Ультрадисперсные частицы вошли в нашу жизнь и стали составной ее частью, на которую мы уже не обращаем внимание. Но то, что мы применяем в быту – маленькая часть того, сколько выбрасывается аэрозолей в атмосферу на промышленных предприятиях.
Именно предприятия являются основными источниками выбросов. Промышленная инфраструктура Донбасса составляет пятую часть всего потенциала Украины. Предприятия металлургии и энергетики ежегодно дают соответственно 35 и 32% всех загрязнений. В составе газопылевых выбросов находиться оксиды серы и азота, зола, несгоревшие мельчайшие частицы топлива, и в том числе опасные радиоактивные элементы, диоксин, угарный газ, двуоксид углерода и многие иные вещества. Кроме того оказывается, что автотранспорт по вредности выхлопных газов приближается к промышленным предприятиям.
Однако, без ультрадисперсных частиц, в частности наночастиц, наша повседневная жизнь уже не мыслима. Нанотехнология несет в себе большой потенциал для использования научных исследований в сфере защиты климата и природных ресурсов. Ведь только с помощью нанотехнологии возможна разработка эффективных технологий охраны окружающей среды и методов использования возобновляемой энергии. Сейчас большое внимание уделяется неорганическим наночастицам, имеющим высокий коммерческий потенциал с перспективой массового производства. Эти наночастицы настолько устойчивы, что могут накапливаться как в живой ткани, так и в окружающей среде, а приемлемые пути для их проникновения туда существуют. Как и любая другая технология, технология наночастиц имеет две стороны. С одной стороны, благодаря своим специфическим свойствам, определенные наночастицы могут найти применение в наномедицине. С другой стороны, те же самые свойства могут скрывать в себе неизвестную пока опасность.
Уникальность наночастиц основана на том, что при уменьшении размеров физические параметры частиц также начинают видоизменяться. Если для частицы величиной 100 нм еще действуют законы классической физики, то для более мелкой вступают в силу законы квантовой физики.
Рисунок 1 – Параметры структуры наночастиц
Для решения проблемы наночастиц необходимо их тщательное изучение. В отличие от применяемых физических законов, наночастицы обладают особыми свойствами. Поэтому поведение наночастиц в различных условиях не изучено полностью.
Изучение свойств наночастиц возможно путем их улавливания и получения. Частицы, находящиеся в газопылевых выбросах предприятий также нуждаются в изучении физических свойств. Такие частицы сложно получить в лабораторных условиях. Особенно сложно получение наночастиц минералов.
Если изучить особенности поведения наночастиц в потоке газа, то возможно в дальнейшем сконструировать оборудование для эффективного выделения этих частиц из потока. В современной технике и технологии газопылеулавливания давно перестали использовать фильтрацию с применением лишь одного влияющего фактора очистки: электростатическое притяжение (электрофильтры), центробежная сила (циклоны), сила тяжести (осадительные камеры) и прочее. Для повышения эффективности очистки эти факторы совмещают в одном аппарате. Также существуют некоторые исследования в этой области: например броуновское осаждение наночастиц из ламинарного газового потока в трубе, диффузия наночастиц в разреженном газе и седиментация наночастиц в поле центробежных сил.
Для контроля этих процессов используется создание градиентов температур между подложкой и газовым потоком либо внешнего электрического поля для заряженных наночастиц. Существует более простой способ интенсификации осаждения наночастиц: в результате расположения проточного канала с наночастицами на ободе быстро вращающегося диска происходит осаждение наночастиц под действием центробежных сил.
Известно, что плотность материала наночастиц не влияет на значение коэффициента броуновской диффузии в свободно–молекулярном режиме. На значение коэффициента броуновской диффузии влияют свойства газа– носителя (температура, давление и масса молекулы). Появление градиентов термодинамических параметров (температуры) или внешнего поля также изменяет динамику осаждения наночастиц и мешает их транспортировке.
Данная технология может найти применение в технологии создания различных покрытий с необходимыми свойствами. Также возможно применить такие свойства наночастиц в технике и технологии их улавливания.
Другим известным свойством наночастиц является их диффузия в разреженном газе. При этом твердая поверхность рассматривается как совокупность атомов (или молекул).
Стоит отметить, что почти во всех современных работах по изучению ультрадисперсных аэрозолей при определении размеров дисперсных частиц используются различные косвенные методы. Как правило, определяется коэффициент диффузии дисперсных частиц, а затем определяется их радиус. Можно сказать, что такой метод определения размеров частиц приводит к значительным ошибкам. Степень этих ошибок сильно нарастает с увеличением температуры несущего газа. Для определения размеров наночастиц следует, использовать прямые методы измерения, например, с помощью электронного микроскопа.
Как видно из приведенных исследований наночастицы обладают необычными свойствами, сходными со свойствами элементарных частиц. Исследование этих свойств открывает новые горизонты в познании природы создания веществ. Путем улавливания наночастиц возможно достичь не только высокой степени чистоты и качества воздуха, очищаемого на предприятиях, но также улучшить возможность повторного применения уловленного материала в производстве.