СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИГРОСКОПИЧЕСКОГО СУБМИКРОННОГО АЭРОЗОЛЯ ИОДИДА ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ Российский патент 2006 года по МПК A61L9/14 B05B1/24 B05B5/00 

Изобретение относится к области физики аэродисперсных систем, а именно к способам получения гигроскопичных субмикронных аэрозолей галогенидов щелочных металлов, и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также в медицине при лечении заболеваний, при которых показаны ингаляции атмосферного воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль иодида щелочных металлов.

Известен способ получения субмикронного аэрозоля иодида металлов путем сжигания ацетоновых растворов иодистого серебра и натрия (см., например, S.C. Mossop, C. Tuck-Lee, The composition and size distribution of aerosol prodused by burning solitions of AgI and NaI in acetone, J. of Applied. Meteorology, №7, p.234-240, 1968 [1]).

Недостатком описанного способа является генерация смеси негигроскопичных частиц йодистого серебра и гигроскопичного иодида натрия с вредными примесями углекислого газа и паров ацетона.

Известен также способ получения субмикронного аэрозоля галогенидов металлов, включающий подачу потока инертного газа в стеклянный цилиндрический реактор, его насыщение парами солей хлористого натрия и серебра (NaCl, AgCl) или иодида калия (KI) путем их испарения с поверхности нагреваемой током платиновой проволоки, последующее охлаждение парогазового потока и конденсацию пересыщенных паров с образованием субмикронных частиц с размером от 0,005 до 0,1 мкм (см., например, D.L. Swift, Properties of aerosol produced by evaporation from a hot wire. Proceedings of the 7-th international conference on condensation and ice nuclei, September 18-24, 1969, Prague and Vienna, p.128-131 [2]).

Недостатком описанного способа является необходимость использования очищенного инертного газа (азота) и проволоки из благородного металла (платина) для исключения образования оксидов металлов на поверхности проволоки, а также временная нестабильность субмикронного аэрозоля неорганических солей по размеру и концентрации.

Известен и способ получения субмикронного аэрозоля иодида металла в атмосферном воздухе, включающий пропускание воздуха над кварцевой ложечкой с иодидом серебра, его испарение при температуре 400-800°С, насыщение воздушного потока парами йодистого серебра AgI, последующее охлаждение паровоздушного потока и конденсацию пересыщенных паров с образованием субмикронного аэрозоля иодида серебра для исследования его льдообразующей активности в атмосфере (см., например, А.М. Бакланов, Б.М. Гольдман, Б.З. Горбунов, К.П. Куценогий, В.И. Макаров, В.М. Сахаров, Новая установка для исследования льдообразующей активности аэрозолей. Известия Сибирского отделения АН СССР, сер. хим., выпуск 4, №9, стр.155-161, 1976 [3]).

Недостатком данного способа является невозможность использования субмикронного аэрозоля AgI в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также его использование в медицинских целях, поскольку частицы негигроскопичны и, соответственно, не растворяются в организме человека.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля галогенида щелочных металлов, включающий подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, насыщение его парами воздушного потока, смешение на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с ее охлаждением до степени пересыщения паров более 10², их конденсацию с образованием субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла. В качестве галогенида щелочного металла используют хлористый натрий (см., например, Н.А. Фукс, А.Г. Сутугин, Высокодисперсные аэрозоли. Успехи химии, том 37, выпуск 11, стр.1965-1976, 1968 [4]).

Недостатком прототипа является низкое давление паров NaCl, что требует высокой температуры нагрева (от 800 до 900°С) для его интенсивного испарения с давлением насыщенных паров Р>0,1 мм Hg и соответствующего термического оборудования и энергозатрат. Кроме того, не используются атмосферные потоки для генерации и разбавления субмикронного аэрозоля внутри помещения или при ингаляции. Наконец, субмикронный аэрозоль неорганической соли не заряжен и не содержит иодида щелочного металла, что снижает его лечебные и профилактические свойства [5, 6].

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в образовании устойчивого по размеру и массовой концентрации в атмосфере воздуха гигроскопичного, биполярно заряженного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов (KI и/или NaI) с добавкой молекулярного йода (I₂) для систем кондиционирования атмосферного воздуха и создания лечебного микроклимата внутри помещений, а также обеспечении возможности использования в медицинских целях для ингаляций при пониженной температуре нагревания кварцевого цилиндрического реактора с галогенидом щелочного металла и, соответственно, пониженных энергозатратах на его испарение с одновременным использованием воздушных атмосферных потоков для генерации и варьирования массовой концентрации положительно и отрицательно заряженных субмикронных аэрозольных частиц с размером от 0,005 до 1 мкм. Устойчивость по размеру и концентрации образованного субмикронного аэрозоля обусловлена тем, что столь мелкие частицы практически не осаждаются за счет инерционного захвата и не седиментируют под действием силы тяжести в системах кондиционирования воздуха и внутри жилых помещений и, соответственно, в процессе дыхания могут конвективно переноситься в бронхи и легкие человека с одновременным эффективным осаждением и растворением в каналах их развитой поверхности с лечебным эффектом [5, 7].

Указанный технический результат достигают тем, что в способе получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в атмосферном воздухе, включающем подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, насыщение его парами воздушного потока, смешение на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с ее охлаждением до степени пересыщения паров более 10², их конденсацию с образованием субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла, в качестве галогенида щелочных металлов используют йодистый калий, йодистый натрий или их смесь, а подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор осуществляют с относительной влажностью более 30% при температуре 10-40°С и насыщают его парами йодистого калия и/или йодистого натрия при температуре 550-750°С с одновременным образованием биполярных газовых ионов и ненасыщенного пара молекулярного иода, при этом паровоздушный поток на выходе из кварцевого цилиндрического реактора первоначально охлаждают до температуры 150-250°С дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха для образования биполярно заряженного субмикронного аэрозоля йодистого калия и/или йодистого натрия с добавкой молекулярного йода, а затем аэрозольный поток охлаждают до температуры 30-50°С с одновременным разбавлением его концентрации турбулентным перемешиванием с дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха.

В случае использования смеси йодистого калия и йодистого натрия их весовое соотношение варьируют от 0,1 до 10.

Кроме того, осуществляют предварительную осушку йодистого калия и/или йодистого натрия от примесей воды в кварцевом цилиндрическом реакторе потоком атмосферного воздуха при температуре от 100 до 500°С.

Для варьирования концентрации добавок субмикронного аэрозоля молекулярного иода добавляют гидроксид калия (КОН) и/или гидроксид натрия (NaOH) в йодистый калий и/или йодистый натрий с весовым соотношением от 0,0001 до 0,01.

Далее, из атмосферы осуществляют конвективную подачу воздушного потока в кварцевый цилиндрический реактор путем создания градиента температуры между его входом и выходом.

Наконец, для варьирования концентрации молекулярного иода и биполярных газовых ионов в кварцевом цилиндрическом реакторе создают радиальное электрическое поле с напряженностью от 10 до 1000 В/см.

В результате удается осуществить одновременное решение трех взаимосвязанных задач, а именно:

получить в атмосферном воздухе гигроскопичный биполярно заряженный аэрозоль иодида щелочных металлов с размером частиц от 0,005 до 1 мкм с добавкой молекулярного иода и обеспечить его относительную устойчивость по размеру и массовой концентрации в воздушной атмосфере помещения, поскольку столь мелкие заряженные частицы практически не улавливаются за счет инерционного захвата и не оседают под действием силы тяжести в системах кондиционирования воздуха и создания лечебного микроклимата помещений, а также достаточно однородно перемешиваются и рассеиваются атмосферным воздухом за счет диффузии, под действием естественных конвективных потоков и принудительной локальной и общеобменной вентиляции помещений [5]; обеспечить возможность доставки дисперсных частиц KI-NaI в бронхи и легкие человека при ингаляции воздуха, содержащего устойчивый в атмосфере субмикронный аэрозоль иодида щелочных металлов, поскольку столь мелкие частицы практически не оседают под действием силы тяжести и не улавливаются за счет инерции в носоглотке человека, но достаточно эффективно осаждаются в его бронхах и легких в результате диффузионного захвата и зацепления [5, 7]; и гарантировать возможность растворения субмикронного гигроскопичного биполярно заряженного аэрозоля иодида калия и/или натрия на развитой поверхности каналов бронхов и легких в форме, которая усваивается организмом и обладает лечебным и профилактическим воздействием на человека [5, 6].

Известно [7-9], что частицы иодида щелочных металлов в субмикронном диапазоне размеров образуют солевой раствор при относительной влажности воздуха более 60-70%. В трахее влажность воздуха составляет 96-100% [7]. В результате субмикронные кристаллические частицы KI-NaI при попадании в трахею будут превращаться в капли солевого раствора, что способствует их усвоению при осаждении в бронхах и легких.

Устойчивое получение субмикронного аэрозоля KI-NaI с массовой производительностью на уровне от 1 до 40 мкг/с обеспечивают при давлении их насыщенных паров Р˜(0,05-1) мм Hg соответственно. В результате, в отличие от прототипа, испарение иодида калия и/или натрия в кварцевом цилиндрическом реакторе осуществляют при меньших температурах и, соответственно, энергозатратах, поскольку при температуре Т=550-750°С давление их насыщенных паров составляет Р˜(0,05-1) мм Hg соответственно и существенно превышает величину давления паров хлористого натрия в этом диапазоне температур [6]. В случае использования солевой смеси KI-NaI их весовое соотношение варьируют от 0,1 до 10.

Паровоздушный поток на выходе из кварцевого цилиндрического реактора охлаждают в два этапа. Первоначально его охлаждение осуществляют до температуры 150-250°С за счет излучения и создания дополнительного коаксиального потока атмосферного воздуха преимущественно в ламинарном режиме течения с образованием биполярно заряженного субмикронного аэрозоля, а на втором этапе турбулентно перемешивают аэрозольный поток с тем же дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха с одновременным его охлаждением до температуры 30-50°С и разбавлением массовой концентрации дисперсных частиц от 2 до 100. В результате на первом этапе охлаждения при степени пересыщения паров L=[Р(550-750°С)/Р(150-250°С)]>10² создают субмикронный аэрозоль иодида калия и/или иодида натрия с небольшой добавкой субмикронного аэрозоля молекулярного иода с размером частиц от 0,005 до 1 мкм, а на втором этапе образованный аэрозольный поток охлаждают практически до комнатной температуры и одновременно варьируют массовую концентрацию дисперсных частиц без изменения их распределения по размерам. Здесь Р(550-750°С) и Р(150-250°С) - давление насыщенных паров иодида щелочного металла, соответственно, при температуре его испарения в кварцевом цилиндрическом реакторе Т=550-750°С и после первоначального охлаждения аэрозольного потока до 150-250°С.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена принципиальная схема устройства для осуществления способа получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в атмосферном воздухе. Устройство, описанное ниже, состоит из вентилятора 1, кварцевого цилиндрического реактора 2, колец Рашига из фарфора 3, фальш-кожуха 4, теплоизоляционного кожуха 5, электропечи 6, электрода 7 под электрическим потенциалом U.

На схеме приняты также следующие обозначения: Q₁ - объемный расход воздушного потока из окружающей атмосферы через кварцевый цилиндрический реактор 2; Q₂ - объемный расход дополнительного воздушного потока из окружающей атмосферы через кольцевой зазор между цилиндрическим фальш-кожухом 4 и цилиндрическим теплоизоляционным кожухом 5, а также через перфорационные отверстия фальш-кожуха 4 для теплосъема и последующего охлаждения с турбулентным перемешиванием и одновременным разбавлением аэрозольного потока Q₁; Т - температура воздуха в центре кварцевого цилиндрического реактора 2; T₁ - температура воздушного потока на входе в кварцевый цилиндрический реактор 2; Т₂ - температура аэрозольного потока на выходе из кварцевого цилиндрического реактора 2; Е - радиальная напряженность электрического поля в кварцевом цилиндрическом реакторе 2.

Вентилятор 1, реактор 2, кожухи 4 и 5, электропечь 6 и электрод 7 расположены коаксиально. Реактор 2 выполнен из кварца, поскольку примеси йода, содержащиеся в KI и/или NaI, реагируют с кремнием и металлами при нагревании в присутствии влаги. Кольца Рашига из фарфора 3 содержат иодид щелочных металлов (KI и/или NaI), а также возможные добавки гидроксида калия (КОН) и/или гидроксида натрия (NaOH). В теплоизоляционном кожухе 5 в качестве теплоизолятора используют картон и войлок на основе муллитокремнезема. Электрод 7 выполнен из проволоки, расположен вдоль оси кварцевого цилиндрического реактора и подключен к источнику напряжения (не показан).

Кварцевый цилиндрический реактор 2 расположен вертикально. Допускается изготовление устройства с горизонтальным расположением реактора (не показано).

Способ осуществляют следующим образом. С помощью вентилятора 1 из окружающей атмосферы в устройство поступают два воздушных потока Q₁ и Q₂. Поток с объемной скоростью Q₁ и с температурой T₁ на входе подают в кварцевый цилиндрический реактор 2 с керамическими кольцами Рашига из фарфора 3, которые предварительно были пропитаны иодидом калия и/или иодидом натрия с возможными небольшими добавками гидроксидов калия и/или натрия. В случае использования смеси йодистого калия и йодистого натрия их весовое соотношение варьируют от 0,1 до 10. При наличии добавок КОН и/или NaOH в йодистый калий и/или йодистый натрий их весовое соотношением составляет от 0,0001 до 0,01. Дополнительный воздушный поток Q₂ подают снизу в кольцевой зазор между фальш-кожухом 4 и теплоизоляционным кожухом 5, а также сбоку через перфорированные отверстия фальш-кожуха 4. В реакторе 2 воздушный поток Q₁ насыщают парами иодида калия и/или натрия при температуре 550-750°С. Их нагрев осуществляют с помощью электропечи 6. Паровоздушный поток Q₁ на выходе из кварцевого цилиндрического реактора первоначально охлаждают до температуры Т₂=150-250°С коаксиальным потоком атмосферного воздуха Q₂ в ламинарном режиме за счет излучения и теплопроводности с образованием биполярно заряженного субмикронного аэрозоля йодистого калия и/или йодистого натрия с добавкой молекулярного йода при степени пресыщения паров L>10². Далее поток Q₁ с субмикронным аэрозолем дополнительно охлаждают до температуры 30-50°С с одновременным разбавлением его концентрации от 2 до 100 турбулентным перемешиванием с тем же дополнительным потоком атмосферного воздуха Q₂. Соотношение объемных скоростей потоков Q₂/Q₁ варьируют от 2 до 100 для соответствующего разбавления массовой концентрации субмикронного аэрозоля от 2 до 100. Их турбулентное перемешивание осуществляют в зоне вентилятора 1 с помощью его вращающихся лопаток.

Таким образом, на первом этапе осуществляют охлаждение паровоздушной смеси до 150-250°С с образованием субмикронного аэрозоля иодида калия и/или натрия с использованием преимущественно ламинарного потока из атмосферы Q₂, а на втором этапе дополнительно охлаждают аэрозольный поток практически до комнатной температуры с одновременным разбавлением массовой концентрации субмикронных частиц турбулентным перемешиванием с дополнительным атмосферным потоком Q₂.

Поток Q₂ создают не только для охлаждения, разбавления концентрации субмикронного аэрозоля и последующего его перемешивания с атмосферным воздухом, но и для снятия тепловых нагрузок с фальш-кожуха 4. В результате его температура не существенно отличается от температуры окружающей атмосферы (не более чем на 10-20°С).

Экспериментально было показано, что наряду с субмикронным аэрозолем йодистого калия и/или натрия при конденсации паров образуется субмикронный аэрозоль молекулярного иода, массовая концентрация которого составляет от 1 до 15% в зависимости от условий его генерации и величины относительной влажности атмосферного воздуха. Это обусловлено тем, что в йодистом калии и/или натрии частично растворен молекулярный иод [6], который при нагревании в кварцевом цилиндрическом реакторе частично возгоняется с образованием ненасыщенных паров I₂. При последующем охлаждении паровоздушного потока Q₁ на выходе из реактора 2 до температуры 150-250°С за счет спонтанной конденсации образуются дисперсные частицы молекулярного иода в субмикронном диапазоне размеров. Их массовую концентрацию уменьшают путем предварительной осушки йодистого калия и/или натрия в кварцевом цилиндрическом реакторе воздушным атмосферным потоком при температуре от 100 до 500°С. Кроме того, массовую концентрацию субмикронного аэрозоля I₂ уменьшают добавками гидроксида калия (КОН) и/или гидроксида натрия (NaOH) в йодистый калий и/или йодистый натрий с весовым соотношением от 0,0001 до 0,01. Увеличение концентрации гидроксидов калия и/или натрия более 0,01% нецелесообразно, поскольку при этом возможно появление в субмикронном аэрозоле иодида щелочных металлов дисперсных частиц КОН и/или NaOH, которые, как известно, являются сильными основаниями и разлагают органические вещества, в том числе кожу, слизистую оболочку и органы дыхания человека. Наконец, экспериментально было установлено, что создание радиального электрического поля с напряженностью Е=10-1000 В/см в кварцевом цилиндрическом реакторе 2 приводит к уменьшению концентрации молекулярного иоида в субмикронном аэрозоле KI и/или NaI. Механизм и кинетика этого процесса пока не установлены.

Экспериментально было также показано, что часть субмикронных аэрозольных частиц KI и/или NaI положительно и отрицательно (биполярно) заряжены с зарядом q=+/-(1-4)e, где e=1,6×10^-19 кулона - заряд электрона. Доля биполярно заряженного аэрозоля Х зависит от условий образования и величины размера частиц. С уменьшением их размера возрастает доля незаряженного аэрозоля Х₀=1-X. Для увеличения величины Х в кварцевом цилиндрическом реакторе создают радиальное электрическое поле с напряженностью Е путем создания разности потенциалов между проволочным электродом 7 и корпусом реактора 2. Под действием электрического поля с напряженностью Е=10-1000 В/см образуется неоднородная биполярная ионная атмосфера и за счет этого возрастает эффективность зарядки частиц и величина Х [10].

Увеличение напряженности Е>1000 В/см несущественно изменяет величину X, однако требует использования источника высоковольтного напряжения, что нецелесообразно. Кроме того, при большой напряженности электрического поля возможно возникновение коронного разряда и образование нежелательного озона. Варьирование напряженности Е от 0 до 10 В/см практически не влияет на зарядку частиц.

Оптимальная относительная влажность атмосферного воздуха для генерации субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов составляет 30-70% при температуре 10-40°С.

Основные характеристики устройства для осуществления способа получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в атмосферном воздухе зависят от режима его работы и могут варьироваться в широком диапазоне их значений путем изменения температуры нагревания Т кварцевого цилиндрического реактора 2 и объемных скоростей воздушных потоков Q₁ и Q₂, а также массы загруженного в реактор иодида калия и/или натрия.

Температуры получения одинаковых концентраций субмикронных аэрозолей NaI и KI по массе отличаются на 30-40°С, что обусловлено различием давления их насыщенных паров. Это позволяет варьировать соотношение массовых концентраций иодидов калия и натрия в солевой смеси гигроскопичных, положительно и отрицательно заряженных аэрозольных частиц с размером от 0,005 до 1 мкм.

Пример конкретного осуществления способа при температуре реактора 550°С.

Для заправки аэрозольного генератора использовался йодистый калий согласно (ГОСТ 4232-74, чистый для анализа, содержание KI по массе более 99,5%), а также йодистый натрий (ГОСТ 8422-76, чистый для анализа, содержание NaI по массе более 99,7% по массе). Водный раствор (10%) иодида калия и/или иодида натрия выпаривали в смеси с кольцами Рашига из фарфора при температуре 80-90°С. В результате испарения дистиллированной воды на керамических кольцах Рашига оставались кристаллические и аморфные дисперсные частицы иодида щелочных металлов. Далее, около 30 г йодистого калия и/или натрия с кольцами Рашига помещалось в цилиндрический кварцевый реактор с внутренним диаметром 14 мм.

Заправленной солевой смеси иодидов калия-натрия было достаточно для непрерывного получения биполярно заряженного субмикронного аэрозоля KI-NaI-I₂ в атмосферном воздухе с массовым расходом-производительностью М=10 мкг/с в течение 30 дней.

Относительная влажность атмосферного воздуха составляла около 55-60% при 25-27°С. Объемный расход атмосферного воздуха через кварцевый цилиндрический реактор Q₁=0,04 л/с. Объемный расход коаксиального потока воздуха Q₂=0,8 л/с. Величина кратности разбавления концентрации аэрозольных частиц на выходе из устройства при турбулентном перемешивании потоков Q₂ и Q₁ была равна отношению Q₂/Q₁=20. Температуру Т вдоль оси и на поверхности реактора регистрировали термопарами из материала хромель-копель.

При температуре в реакторе Т=550°С давление насыщенных паров йодистого калия или йодистого натрия составляет Р(550°С)≈0,04 мм рт.ст., а при температуре на выходе из кварцевого реактора Т₂=150° давление паров Р(150°С)<10^-5 мм рт.ст. Соответственно, степень пересыщения L>10³. Измеренное значение массовой производительности субмикронного аэрозоля KI и NaI было равно М=0,1 и 0,14 мкг/с соответственно. Массовая концентрация измерялась путем отбора на стекловолокнистые плоские фильтры с ультратонким диаметром волокон (тип «ФСВ-У» [11]). Средний размер гигроскопичных частиц иодидов щелочных металлов, измеренный по величине коэффициента их диффузии [12], составлял около 0,03-0,05 мкм. Доля заряженных частиц, измеренная путем пропускания потока аэрозолей через плоский конденсатор с напряженностью электрического поля Е=5 кВ/см [10], была равна Х=15-20%. Заряд частиц q=+/-1e, где e=1,6×10^-19 кулона. Температура аэрозольного потока после турбулентного перемешивания составляла 30°С.

Массовая производительность аэрозолей йода, измеренная путем отбора на стекловолокнистый фильтр «ФСВ-У», составляла около 0,002 мкг/с.

Соли иодида щелочных металлов достаточно гигроскопичны и при комнатных температурах могут адсорбировать влагу в зависимости от величины относительной влажности и температуры атмосферы. Это может приводить к увеличению концентрации субмикронного аэрозоля молекулярного йода. В связи с этим в процессе разогрева реактора осуществляли осушку йодистого калия и/или йодистого натрия от примесей воды потоком атмосферного воздуха при температуре от 100 до 500°С. Воздушный поток создавали с помощью вентилятора 1 и/или в результате естественной конвекции воздуха через реактор за счет градиента температур между его входом T₁ и выходом T₂. В результате имели место унос влаги из реактора и сушка солей.

При создании радиального электрического поля в реакторе с напряженностью Е=10-50 В/см на 10-15% возрастала доля Х биполярно заряженного субмикронного аэрозоля и уменьшалась в два-три раза массовая производительность субмикронных аэрозольных частиц молекулярного йода. Увеличение величины Х обусловлено перераспределением концентрации газовых ионов с образованием неоднородной биполярной ионной атмосферы в реакторе под действием радиального электрического поля [10].

Пример конкретного осуществления способа при температуре реактора 750°С.

Для заправки аэрозольного генератора использовался йодистый калий согласно (ГОСТ 4232-74, чистый для анализа, содержание KI по массе более 99,5%), а также йодистый натрий (ГОСТ 8422-76, чистый для анализа, содержание NaI по массе более 99,7% по массе). Водный раствор (10%) иодида калия и/или иодида натрия выпаривали в смеси с кольцами Рашига из фарфора при температуре 80-90°С. В результате испарения дистиллированной воды на керамических кольцах Рашига оставались кристаллические и аморфные дисперсные частицы иодида щелочных металлов. Далее, около 30 г йодистого калия и/или натрия с кольцами Рашига помещалось в цилиндрический кварцевый реактор с внутренним диаметром 14 мм.

Заправленной солевой смеси иодидов калия-натрия было достаточно для непрерывного получения биполярно заряженного субмикронного аэрозоля KI-NaI-I₂ в атмосферном воздухе с массовым расходом-производительностью М=10 мкг/с в течение 30 дней.

Относительная влажность атмосферного воздуха составляла около 55-60% при 25-27°С. Объемный расход атмосферного воздуха через кварцевый цилиндрический реактор Q₁=0,04 л/с. Объемный расход коаксиального потока воздуха Q₂=0,8 л/с. Величина кратности разбавления концентрации аэрозольных частиц на выходе из устройства при турбулентном перемешивании потоков Q₂ и Q₁ была равна отношению Q₂/Q₁=20. Температуру Т вдоль оси и на поверхности реактора регистрировали термопарами из материала хромель-копель.

При температуре в реакторе Т=750°С давление насыщенных паров йодистого калия или йодистого натрия составляет Р(750°С)≈1,1 мм рт.ст., а при температуре на выходе из кварцевого реактора Т₂=250 давление паров Р(150°С)<10^-5 мм рт.ст. Соответственно, степень пересыщения L>10⁵. Измеренное значение массовой производительности субмикронного аэрозоля KI и NaI было равно М=55 и 50 мкг/с соответственно. Массовая концентрация измерялась путем отбора на стекловолокнистые плоские фильтры с ультратонким диаметром волокон (тип «ФСВ-У» [11]). Средний размер гигроскопичных частиц иодидов щелочных металлов, измеренный по величине коэффициента их диффузии [12], составлял около 0,15-0,2 мкм. Доля заряженных частиц, измеренная путем пропускания потока аэрозолей через плоский конденсатор с напряженностью электрического поля Е=5 кВ/см [10], была равна Х=70-75%. Заряд частиц q=+/-(1-4)e, где e=1,6×10^-19 кулона. Температура аэрозольного потока после турбулентного перемешивания составляла 50°С.

Массовая производительность аэрозолей йода, измеренная путем отбора на стекловолокнистый фильтр «ФСВ-У», составляла около 1 мкг/с.

Соли иодида щелочных металлов достаточно гигроскопичны и при комнатных температурах могут адсорбировать влагу в зависимости от величины относительной влажности и температуры атмосферы. Это может приводить к увеличению концентрации субмикронного аэрозоля молекулярного йода. В связи с этим в процессе разогрева реактора осуществляли осушку йодистого калия и /или йодистого натрия от примесей воды потоком атмосферного воздуха при температуре от 100 до 500°С. Воздушный поток создавали с помощью вентилятора 1 и/или в результате естественной конвекции воздуха через реактор за счет градиента температур между его входом T₁ и выходом Т₂. В результате имели место унос влаги из реактора и сушка солей.

При создании радиального электрического поля в реакторе с напряженностью Е=10-50 В/см на 10-15% возрастала доля Х биполярно заряженного субмикронного аэрозоля и уменьшалась в два-три раза массовая производительность субмикронных аэрозольных частиц молекулярного йода. Увеличение величины Х обусловлено перераспределением концентрации газовых ионов с образованием неоднородной биполярной ионной атмосферы в реакторе под действием радиального электрического поля [10].

Аналогичные параметры гигроскопичного субмикронного аэрозоля йодистого натрия по размеру и концентрации частиц наблюдались при температуре нагревания реактора Т=600-700°С.

Следовательно, описанный способ позволяет получать в атмосферном воздухе гигроскопичный субмикронный аэрозоль иодида щелочных металлов (KI-NaI) с небольшой, варьируемой добавкой молекулярного иода с размером положительно и отрицательно заряженных частиц от 0,005 до 1 мкм при меньшей по сравнению с известными температуре нагревания кварцевого цилиндрического реактора и, соответственно, меньшем энергопотреблении и может быть использован в системах кондиционирования воздуха и создания лечебного микроклимата внутри помещений, а также в медицинских лечебно-профилактических целях путем ингаляции атмосферного воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль иодида калия и/или натрия с регулируемой-варьируемой массовой концентрацией [5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. S.C.Mossop, C.Tuck-Lee, The composition and size distribution of aerosol prodused by burning solitions of AgI and NaI in acetone (Состав и распределение по размерам аэрозоля, полученного сжиганием раствора AgI и NaI в ацетоне), J. of Applied. Meteorology, №7, p.234-240, 1968.

2. D.L.Swift, Properties of aerosol produced by evaporation from a hot wire (Свойства аэрозоля, полученного испарением с горячей проволоки). Proceedings of the 7-th international conference on condensation and ice nuclei, September 18-24, 1969, Prague and Vienna, p.128-131.

3. А.М.Бакланов, Б.М.Гольдман, Б.З.Горбунов, К.П.Куценогий, В.И.Макаров, В.М.Сахаров, Новая установка для исследования льдообразующей активности аэрозолей. Известия Сибирского отделения АН СССР, сер. хим., выпуск 4, №9, стр.155-161, 1976.

4. Н.А.Фукс, А.Г.Сутугин, Высокодисперсные аэрозоли. Успехи химии, том 37, выпуск 11, стр.1965-1976, 1968 (прототип).

(зарубежная публикация прототипа: A.G.Sutigin, N.A.Fuchs, J. of Colloid and Interface Science, №27, p.216-228, 1968).

5. М.В.Велданова, А.В.Скальный, Йод знакомый и незнакомый, Петрозаводск, изд. «ИнтелТех», а/я 72, 186 стр., 2004.

6. В.И.Ксензенко, Д.С.Стасиневич, Химия и технология брома, иода и их соединений, М., Наука, 1979.

7. K.L.Bell, A.T.Ho, Growth rate measurement of hydroscopic aerosols under conditions simulating the respiratory tract (Измерение скорости роста гигроскопичных аэрозолей в условиях, моделирующих респираторный тракт), J.Aerosol Sci., vol.12, №3, p.247, 1981.

8. I.N.Tang, H.R.Munkelwitz, J.G.Davis, Aerosol growth studies - II. Preparation and growth measurement of monodisperse salt aerosols (Исследование роста аэрозоля - II, Приготовление и измерение роста монодисперсных солевых аэрозолей), J.Aerosol Sci., vol.8, №3, р.149, 1977.

9. F.F.Cinkotai, The behaviour of sodium chloride particles in moist air (Поведение частиц хлористого натрия во влажном воздухе), J. Aerosol Sci., vol.2, №6, p.325, 1971.

10. И.Б.Стечкина, А.А.Кирш, А.В.Загнитько, Зарядка аэрозольных частиц в неоднородной биполярной ионной атмосфере, Ж. Физической химии, т.56, №1, с.167, 1982.

11. Загнитько А.В., Кирш А.А., Стечкина И.Б. О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при пневматическом диспергировании жидкости, Ж. Физической химии. 1988. Т.62. №11. С.3058.

12. Кирш А.А., Загнитько А.В., Чечуев П.В. О диффузионном методе определения размеров субмикронных аэрозолей, Ж. Физической химии. 1981. Т.55. №12. С.3034.

Изобретение относится к области физики аэродисперсных систем, а именно к способам получения гигроскопичных субмикронных аэрозолей галогенидов щелочных металлов, и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха и создания целебного микроклимата помещений, а также в медицине при лечении заболеваний, при которых показаны ингаляции атмосферного воздуха, содержащего гигроскопичный субмикронный аэрозоль иодида щелочных металлов. Способ получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в атмосферном воздухе включает подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, насыщение его парами воздушного потока, смешение на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с ее охлаждением до степени пересыщения паров более 10², их конденсацию с образованием субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла, в качестве галогенида щелочных металлов используют йодистый калий, йодистый натрий или их смесь, а подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор осуществляют с относительной влажностью более 30% при температуре 10-40°С и насыщают его парами йодистого калия и/или йодистого натрия при температуре 550-750°С с одновременным образованием биполярных газовых ионов и ненасыщенного пара молекулярного йода, при этом паровоздушный поток на выходе из кварцевого цилиндрического реактора первоначально охлаждают до температуры 150-250°С дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха для образования биполярно заряженного субмикронного аэрозоля йодистого калия и/или йодистого натрия с добавкой молекулярного йода, а затем аэрозольный поток охлаждают до температуры 30-50°С с одновременным разбавлением его концентрации турбулентным перемешиванием с дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха. Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в образовании устойчивого по размеру и массовой концентрации в атмосфере воздуха гигроскопичного, биполярно заряженного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов (KI и/или NaI) с добавкой молекулярного йода (I₂) для систем кондиционирования атмосферного воздуха и создания лечебного микроклимата внутри помещений, а также обеспечении возможности использования в медицинских целях для ингаляций. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения гигроскопичного субмикронного аэрозоля иодида щелочных металлов в атмосферном воздухе, включающий подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор с испаряющимся гигроскопичным галогенидом щелочного металла, насыщение его парами воздушного потока, смешение на выходе из кварцевого цилиндрического реактора паровоздушной смеси с холодным воздухом с ее охлаждением до степени пересыщения паров более 10², их конденсацию с образованием субмикронного аэрозоля галогенида щелочного металла, отличающийся тем, что в качестве галогенида щелочных металлов используют йодистый калий, йодистый натрий или их смесь, а подачу воздуха из атмосферы в обогреваемый кварцевый цилиндрический реактор осуществляют с относительной влажностью более 30% при температуре 10-40°С и насыщают его парами йодистого калия и/или йодистого натрия при температуре 550-750°С с одновременным образованием биполярных газовых ионов и ненасыщенного пара молекулярного йода, при этом паровоздушный поток на выходе из кварцевого цилиндрического реактора первоначально охлаждают до температуры 150-250°С дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха для образования биполярно заряженного субмикронного аэрозоля йодистого калия и/или йодистого натрия с добавкой молекулярного йода, а затем аэрозольный поток охлаждают до температуры 30-50°С с одновременным разбавлением его концентрации турбулентным перемешиванием с дополнительным коаксиальным потоком атмосферного воздуха.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в смеси йодистого калия и йодистого натрия их весовое соотношение варьируют от 0,1-10.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют предварительную осушку йодистого калия и/или йодистого натрия от примесей воды в кварцевом цилиндрическом реакторе потоком атмосферного воздуха при температуре от 100 до 500°С.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавляют гидроксид калия (КОН) и/или гидроксид натрия (NaOH) в йодистый калий и/или йодистый натрий с весовым соотношением от 0,0001 до 0,01.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что из атмосферы осуществляют конвективную подачу воздушного потока в кварцевый цилиндрический реактор путем создания градиента температуры между его входом и выходом.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в кварцевом цилиндрическом реакторе создают радиальное электрическое поле с напряженностью от 10 до 1000 В/см.