующие обозначения:
Н - ширина кольцеобразного зазора между цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрической электропечью 3;
1
Q(c)=Q+Q - суммарный объемный расход воздуха из устройства;
Q - расход воздуха, подаваемый вентилятором 15 в корпус 1 через сетку 12;
1
Q - объемный расход воздушного потока в барботажный тонкодисперсный распылитель 5, создаваемый мембранным компрессором атмосферного воздуха 2;
1
T - температура атмосферного воздушного потока на входе в цилиндрический корпус 1;
2
Т - температура раствора глицерина с иодидом щелочных металлов;
3
Т - температура аэрозольного потока на выходе из цилиндрического реактора 6;
H
U - напряжение питания электропечи 3 и мембранного компрессора атмосферного воздуха 2 от блока питания 13;
B
U - напряжение питания вентилятора 15 от блока питания 14.
Осуществление полезной модели
Цилиндрический корпус 1, цилиндрическая электропечь 3, трубчатый канал электропечи 4, барботажный тонкодисперсный распылитель 5, цилиндрический реактор 6, камера турбулентного разбавления 8, съемная ингаляционная емкость 9, вентилятор 15 и сепаратор грубодисперсных капель 16 установлены соосно.
Съемная ингаляционная емкость 9 закреплена на верхнем торце цилиндрического корпуса 1.
Цилиндрический реактор 6 выполнен из керамики, тефлона, нержавеющей медицинской стали 12Х18Н10Т или кварцевого стекла, которые не окисляют иодиды натрия и калия при температуре до 150°С в влажном потоке атмосферного воздуха с образованием молекулярного йода. Это согласуется с термодинамическими расчетами. Его установку в трубчатый канал электропечи 4 осуществляют при снятой съемной ингаляционной емкости 9.
3
4
Температура нагревания цилиндрического реактора 6 с гомогенным раствором глицерина с иодидом щелочных металлов 7 варьируется от 30 до 80°С для уменьшения его вязкости и, соответственно, регулирования массовой производительности распылителя с барботером, а также диаметра капель. Например, при повышении температуры раствора глицерина от 20 до 60°С его вязкость уменьшается с 1,5 до 0,1 Па⋅с. Глицерин при Т>100°С может разлагаться в присутствии катализаторов различного типа с образованием канцерогенных веществ типа акролеина (СНО - альдегид акриловой кислоты). Поэтому максимальная температура нагревания раствора не превышает 80°С. Процесс его нагревания контролируется термопарой, соединенной обратной связью с блоком питания 13 цилиндрической электропечи 3.
В качестве иодидов щелочных металлов используют гигроскопичные соли иодидов калия и/или натрия для галотерапии (М.В. Велданова, А.В. Скальный, Йод знакомый и не знакомый, Петрозаводск, изд. «ИнтелТех», 2004, 186 С.).
Иодид щелочного металла предварительно растворяют в глицерине в виде тонкодисперсного порошка с размером частиц от 10 до 100 мкм.
В качестве растворителя используется глицерин и/или глицерин с небольшой добавкой воды, который растворяет иодиды натрия и калия с массовой концентрацией до 25-30 масс. % при Т>20-25°С с образованием гомогенного раствора (Рахманкулов Д.Л., Кимсанов Б.Х., Чанышев P.P. «Физические и химические свойства глицерина». М.: Химия, 2003, 200 С., В.А. Рабинович, З.Я. Хавин «Краткий химический справочник», Ленинград, Химия, 1978, 392 С., А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058).
Мембранный компрессор атмосферного воздуха 2 и барботажный тонкодисперсный распылитель 5 соединены газопроводом из тефлоновой или поливинилхлоридной трубки (на фигуре не показан).
Барботажный тонкодисперсный распылитель 5 выполнен в виде пневматической центробежной форсунки из медицинской нержавеющей стали 12Х18Н10Т с профилированными каналами в виде сопел Лаваля на ее поверхности для истечения воздуха в жидкий раствор и образования в нем мелкопузырькового течения, в том числе гидродинамических кавитационных пузырьков диаметром менее 1-2 мм через толщу жидкости. В результате происходит ее активное перемешивание и диспергирование на поверхности раствора с образованием капель диаметром от 0,1 до 40-50 мкм. Крупные капли диаметром более пяти мкм эффективно улавливаются сепаратором 16 и возвращаются в раствор.
Геометрический объем съемной ингаляционной емкости 9 с ингаляционным патрубком 10 капельного аэрозоля с иодидом щелочных металлов превышает два литра и соизмерим с объемом вдыхаемого воздуха человеком в состоянии покоя. Это позволяет осуществлять его аспирационную подачу неразбавленного воздухом непосредственно в органы дыхания человека.
Использование соосно установленного в цилиндрическом реакторе 6 барботажного тонкодисперсного распылителя 5 жидкого раствора иодида щелочных металлов и глицерина 7, соединенного с мембранным компрессором атмосферного воздуха 2, установленным в цилиндрическом корпусе, позволяет одновременно, создавать в цилиндрическом реакторе 6 гомогенный раствор иодида щелочных металлов в глицерине с выравниванием концентрации галогенидов щелочных металлов по объему глицерина в цилиндрическом реакторе за счет барботажа, а также осуществлять его распыление с образованием над поверхностью раствора тумана капель глицерина с гомогенно растворенным иодидом щелочных металлов и диаметром от 0,1 до 40-50 мкм со средним арифметическим диаметром менее 3 мкм и распределением близким к логнормальным (А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058).
Установка в верхней части цилиндрического реактора 6 над раствором глицерина и иодида щелочных металлов 7 сепаратора грубодисперсных капель 16 диаметром более 5 мкм позволяет осуществлять их улавливание с эффективностью более 90% за счет инерционного осаждения, зацепления и ситового эффекта, а также возвращать фильтрат крупных капель обратно в раствор за счет седиментации и стекания жидкости с сепаратора и стенок цилиндрического реактора.
При попадании тумана субмикронных капель диаметром от 0,1 до 3-4 мкм из устройства в воздух рабочего и/или бытового помещения происходит частичное испарение глицерина с их поверхности. Время испарения первичных капель с образованием вторичных субмикронных частиц KI-NaI с небольшим содержанием глицерина (менее 10 масс. %) зависит от величины их первоначального диаметра. Например, характерное время испарения капель глицерина диаметром 1 мкм до 0,5 мкм составляет около 10 с при температуре 25°С (А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058, П. Райст «Аэрозоли, введение в теорию», М.: Мир, 1987, 280 С., ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия).
Первичный и вторичный аэрозоль глицерина с иодидом щелочных металлов, как и в прототипе, биполярно заряжен за счет флуктуаций плотности положительных и отрицательных ионов в гомогенном растворе иодида щелочных металлов и глицерина.
Вторичный аэрозоль характеризуется относительной устойчивостью, так как скорость седиментации частиц диаметром d<3 мкм составляет менее 0,05 см/с и ее значение существенно меньше скорости конвективных потоков воздуха в бытовых и рабочих помещениях (>10-100 см/с).
1
1
Устройство работает следующим образом. С помощью вентилятора 15 из окружающей атмосферы в кольцевой зазор между цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрической электропечью 3 поступает воздушный поток Q с комнатной температурой Т. Одновременно, сжатый воздушный поток Q подается мембранным компрессором 2 в барботажный тонкодисперсный распылитель 5. В результате барботажа глицерина осуществляется образование однородного по объему раствора иодида щелочных металлов с глицерином и его последующее тонкодисперсное распыление на поверхности жидкости мелкими пузырьками с схлопыванием каверн. Для уменьшения вязкости глицерина и регулирования производительности его распыления осуществляется нагрев раствора от 30 до 80°С цилиндрической электропечью 3 с контролирующей термопарой (на фигуре не показана) для поддержания заданной температуры в цилиндрическом реакторе 6. Крупные капли диаметром более 5 мкм с эффективностью более 80-90% улавливаются сепаратором губодисперсных капель 16 за счет инерционного осаждения, зацепления и ситового эффекта набора металлических сеток 18 из нержавеющей стали с размером ячеек от 10 до 40 мкм или захвата на волокнах полимерного фильтра грубой очистки из полиэстера класса F5 согласно ГОСТ Р 51251-1999, Фильтры очистки воздуха. Собранный жидкий фильтрат грубодисперсных капель возвращается в раствор за счет седиментации и поверхностных сил. В результате на выходе из цилиндрического реактора 6 образуется туман биполярно заряженных и гигроскопичных субмикронных капель глицерина с гомогенно растворенным иодидом щелочных металлов диаметром от 0,1 до 3-4 мкм.
1
3
1
1
Конвективный поток тумана субмикронных капель Q на выходе из цилиндрического реактора 6 охлаждается до температуры Т≈T коаксиальным потоком атмосферного воздуха Q. Соотношение объемных скоростей потоков Q/Q варьируется от 0,5 до 10 для разбавления массовой концентрации капель глицерина с растворенным иодидом щелочных металлов. Дополнительно турбулентное перемешивание воздушных потоков осуществляют при их течении через выходное перфорированное отверстие 10.
1
1
1
1
1
1
1
1/3
3
3
При попадании тумана субмикронных капель диаметром от 0,1 до 3-4 мкм в воздух рабочего и/или бытового помещения происходит частичное испарение глицерина за время менее 100 с. Время испарения первичных капель с образованием вторичных субмикронных частиц KI-NaI с небольшим содержанием глицерина (менее 10 масс. %) зависит от величины их первоначального диаметра. Например, характерное время испарения капель глицерина диаметром 1 мкм до 0,5 мкм составляет около 10 с при температуре 25°С (А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058, П. Райст «Аэрозоли, введение в теорию», М.: Мир, 1987, 280 С., ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия). В результате в воздухе помещения образуется вторичный и устойчивый субмикронный аэрозоль галогенида щелочных металлов с концентрацией KI и/или NaI до 90 масс. %. Диаметр частиц вторичного аэрозоля d значительно меньше первоначального диаметра капель d раствора глицерина с иодидом щелочных металлов. Отношение d/d≥{m(KI)ρ/ρ{KI)} зависит от величины начальной массовой доли иодида щелочных металлов m(KI) в первичной капле, ее плотности ρ и плотности иодида щелочного металла ρ(KI) во вторичной аэрозольной частице, а также доли не испаренного глицерина. Например, при m(KI)=10 масс. % и ρ(KI)=3,11 г/см отношение d/d≈0,36 в случае полностью испаренного глицерина. Здесь ρ(KI)=3,11 г/см - кристаллографическая плотность иодида калия.
-19
Экспериментально было показано, что первичные и вторичные аэрозольные частицы глицерина с KI и/или NaI заряжены положительно и отрицательно (биполярно) с зарядом +/- (1-10) е, где е=1,6×10 кулона - заряд электрона. Его величина зависит от диаметра первичных капель (А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058, П. Райст «Аэрозоли, введение в теорию», М.: Мир, 1987, 280 С., ГОСТ 6824-96. Глицерин дистиллированный. Общие технические условия).
1
2
Оптимальная относительная влажность атмосферного воздуха для генерации аэрозоля глицерина с растворенным в каплях иодидом щелочных металлов составляет 30-70% при T=20-30°C. Оптимальная рабочая температура Т в цилиндрическом реакторе 6 варьируется от 55 до 65°С, а максимальная его рабочая температура не превышает 80°С.
Пример.
2
Работа устройства при температуре раствора глицерина с иодидом калия Т≈60°С.
3
Для создания гомогенного раствора использовался химически чистый глицерин (ЧДА, 99,5 масс. % с добавленной водой около 9 масс. %) и иодид калия (ЧДА, содержание KI по массе более 99,5% согласно ГОСТ 4232-74). Измеренная плотность раствора глицерина и воды составляла около 1,238 г/см и соответствовала марке «Т-88» согласно ГОСТ 6824-96 «Глицерин дистиллированный. Общие технические условия». После барботирования раствора массовая концентрация KI составляла около 10 масс. %.
3
3
Жидкий раствор объемом около 120 см помещался в цилиндрический тефлоновый реактор с внутренним диаметром 3,5 см; длиной 180 см и объемом около 170 см.
Барботажный тонкодисперсный распылитель 5 был выполнен в виде пневматической центробежной форсунки из медицинской нержавеющей стали 12Х18Н10Т с профилированными каналами в виде сопел Лаваля для истечения воздуха в жидкий раствор и образования в нем гидродинамической кавитации с мелкопузырьковым течением в том числе кавитационных пузырьков диаметром менее 1-2 мм через толщу жидкости.
Инерционный сепаратор грубодисперсных капель 16 был выполнен из стали 12Х18Н10Т в виде конуса с углом 60°, состыкованного с пакетом последовательных сеток из никеля с отверстиями ячеек от 40 до 10 мкм.
1
1
1
2
Объемный расход атмосферного воздуха составлял Q≈0,3 литр/с, а расход воздуха от мембранного компрессора Q≈0,06 литр/с. Величина кратности разбавления концентрации капель на выходе из устройства при турбулентном перемешивании потоков Q и Q была равна Q/Q≈5. Относительная влажность атмосферного воздуха составляла 45-50% при 24-26°С. Температуру раствора Т≈60°С регистрировали термопарой хромель-алюмель, соединенной обратной связью с блоком питания 13 цилиндрической электропечи 3. Его вязкость при 60°С составляла около 0,1 Па⋅с.
Напряжение питания вентилятора 15 типа «Zalman» составляло 12 В, цилиндрической электропечи 3 - (20-24) В, а мембранного компрессора атмосферного воздуха 2-12 В. Тип компрессора - «AJK-В12А3603» с давлением сжатого воздуха около 0,5-0,6 атм. на входе в барботажный тонкодисперсный распылитель 5.
Ширина кольцеобразного зазора между цилиндрическим корпусом 1 и цилиндрической электропечью 3 составляла Н=20 мм.
В ходе создания аварийной ситуации с разрушением цилиндрического реактора 6 было установлено, что раствор глицерина с КI не протекал в нижнюю часть цилиндрического корпуса 1.
Измеренное значение массовой производительности капель глицерина с растворенным иодидом калия диаметром не более 4 мкм было равно М≈100 мкг/с. Величина М определялась путем отбора капель на стекловолокнистые плоские фильтры с ультратонким диаметром волокон (тип «ФСВ-У», А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058) с последующим весовым анализом уловленного фильтрата. Средний арифметический диаметр капель составлял <d>≈1 мкм. Величина d измерялась путем отбора капель глицерина с иодидом калия на покрывные стекла и последующего их анализа оптическим микроскопом, а также путем анализа траекторий их движения в ультрамикроскопической кювете под действием силы тяжести и горизонтального электрического поля (А.В. Загнитько, А.А. Кирш, И.Б. Стечкина «О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости», Ж. Физической химии, 1988, т. 62, №11, с. 3058, П. Райст «Аэрозоли, введение в теорию», М.: Мир, 1987, 280 С.).
Массовая концентрация иодида калия в каплях глицерина составляла m(KI)≈10 масс. %. Значение m(KI) было измерено путем отбора капель на стекловолокнистые фильтры «ФСВ-У» с последующим детектированием калия в накопленном жидком фильтрате атомноэмиссионным анализом с индуцированной плазмой (ICP-AES метод). Эта величина совпадает с данными весового анализа при создании раствора глицерина-KI. Следовательно, массовая производительность диспергированного иодида калия в аэрозольном состоянии составляла около 10 мкг/с.
2
3
Измеренная поверхностная концентрация капель глицерина в съемной ингаляционной камере 9 составляла около 2 м/м.
-4
Заправленного в цилиндрический реактор 6 раствора глицерина с иодидом калия было достаточно для непрерывного получения в течение более 30 дней при работе по 8 часов в сутки биполярно заряженного, субмикронного и гигроскопичного капельного аэрозоля гомогенного раствора глицерина с иодидом калия в атмосферном воздухе с производительностью М≈100 мкг/с по каплям глицерина с содержанием около 10 мкг/с по иодиду калия в аэрозольном состоянии. Измеренная массовая убыль раствора за счет теплового испарения глицерина из цилиндрического реактора без его барботажа составляла менее 9 масс. % за 80 дней непрерывных измерений при температуре 24-26°С и относительной влажности воздуха около 45-50%. Этот экспериментальный результат согласуется с термодинамическими расчетами. Незначительная скорость испарения глицерина обусловлена низким давлением его насыщенных паров Р<5×10 мм.рт.ст. при Т=25°С и относительно большой теплотой парообразования Н≈950 кдж/кг (А. Richardson, Determination of vapour-pressures of alcohol and organic acids, and relation existing between the vapour-pressures of alcohols and organic acids, J. of the Chemical Society Transactions, 1986, vol. 49, p. 771-776).
После попадания тумана первичных капель глицерина с растворенным KI в воздух рабочего или бытового помещения наблюдалось испарение глицерина с образованием через 40-50 с устойчивого вторичного субмикронного аэрозоля с средним арифметическим диаметром <d>≈0,5-0,6 мкм и содержанием иодида калия около 90-95 масс. % в аэрозольных частицах. Этот процесс фиксировался ультрамикроскопическим методом и путем измерения поверхностной концентрации аэрозольных частиц лазерным и электрозарядными анализаторами их поверхности.
Вторичный аэрозоль был устойчив, т.к. скорость седиментации частиц (менее 0,05 см/с при d≤3 мкм) была существенно меньше скорости конвективных потоков воздуха в помещении (>10-100 см/с). За счет турбулентной и конвективной диффузии, созданный вторичный аэрозоль иодида щелочных металлов перемешивался с воздухом помещения.
1
Таким образом, в результате установки цилиндрического реактора 6, содержащего гомогенный раствор иодида щелочных металлов в глицерине 7, и соосного расположения в его верхней части сепаратора грубодисперсных капель 16, а в его нижней части барботажного тонко дисперсного распылителя 5 жидкого раствора иодида щелочных металлов и глицерина воздушным потоком сжатого воздуха от мембранного компрессора атмосферного воздуха 2, установленного в цилиндрическом корпусе 1, расширяются функциональные возможности заявленного устройства по сравнению с прототипом путем получения субмикронного, гигроскопичного и биполярно заряженного капельного аэрозоля диаметром от 0,1 до 3-4 мкм, содержащего растворенный в каплях глицерина иодид щелочных металлов для их вдыхания из ингаляционной камеры, а также повышается его пожаробезопасность с упрощением конструкции и уменьшается энергопотребление за счет резкого понижения температуры нагревания иодида щелочных металлов в цилиндрическом реакторе 6 с 650-750°С до 30-80°С. Причем, при поступлении конвективного потока тумана субмикронных капель диаметром d=0,1-(3-4) мкм в воздух рабочего и/или бытового помещения происходит частичное испарение глицерина за время менее 10-100 с. Характерное время испарения капель с образованием вторичных субмикронных частиц KI-NaI с небольшим содержанием глицерина (менее 10 масс. %) зависит от величины их первоначального диаметра. В результате в воздухе помещения образуется вторичный, устойчивый аэрозоль галогенида щелочных металлов с концентрацией KI и/или NaI до 90-95 масс. %. Диаметр частиц вторичного аэрозоля d значительно меньше первоначального диаметра капель d раствора глицерина с иодидом щелочных металлов.
Расширение функциональных характеристик заявленного устройства по сравнению с прототипом за счет создания в съемной ингаляционной емкости 9 с отдельным ингаляционным патрубком 11 первичных субмикронных капель глицерина с растворенным иодидом щелочных металлов, а также генерации в воздухе рабочего или бытового помещения вторичного субмикронного аэрозоля с содержанием иодидов щелочных металлов в частицах до более 90 масс. % при оптимальной рабочей температуре около 60°С (по прототипу около 700°С) позволяет использовать данное устройство для моделирования морского воздуха по содержанию йода, натрия и калия в усваиваемой организмом аэрозольной форме в системах кондиционирования воздуха и создания лечебного микроклимата внутри помещений, например, атомных станций и ядерных энергетических установок, а также в медицинских лечебнопрофилактических целях, например, для решения проблемы йододефицита населения РФ, путем ингаляции воздуха, содержащего гигроскопичный, субмикронный и биоактивный аэрозоль глицерина с иодидом калия и/или натрия, обладающего антисептическими и фармакологическими свойствами.
Геометрический объем съемной ингаляционной емкости 9 с ингаляционным патрубком 10 капельного аэрозоля с иодидом щелочных металлов превышает два литра и соизмерим с объемом вдыхаемого воздуха человеком в состоянии покоя. Это позволяет осуществлять аспирационную подачу капель непосредственно в органы дыхания человека.