Оценка изменения размера гигроскопического аэрозоля соляной пыли в зависимости от относительной влажности воздуха

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Расширение масштабов добычи полезных ископаемых в калийных рудниках столкнулось с проблемой нехватки свежего воздуха, которую невозможно решить при текущей парадигме автономного проветривания. Перспективы связаны с последовательным и рециркуляционным проветриванием, а также концепцией «вентиляции по требованию», требующими детального описания процессов «самоочистки» рудничной атмосферы от пыли. Разрушение горных пород сопровождается выбросом солевых аэрозолей, которые во влажной атмосфере укрупняются и осаждаются на поверхность. Для прогнозирования распространения этих частиц и сопутствующих газов необходимы точные математические модели. В статье рассматриваются закономерности и механизмы влияния относительной влажности воздуха на динамику размера соляной пыли – гигроскопических аэрозольных соляных частиц галита (NaCl) и сильвина (KCl). Описаны взаимодействия при контакте «соляная поверхность – влажный воздух» и рассмотрено современное представление о процессах гистерезиса, а также об этапах растворения и обратной кристаллизации гигроскопических аэрозольных частиц. В связи с принципиальными сложностями использования современного экспериментального электронного оборудования в условиях подземных рудников в анализ вовлечены данные по океаническим аэрозолям того же химического состава. На основе анализа ряда моделей гигроскопического роста океанических аэрозолей проведена их адаптация к условиям атмосферы калийного рудника, что позволило получить усредненные значения фактора гигроскопического роста соляной аэрозоли. Для океанического аэрозоля и соляной пыли рудничной атмосферы наблюдается хорошее соответствие известных данных динамики фактора гигроскопического роста от влажности воздуха. Полученные теоретико-эмпирические данные, характеризующие изменения размера соляных частиц в зависимости от относительной влажности, апробированы в модельных исследованиях с соляным аэрозолем. Для интерпретации и прогнозирования изменений размерного распределения соляных аэрозольных частиц предложено использовать модель Юнга. На примере записи модели Юнга в двойных логарифмических координатах подтверждена эвристическая ценность предложенного подхода. Результаты исследования могут быть применены для расчета процессов формирования пылевой обстановки в каменно-соляных и калийных рудниках.

Об авторах

К. А. Черный

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: chernyy_k@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4700-0505
SPIN-код: 8877-0277

Г. З. Файнбург

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: faynburg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9599-7581
SPIN-код: 9626-2952

Список литературы

  1. Файнбург Г. З. Проблемы становления новой парадигмы проветривания системы горных выработок рудных шахт. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2024;(1): 450–465.
  2. Исаевич А. Г., Файнбург Г. З., Мальцев С. В. Экспериментальное исследование динамики изменения фракционного состава соляного аэрозоля в комбайновом забое калийного рудника. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;1: 60–71. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_1_0_60
  3. Семин М. А., Исаевич А. Г., Жихарев С. Я. Исследование оседания пыли калийной соли в горной выработке. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021;(2):178–191. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20210218
  4. Isaevich A., Semin M., Levin L. et al. A. Study on the dust content in dead-end drifts in the potash mines for various ventilation modes. Sustainability. 2022;14(5): 3030. https://doi.org/10.3390/su14053030
  5. Медведев И. И., Красноштейн А. Е. Борьба с пылью на калийных рудниках. М.: Недра; 1977. 192 с.
  6. Сметанин М. М. Система обеспечения безопасности по пылевому фактору в калийных рудниках. Записки Горного института. 2006;168:37–40.
  7. Файнбург Г. З., Черный К. А. Естественнонаучные основы нетрадиционного использования соляных горных пород Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. Монография. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2018. 212 с.
  8. Кудряшев А. И. Верхнекамское месторождение солей. М.: Геокнига; 2013. 185 с.
  9. Ибламинов Р. Г. Коллизия и литогенные полезные ископаемые Пермского Урала. В: Проблемы минералогии, петрографии и металлогении: научные чтения памяти П.Н. Чирвинского. 2024;27:50–58. https://doi.org/10.17072/chirvinsky.2024.50
  10. Файнбург Г. З., Черный К. А. Физические свойства соляных горных пород, формирующие специфические параметры воздушной среды. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2023;(1): 67–80.
  11. Pinterich T., Spielman S. R., Wang Y. et al. A humidity-controlled fast integrated mobility spectrometer (HFIMS) for rapid measurements of particle hygroscopic growth. Atmospheric Measurement Techniques. 2017;10(12):4915–4925. https://doi.org/10.5194/amt-10-4915-2017
  12. Kaloshin G. A. Modeling the Aerosol Extinction in Marine and Coastal Areas. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2021;18(3):376–380. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2980866
  13. Kanngießer F., Kahnert M. Modeling optical properties of non-cubical sea-salt particles. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2021;126(4):e2020JD033674. https://doi.org/10.1029/2020JD033674
  14. Rosati B., Christiansen S., Dinesen A. et al. The impact of atmospheric oxidation on hygroscopicity and cloud droplet activation of inorganic sea spray aerosol. Scientific Reports. 2021;11:10008. https://doi.org/10.1038/s41598-021-89346-6
  15. Zeng J., Zhang G., Long S. et al. Sea salt deliquescence and crystallization in atmosphere: An in situ investigation using X-ray phase contrast imaging. Surface and Interface Analysis. 2013;45(5):930–936. https://doi.org/10.1002/sia.5184
  16. Lewis E. R., Schwartz S. E. Comment on “size distribution of sea-salt emissions as a function of relative humidity”. Atmospheric Environment. 2006;40(3):588–590. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2005.08.043
  17. Wise M. E., Biskos G., Martin S. T. et al. Phase transitions of single salt particles studied using a transmission electron microscope with an environmental cell. Aerosol Science and Technology. 2005;39(9):849–856. https://doi.org/10.1080/02786820500295263
  18. Mikhailov E., Vlasenko S., Niessner R., Poschl U. Interaction of aerosol particles composed of protein and salts with water vapor: hygroscopic growth and microstructural rearrangement. Atmospheric Chemistry and Physics. 2004;4(2):323–350. https://doi.org/10.5194/acp-4-323-2004
  19. Kanngießer F., Kahnert M. Optical properties of water-coated sea salt model particles. Optics Express. 2021;29(22):34926–34950. https://doi.org/10.1364/OE.437680
  20. Zieger P., Vaisanen O., Corbin J.C. et al. Revising the hygroscopicity of inorganic sea salt particles. Nature Communications. 2017;8:15883. https://doi.org/10.1038/ncomms15883
  21. Михайлов Е.Ф., Власенко С.С., Рышкевич Т.И. Влияние химического состава и микроструктуры на гигроскопический рост пирогенного аэрозоля. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2008;44(4):450–466.
  22. Wang X., Lei H., Berger R. et al. Hygroscopic properties of NaCl nanoparticles on the surface: a scanning force microscopy study. Physical Chemistry Chemical Physics. 2020;22(18):9967–9973. https://doi.org/10.1039/d0cp00155d
  23. Petters M.D., Kreidenweis S.M. A single parameter representation of hygroscopic growth and cloud condensation nucleus activity. Atmospheric Chemistry and Physics. 2007;7(8):1961–1971. https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007
  24. Tijjani B.I., Sha'aibu F., Aliyu A. The Effect of Relative Humidity on Maritime Tropical Aerosols. Open Journal of Applied Sciences. 2014;4(6):299–322. https://doi.org/10.4236/ojapps.2014.46029
  25. Carrico C. M., Petters M. D., Kreidenweis S. M. et al. Water uptake and chemical composition of fresh aerosols generated in open burning of biomass. Atmospheric Chemistry and Physics. 2010;10(11):5165–5178. https://doi.org/10.5194/acp-10-5165-2010
  26. Drozd G., Woo J., Häkkinen S. A. K. et al. Inorganic salts interact with oxalic acid in submicron particles to form material with low hygroscopicity and volatility. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14(10):5205–5215. https://doi.org/10.5194/acp-14-5205-2014
  27. Kreidenweis S. M., Koehler K., DeMott P. J. et al. Water activity and activation diameters from hygroscopicity data – Part I: Theory and application to inorganic salts. Atmospheric Chemistry and Physics. 2005;5(5):1357–1370. https://doi.org/10.5194/acp-5-1357-2005
  28. Swietlicki E., Zhou J.C., Covert D.S. et al. Hygroscopic properties of aerosol particles in the north-eastern Atlantic during ACE-2. Tellus. Series B. Chemical and Physical Meteorology. 2000;52(2):201–227. https://doi.org/10.3402/tellusb.v52i2.16093
  29. Gysel M., McFiggans G. B., Coe H. Inversion of Tandem Differential Mobility Analyser (TDMA) Measurements. Journal of Aerosol Science. 2009;40(2):134–151. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2008.07.013
  30. Adam M., Putaud J.P., Martins dos Santos S. et al. Aerosol hygroscopicity at a regional background site (Ispra) in Northern Italy. Atmospheric Chemistry and Physics. 2012;12(13):5703–5717. https://doi.org/10.5194/acp-12-5703-2012
  31. Jing B., Peng C., Wang Y. et al. Hygroscopic properties of potassium chloride and its internal mixtures with organic compounds relevant to biomass burning aerosol particles. Scientific reports. 2017;7:43572. https://doi.org/10.1038/srep43572
  32. Kӧpke P., Hess M., Schult I., Shettle E. P. Global Aerosol Data Set: Report No. 243. Hamburg: Max-Planck-Institut für Meteorologie; 1997. 46 p.
  33. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М.: Мир; 1965. 424 с. (Ориг. вер.: Junge C. E. Air Chemistry and Radioactivity. New York: Academic Press; 1963. 382 p.)
  34. Янике Р. Проблемы распределения глобального аэрозоля. Успехи химии. 1990;59(10):1654–1675. https://doi.org/10.1070/RC1990v059n10ABEH003569
  35. Васильев А. В. Об использовании аналитических выражений при аппроксимации экспериментально измеренных функций распределения аэрозольных частиц по размерам. В: Естественные и антропогенные аэрозоли: Материалы 3-й международной конференции. Санкт-Петербург, 24–27 сентября 2001 г. С-Пб.: Изд-во ВВМ; 2001. С. 98–103.
  36. Исмаилов Ф. И. Атмосферный аэрозоль. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2019. 288 с. https://doi.org/10.36719/2019/288

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».