Андрей ШАЛУНОВ, доцент кафедры методов и средств измерений и автоматизации Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова пришел в свою специальность не случайно. Его с детства привлекала электроника и вообще все, что с ней связано. Уже учась в институте, начал работать в лаборатории акустических процессов и аппаратов, изучал возможности прикладного применения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности. Нынешняя тема его исследований, поддержанная грантом Президента РФ, посвящена разработке методов эффективного разрушения газодисперсных систем природного и техногенного происхождения. О том, какую опасность представляют рассеянные в воздухе частицы различных веществ и как можно бороться с их воздействием на организм человека и окружающую среду, молодой ученый рассказал в беседе с корреспондентом “Поиска”.
— Газодисперсные системы — это туманы, смог, пыль, прочие аэрозольные образования, в том числе взрывоопасные и радиоактивные, — объясняет Андрей Викторович. — Мелкие частицы вредных и ядовитых веществ имеют огромную суммарную поверхность взаимодействия, их химическая и биологическая активность настолько высока, что они чрезвычайно опасны для человека и окружающей среды. Кроме того, серьезную проблему представляют объемно-детонирующие аэрозоли в местах с большим количеством взвешенной пыли, например в шахтах, на мукомольном производстве.
Действенных средств и методов борьбы с такими газодисперсными системами нет, поэтому актуальность проводимых исследований очевидна. В последнее время внимание к проблеме только усиливается из-за широкого распространения потенциально опасных производств (в особенности в химической и атомной промышленности), развития транспорта (наземного, воздушного, водного). Аэрозоли высоких концентраций (туманы) стали представлять серьезную опасность.
Мы предлагаем разрушать газодисперсные системы с помощью ультразвука. Это волнообразно распространяющиеся колебания частиц среды, которые имеют ряд особенностей по сравнению со слышимым диапазоном. Они хорошо поддаются фокусировке, из-за чего повышается интенсивность колебаний в определенных зонах воздействия. Кроме того, ультразвуковые колебания легко сделать направленными. При их распространении в газовой среде, содержащей аэрозольные частицы (которые могут быть как твердыми, так и жидкими), возникают силы, под действием которых частицы сближаются, что способствует их слипанию, укрупнению и дальнейшему осаждению в виде крупных агломератов (структур из нескольких частиц), в частности, под действием гравитации. Если используются акустические колебания ультразвуковой частоты, то такой процесс называется акустической коагуляцией.
Ультразвуковой метод перспективен, у него немало преимуществ. Во-первых, это возможность разрушения аэрозолей различного происхождения независимо от природы и состава дисперсной фазы (жидкой или твердой) — благодаря выбору оптимальных режимов воздействия по частоте и уровню звукового давления, зависящих от физических свойств и дисперсных характеристик аэрозолей. Во-вторых, его можно использовать в открытых пространствах, в условиях массовых мероприятий на стадионах, в парках, на водных акваториях. Среди других преимуществ: осаждение частиц дыма, образующегося при горении веществ (опасных для человека и окружающей среды), возможность работы с огнеопасными и взрывоопасными техногенными аэрозолями, безвредность для людей и животных, находящихся вблизи источников ультразвукового воздействия. Особую важность метод приобретает при необходимости быстрого развертывания системы в помещении или на местности для эффективного разрушения опасных аэрозолей. Такая необходимость возникает, когда нужно быстро устранить последствия террористического акта или техногенной аварии, связанных с выбросом опасных аэрозолей.
— На что направлены ваши исследования?
— Прежде, чем ответить на вопрос, хочу отметить, что, несмотря на важность проблемы, ультразвуковая коагуляция не нашла, к сожалению, широкого промышленного применения. Причины в отсутствии системных теоретических и экспериментальных исследований, объясняющих механизм коагуляции аэрозоля в акустическом поле и позволяющих определить параметры ультразвукового воздействия (уровень звукового давления, частоту, время воздействия) на газодисперсные системы.
Кроме того, создание и применение промышленных систем ультразвуковой коагуляции тормозятся несовершенством излучателей. Они не способны формировать акустические колебания ультразвуковой частоты высокой интенсивности в газовых средах. Нет исследований их технических характеристик и возможностей по отношению к процессу коагуляции.
Мы решаем три основные задачи. Первая из них связана с развитием научных основ процесса акустической коагуляции субмикронных частиц. Это нужно, чтобы найти параметры воздействия (уровня звукового давления и частоты), которые обеспечивают высокую эффективность очистки газовых потоков, в зависимости от их характеристик (концентрации, дисперсного состава, плотности частиц, скорости, режима течения). Вторая задача — создание новых конструкций многочастотных ультразвуковых излучателей и электронных генераторов для их питания. Эти конструкции отличаются повышенной мощностью и способностью изменять частоты воздействия в процессе коагуляции дисперсных частиц. Еще одна задача заключается в использовании оптимального количества и схемы расположения излучателей. Нужные данные получаем на основании результатов математического моделирования распределения звукового давления в защищаемом пространстве.
— Кто еще занимается подобными исследованиями? И в чем особенность ваших?
— Схожей тематикой занимаются в Институте акустики (Мадрид, Испания). Основное направление работ его специалистов — создание мощных излучателей для газовых сред. Однако такие излучатели имеют серьезный недостаток: они могут работать только на одной резонансной частоте, хотя оптимальная частота акустического воздействия зависит от дисперсного состава аэрозоля, который изменяется в процессе коагуляции.
Мы разработали конструкцию нового ультразвукового излучателя круглой формы, который совершает изгибные колебания на частотах, кратных основной. Это происходит при его возбуждении акустически связанным с ним продольно колеблющимся пьезоэлектрическим преобразователем, питаемым электронным генератором ультразвуковых частот. Подобный подход обеспечивает больший выход энергии, так как волновое сопротивление изгибно колеблющегося излучателя лучше согласуется с волновым сопротивлением газа.
Важная область применения наших результатов — различные объекты, для которых необходимо выполнение определенных требований по дальности видимости. Это аэродромы, морские порты, автодороги, площадки для проведения спортивных и культурных мероприятий. Результаты исследований пригодятся наземным техническим службам аэропортов, муниципальным образованиям, предприятиям горной и химической промышленности, МЧС РФ. Использование оборудования для воздействия на аэрозоли позволит также эффективно очищать попутные нефтяные и производственные газы, решая проблемы снижения вредных выбросов.
Наши научные результаты могут быть интересны и научным институтам, занимающимся исследованиями в области проблем пылегазоочистки и физики атмосферы. Разработанные нами конструкции модулей ультразвукового воздействия уверенно чувствуют себя в агрессивных средах, благодаря чему они незаменимы при производстве и совершенствовании технических характеристик газоочистного оборудования.
Перспективно использование наших разработок и в случаях, о которых я уже упоминал, — разрушение аэрозолей, образовавшихся в результате террористических актов, — после распыления ядовитых веществ в местах массового скопления людей.
Многие результаты наших исследований начинают приносить практическую пользу. В частности, в рамках хоздоговоров мы разработали ультразвуковые генераторы аэрозолей для распыления растворов при нанесении пленок с наночастицами. Область их применения — предприятия микроэлектронной промышленности, выпускающие медицинскую технику и оборудование. Здесь с помощью наших устройств смогут наносить специальные покрытия на имплантируемые медицинские изделия, такие как стенты для коронарных сосудов. Они пригодятся также для нанесения антикоагулянтов на вакуумные пробирки для забора крови и для многого другого.
Наши технологии и ультразвуковые излучатели для разрушения газодисперсных систем нашли практическое применение в системах очистки попутного нефтяного газа (совместная работа с ЗАО “Сибирский научно-исследовательский и про-ектный институт рационального природопользования”), системах мокрой очистки отходящих газов котловых установок ТЭЦ. По заказу корпорации KM Labs мы разработали уникальное оборудование для улавливания субмикронных частиц диоксида кремния — ценного промышленного продукта, известного как аэросил.
Также у нас есть опыт положительного сотрудничества с такими признанными авторитетами в своей области, как компании LG Electronic и Sudo Premium Engineering Co., Ltd. (обе — Республика Корея), Pharmatech A.S. (Норвегия).
Я все время говорю “мы”, “наши”, имея в виду, что исследования выполняются с участием сотрудников лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета. Главные помощники в работе — мои аспиранты. Впрочем, некоторые из них уже защитили в 2014 году по нашей теме кандидатские диссертации. Сейчас важные задачи решаем в сотрудничестве с коллегами из Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН. Исследования связаны с осаждением опасных аэрозолей в помещениях.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено А.Шалуновым
Нет комментариев