3 курс / Гигиена / Физико_химические_характеристики_промышленных_альфа_излучающих_аэрозолей

Ячейка диффузионной батареи

C, V

Рисунок 4.21 – Единичная ячейка диффузионной батареи

Пусть на рассматриваемую ячейку поступает поток воздуха, содержащий наночастицы одного и того же размера. Введем обозначения:

С0 – концентрация наночастиц на входе в ячейку; С – концентрация наночастиц на выходе из ячейки;

u – объемный расход воздуха, поступающего на ячейку; Р – проницаемость ячейки;

F0 – количество наночастиц, осаждающихся на ячейке в единицу времени (поступление): F0 = С0u.

Концентрации, а также поступление могут выражаться в категориях числа частиц, их массы или активности.

Теория осаждения частиц в диффузионных батареях вводит понятие проницаемости Р, физический смысл которой заключается в том, что она представляет собой отношение концентрации наночастиц на выходе из ячейки к их концентрации на входе:

Используя выражение для проницаемости, можно рассчитать количество наночастиц, отложившихся на единичной ячейке и поток наночастиц, преодолевших ее по формулам:

Как указывалось выше, накопление наночастиц на сетке диффузионной батареи обусловлено действием двух факторов: улавливанием наночастиц на сетке ячейки и удаление (срыв) наночастиц с ее поверхности. Таким образом, уравнение, описывающее зависимость от времени количества наночастиц на сетке единичной ячейки диффузионной батареи будет иметь вид:

200

где N(t) – зависимость от времени количества наночастиц, накапливающихся на единичной ячейке диффузионной батареи;

t – время, с;

λ – постоянная уноса наночастиц с поверхности ячейки диффузионной батареи, с-1. Рассмотрим диффузионную батарею, состоящую из 7 улавливающих ячеек одного

оконечного фильтра, служащего для окончательного улавливания наночастиц (рисунок 4.23). На вход диффузионной батареи (первая ячейка) поступает воздух, содержащий наночастицы. В процессе движения наночастицы в результате броуновского движения улавливаются сетками батареи. Эффективность улавливания определяется значением проницаемости ячейки (Р). Кроме улавливания частиц происходит процесс их отрыва с поверхности сеток. Покинувшие поверхность сетки наночастицы вовлекаются в поток воздуха и в свою очередь также подвергаются захвату сетками, которые лежат ниже по потоку воздуха.

Для моделирования процесса накопления наночастиц на сетках диффузионной батареи и межкаскадного переноса частиц необходимо сделать ряд допущений.

Рисунок 4.23 – Модель диффузионной батареи, состоящей из 7 каскадов и одного оконечного фильтра

201

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Будем предполагать следующее:

·все наночастицы, поступающие в диффузионную батарею обладают одинаковыми размерами и формой;

·все сетки ячеек диффузионной батареи с точки зрения улавливания наночастиц обладают одинаковыми свойствами;

·все сетки ячеек диффузионной батареи обладают одинаковыми свойствами с точки зрения отрыва наночастиц, следовательно, значения постоянных уноса наночастиц

споверхности всех сеток одинаковы.

Для удобства формулировки математической модели процесса накопления наночастиц на сетках диффузионной батареи поведение наночастиц, которые за рассматриваемый промежуток времени не подвергались срыву, и наночастиц, которые хотя бы раз покидали поверхность сетки, будем рассматривать раздельно.

Введем следующие обозначения:

Fi – поступление на i-ю сетку диффузионной батареи тех частиц, которые за рассматриваемый промежуток времени не подвергались срыву и не были вовлечены в поток прокачиваемого воздуха;

fij – поступление на j-ю сетку наночастиц, покинувших i-ю сетку в результате срыва и вовлечения в поток прокачиваемого воздуха;

Vi – отложение на i-й сетке диффузионной батареи тех частиц, которые за рассматриваемый промежуток времени не подвергались срыву и не были вовлечены в поток прокачиваемого воздуха;

vi – отложение на j-ю сетку наночастиц, покинувших i-ю сетку в результате срыва и вовлечения в поток прокачиваемого воздуха.

Принимая во внимание сформулированные выше допущения и математические выражения для проницаемости, отложения наночастиц на единичной ячейке диффузионной батареи, а также потока частиц, преодолевших ячейку, можно показать, что отложение на i-й сетке диффузионной батареи тех частиц, которые за рассматриваемый промежуток времени не подвергались срыву, рассчитывается в соответствии с выражением:

где j – текущий индекс суммирования.

Для оконечного фильтра выражение для рассматриваемого показателя имеет вид:

202

где n – число каскадов рассматриваемой диффузионной батареи, включая оконечный фильтр.

Поступление на j-ю сетку наночастиц, покинувших i-ю сетку в результате срыва и вовлечения в поток прокачиваемого воздуха, может быть рассчитано по формуле:

где N1(t) – Зависимость от времени содержания наночастиц на первой сетке диффузионной батареи.

Используя выражение (2.13) можно получить формулу расчета отложения на j-й сетке наночастиц, покинувших i-ю сетку в результате срыва и вовлечения в поток прокачиваемого воздуха, следующего вида:

j=1

где Nj(t) – Зависимость от времени содержания наночастиц на j-й сетке диффузионной батареи. Для оконечного фильтра выражение для рассматриваемого показателя принимает вид:

j=1

Принимая во внимание приведенные выше выражения можно написать следующую систему уравнений, описывающих накопление наночастиц на сетках диффузионной батареи и оконечном фильтре:

где Ni0 – значения содержания наночастиц в улавливающих ячейках, включая сетки и оконечный фильтр в начальный момент времени (t = 0).

Система уравнений, описывающая накопление наночастиц в элементах диффузионной батареи, имеющей 7 сетчатых каскадов и один оконечный фильтр, была решена

203

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

аналитически и численно. Сравнение полученных значений накопления наночастиц на ячейках батареи показало, что различия наблюдаются в пятой значащей цифре. Рассмотрим два предельных случая:

·в чистую диффузионную батарею поступают наночастицы, причем интенсивность указанного поступление не изменяется во времени;

·на первом каскаде диффузионной батареи находится определенное количество наночастиц, а в диффузионную батарею поступает абсолютно чистый воздух (не содержащий альфа-излучающих наночастиц).

Графическая иллюстрация решения системы уравнений при указанных начальных условиях когда на диффузионную батарею подается поток наночастиц F0, равный 1 Бк/с при значениях проницаемости и постоянной уноса наночастиц, составляющих Р = 0,05 и λ = 0,01 с-1 соответственно представлена на рисунках 4.22 и 4.23.

Рисунок 4.22 – Содержание наночастиц на сетках диффузионной батареи с номерами 1, 2, 4, 6 в зависимости от времени прокачки, Бк.

204

Рисунок 4.23 – Содержание наночастиц на оконечном фильтре в зависимости от времени прокачки, Бк

Анализ полученного решения позволяет сказать следующее. Зависимость активности наночастиц, накапливающихся на сетках диффузионной батареи отражает два процесса: отложение наночастиц на поверхности улавливающих элементов и унос наночастиц в результате их срыва. На начальном этапе происходит увеличение содержания наночастиц на сетке, которое затем сменяется состоянием динамического равновесия, при котором количество уловленных сеткой наночастиц становится равным количеству наночастиц, покинувших поверхность сетки. При этом в отличие от первой сетки, где скорость роста активности наночастиц на начальной стадии практически неизменна, на сетках, лежащих ниже по потоку воздуха, этот показатель претерпевает увеличение до некоторого относительно постоянного уровня. После этого на всех сетках наблюдается уровень динамического равновесия. В этом случае активность наночастиц, поступающих на первый каскад диффузионной батареи, равно активности частиц, проникающих последнюю сетку. Зависимость активности наночастиц, задержанных оконечным фильтром, на начальном этапе отражает медленный рост значений. Затем наблюдается линейное увеличение активности наночастиц, которое по времени отвечает состоянию динамического равновесия активности наночастиц на предлежащих сетках диффузионной батареи. Иначе говоря, на данном временном промежутке активность поступающих на сетки диффузионной батареи наночастиц равна активности наночастиц улавливаемых оконечным фильтром.

Рассмотрим случай межкаскадного переноса наночастиц в случае, когда на сетке первого каскада имеются наночастицы, на остальных улавливающих элементах диффузионной батареи их нет, а на вход в батарею подается чистый воздух, не содержащий радиоактивных частиц (второй предельный случай). Это случай по своим условиям наиболее

205

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Р = 0,05 и λ = 0,01 с-1 соответственно. Графическая иллюстрация решения системы уравнений при описанных начальных условиях представлена на рисунках 4.42 и 4.25:

Анализ полученного решения позволяет сделать следующие выводы. Активность изначально содержавшихся наночастиц на первой сетке диффузионной батареи экспоненциально снижается, что является следствием предполагавшегося процесса уноса наночастиц с ее поверхности. Количество наночастиц на последующих сетках определяется двумя процессами: накоплением наночастиц в результате улавливания частиц, покинувших первую сетку и уносом частиц с поверхности сеток.

В результате активность наночастиц на последующих сетках на первом этапе претерпевает рост, который затем сменяется снижением значений по мере того, как количество задерживаемых наночастиц на рассматриваемой сетке сравнивается с числом частиц, покидающих ее поверхность. Чем ниже по ходу движения воздуха расположена рассматриваемая сетка, тем позже по времени достигается максимум уровня накопления наночастиц. Зависимость от времени активности наночастиц на оконечном фильтре имеем S- образную форму, которая отражает рост числа накопленных частиц на первом этапе процесса. В отдаленные сроки процесса активность наночастиц, задержанных оконечным фильтром, перестает увеличиваться. Это означает, что практически все наночастицы переместились с первой сетки на оконечный фильтр.

Рисунок 4.24 – Содержание наночастиц на сетках диффузионной батареи с номерами 1, 2, 4, 6 в зависимости от времени прокачки, Бк

206

Рисунок 4.25 – Содержание наночастиц на оконечном фильтре, Бк

4.3. Исследование активности нанометровой фракции промышленных альфа-излучающих аэрозолей воздуха рабочих помещений

4.3.1. Отбор проб

Пробы отбирались из воздуха отделения оксалатного осаждения, прокалки и получению диоксида плутония из отработавшего ядерного топлива завода РТ. Данное отделение характеризуется наиболее высокими уровнями объемной активности альфа-излучаю- щих аэрозолей. Многолетние исследования нуклидного состава промышленных альфа-из- лучающих аэрозолей воздуха рабочего помещения, из которого проводился отбор проб наночастиц, показывает, что процентное содержание указанных выше изотопов составляет:

·238Pu – 58%;

·239Pu – 22%;

·241Am – 20%.

В ходе исследований применялось несколько схем отбора проб. Выбор той или иной схемы определялся целями исследований. Наиболее полная схема (схема № 1)

отбора проб промышленных альфа-излучающих аэрозолей и наночастиц приведена на рисунке 4.26.

207

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

Побудитель расхода

Импактор

Фильтр очистки воздуха

Рисунок 4.26 – Схема № 1 отбора проб аэрозолей и наночастиц

По этой схемы проба воздуха сперва подается на смеситель, где она разбавляется предварительно очищенным воздухом. Затем разбавленная смесь поступает в импактор, где на его семи каскадах осаждаются крупные аэрозольные частицы, так что на вход в диффузионную батарею поступают аэрозольные частицы, АМАД которых не превышает 0,7 мкм. Здесь следует отметить, что в группе частиц аэрозоля, характеризующихся АМАД = 0,7 мкм, могут присутствовать в определенном количестве частицы, превышающие указанный размер. Обедненная крупными частицами смесь поступает в диффузионную батарею, на семи каскадах которой происходит улавливание наночастиц. Конечный каскад диффузионной батареи представляет собой фильтр, который задерживает все частицы, преодолевшие сетки диффузионной батареи. Затем воздух поступает в ротаметр, по показаниям которого регулируется расход воздуха через систему. В качестве побудителя расхода использовалась штатная заводская разводка вакуума.

Смеситель потоков отбираемого и предварительно очищенного от радиоактивных аэрозолей воздуха использовался для снижения объемной активности отбираемого воздуха. Использование смесителя позволяло проводить подключение пробоотборной схемы к заводскому пробоотборному тракту, не допуская проникновения в нее альфа-излучаю- щих аэрозолей воздуха внешней среды, при значениях расхода воздуха через систему, которые не соответствуют рабочему. Применение смесителя в соотношении расходов (20÷40)% загрязненного и (60÷80)% предварительно очищенного позволяло варьировать

208

объемную активность аэрозоля, поступающего в пробоотборную систему, поддерживая расход воздуха на рабочем уровне.

Использование данной схемы отбора проб позволяет при обработке результатов измерений активности сеток и проб с каскадов импактора провести оценку активности нанометровой фракции промышленных альфа-излучающих аэрозолей и при определенных условиях оценить распределение наночастиц по размерам.

По данной схеме было отобрано 13 проб, из которых 7 штук отбирались на «чистые» сетки, а 6 проб было отобрано на сетки, покрытые тонким слоем глицерина.

Вторая схема (схема № 2) отбора проб приведена на рисунке 4.27. В соответствии с данной схемой разбавленный в смесителе отбираемый воздух сперва поступает на аэрозольный фильтр типа АФА-РСП-20, который используется в штатной системе мониторинга загрязнения воздуха рабочих помещений предприятий ядерного топливного цикла. После прохождения фильтра не задержанные на нем частицы поступают в диффузионную батарею, где они осаждаются на сетках. Результаты измерения активности отобранных с помощью описанной выше схемы позволят оценить проскок аэрозолей через фильтр АФА-РСП-20 и эффективность штатной системы мониторинга загрязнения воздуха рабочих помещений. По описанной схеме было отобрано 3 пробы.

Третья схема отбора проб отличается от второй тем, что вместо фильтра типа АФА- РСП-20 устанавливается фильтрующий материал средства индивидуальной защиты органов дыхания «Лепесток -200» (рисунок 4.27).

Отбираемый воздух Смеситель

Фильтр АФА-РСП-20 или фильтрующий

материал СИЗОД

Фильтр

очистки

воздуха

Рисунок 4.27 – Вторая и третья схемыотбора проб аэрозолей и наночастиц

209

Рекомендовано к покупке и изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/