Свойства наноаэрозоля, образующегося при нагреве органических соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат наук Бакланов, Анатолий Максимович

• Бакланов, Анатолий Максимович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Бакланов, Анатолий Максимович

Оглавление

Введение

Актуальность темы исследования

Цель и задачи работы

Научная новизна

Практическое значение работы

Положения, выносимые на защиту

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Классификация дисперсных систем

1.2. Методы получения дисперсных систем

1.3. Исследование нуклеации из пересыщенного пара 14 Глава 2. Диффузионный аэрозольный спектрометр

2.1. Историческая справка по истории создания 17 диффузионной батареи

2.2. Назначение прибора и его технические характеристики

Глава 3. Образование наноаэрозоля при гомогенной нуклеации 30 пересыщенного пара лекарственных соединений. Диффузионное осаждение в легких и биологическое действие лекарственного наноаэрозоля.

3.1. Физико-химические и биологические свойства 33 наноаэрозоля индометацина.

3.1.1. Методика эксперимента

3.1.2. Исследование диффузионного осаждения 44 наночастиц в дыхательных путях мышей.

3.1.3. Противовоспалительное действие наноаэрозоля 50 индометацина

3.2. Физико-химические и биологические свойства 58 наноаэрозоля ибупрофена.

3.3. Физико-химические и биологические свойства 70 наноаэрозоля нисолдипина.

3.3.1. Исследование диффузионного осаждения 76 наночастиц нисолдипина в дыхательных путях лабораторных крыс. Глава 4. Исследование роли и влияния наноаэрозольной

фракции техногенной угольной пыли на горение метано-воздушных смесей.

4.1. Концентрация, дисперсность и морфология аэрозоля, 88 образованного при выемке угля в шахте.

4.2. Концентрация, дисперсность и морфология аэрозоля,

полученного диспергированием угля.

4.3. Влияние угольного наноаэрозоля на процесс горения 101 метано-воздушной смеси.

4.4. Образование наноаэрозоля из угля в результате 107 процесса возгонки - нуклеации, и его свойства.

Выводы

Литература

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свойства наноаэрозоля, образующегося при нагреве органических соединений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Роль техногенного наноаэрозоля (размер частиц в диапазоне от 1 до 100 нм) в современном мире возрастает с каждым годом. Можно выделить два типа техногенного наноаэрозоля: побочный продукт человеческой деятельности (сварка, продукты работы бензиновых и дизельных двигателей) и целевой продукт в нанопроизводстве (полупроводниковые оксиды металлов для сенсоров и фотокатализа, углеродные нанотрубки, бактерицидные наночастицы серебра и висмута, и др.). Рост нанопроизводства можно охарактеризовать следующими цифрами: в 2004 г. мировое производство составило 1000 тонн, в 2007 г. по оценкам производство составит около 2500 тонн, за период 2011 - 2020 гг. среднее нанопроизводство оценивается в 58000 тонн в год [1]. В этой связи нельзя игнорировать возможное негативное влияние наночастиц на здоровье персонала, связанное с несанкционированными выбросами наночастиц в технологическую зону, так же как и загрязнение окружающей среды. К настоящему времени уже накоплен достаточный научный материал, вызывающий обеспокоенность по поводу вредного воздействия наночастиц на живые организмы. В частности, лабораторные животные испытывают респираторные проблемы при ингаляции углеродных нанотрубок [2]. Зафиксированы случаи смерти лабораторных крыс при вдыхании наночастиц, образующихся при пиролизе углеводородов [3]. Наночастицы после попадания в альвеолярную часть легких проникают в системный круг кровообращения и, далее, в мозг, что может вызвать негативное воздействие на центральную нервную систему [4]. Воздействие наночастиц ТЮ2 и ZnO на кожные покровы приводит к воспалению лимфатической системы [5]. В частности вдыхание наночастиц меди вызывает серьезное поражение почек, печени и селезенки у мышей [6]. Наночастицы цинка вызывают более серьезное поражение почек, чем микрочастицы [7]. К сожалению, в настоящее время имеется дефицит исследований воздействия наночастиц на живые организмы, который необходимо восполнить.

Негативная роль наночастиц, образующихся в промышленном производстве, сводится не только к их повышенной токсичности. Так, например, серьезную

озабоченность вызывает вопрос влияния техногенного наноаэрозоля на взрывобезопасность в угольных шахтах. Взрывы горючих газов и угольной пыли на угольных шахтах очень часто приводят к катастрофам с большим количеством человеческих жертв. Нередко аварии на шахтах связаны с неправильными оценками взрывоопасное™. Обычно взрывы в шахтах связывают с взрывами смесей метана с воздухом. Однако ситуация в шахтах может быть существенно более сложной. Это связано с тем, что воздушная среда в шахте может содержать не только метан, но и другие компоненты, играющие важную роль с точки зрения взрывоопасности. В частности, аэрозоль, образующийся при работе комбайна также взрывоопасен. Строго говоря, степень опасности горных выработок по взрывам необходимо определять не только с учетом концентрации, но также дисперсности и химического состава аэрозоля, образующегося в зоне работы комбайна, поскольку дробление угля представляет собой не механический, а сложный механохимический процесс. Очевидно, что данный процесс может включать в себя не только дробление твердого тела, но также пиролиз и выделение органических компонентов угля в газовую фазу с последующим образованием наночастиц в результате нуклеации и конденсации.

Для надежной оценки взрывоопасности атмосферы и выбора эффективных средств и способов взрывозащиты в выработках угольных шахт необходимо фундаментальное исследование аэрозолеобразования при механическом разрушении угля и влияния аэрозоля на процессы горения газовых смесей.

Наноаэрозоль может быть не только побочным продуктом человеческой деятельности, но и целевым продуктом в нанопроизводстве. В частности, наночастицы могут играть важную роль в медицине. Следует отметить, что в течение последних трех десятков появились новые наноаэрозольные формы доставки лекарственных средств. В том числе быстро расширяется спектр системных лекарств наноразмерного диапазона, которые могут быть доставлены ингаляционным путем [8]. По скорости воздействия ингаляционная доставка сопоставима с инъекциями. Однако инъекционное введение обладает рядом недостатков, таких как развитие флебитов и тромбозов, инфекционных осложнений в виде абсцессов, возможное развитие воздушной эмболии, негативное психоэмоциональное восприятие, связанное с болезненностью инъекций.

Применение инъекционного способа требует наличия специальных инструментов и оборудования, медицинских навыков и нередко может проводиться только в условиях стационара. Кроме того, инъекционное введение практически неприменимо для водонерастворимых субстанций ввиду невозможности приготовления водного раствора, а использование эмульгаторов зачастую приводит к такому негативному побочному действию, как тромбоэмболии.

Ингаляционный способ доставки системных лекарств обладает рядом преимуществ по сравнению с инъекциями о оральным введением. В частности, респираторное введение позволяет избежать потерь в желудочно-кишечном тракте и метаболизма в печени. В отличие от инъекций ингаляционная терапия является неинвазивной, и, потому, более удобна и безопасна. С другой стороны, аэрозольная доставка не имеет ограничений, связанных с использованием водонерастворимых лекарственных средств в отличие от инъекционной терапии. Ингаляция наноразмерных частиц обладает преимуществом по сравнению с частицами микронного и субмикронного диапазона, поскольку эффективность осаждения частиц размером порядка 10 нм в легких в несколько раз выше, чем для микронных и субмикронных частиц.

Таким образом, очевидна необходимость исследования процессов образования наноаэрозоля лекарственных средств и угольного органического наноаэрозоля, а также влияния этого наноаэрозоля на живые организмы и взрывобезопасность в угольных шахтах, соответственно.

Цель и задачи работы

Основным механизмом образования наноаэрозоля в больших концентрациях является конверсия газ - частица. В этой широкой области явлений особое место занимает процесс гомогенной нуклеации из пересыщенного пара. Гомогенная нуклеация играет важную роль в природных процессах, а также в промышленности приводя к образованию как целевого нанопродукта, так и побочного аэрозоля. Наиболее распространенным продуктом описанных явлений является органический наноаэрозоль. Поэтому целью работы является исследование образования наноаэрозоля при возгонке органических соединений и возможной роли этого аэрозоля в медицине и промышленности. В ходе исследование

выделены две области, где наноаэрозоль играет особенно важную роль: наноаэрозольная доставка системных лекарственных средств в живые организмы и влияние органического наноаэрозоля на взрывобезопасность в угольных шахтах. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1) Создание средства измерения дисперсности и концентрации наноаэрозоля -диффузионного аэрозольного спектрометра, обладающего совокупностью следующих параметров: портативность, отсутствие пробоподготовки, оперативность снятия спектра размеров, оперативность измерения аэрозольной концентрации, возможность разрешения до трех мод в спектре.

2) Разработка термоконденсационного метода генерации лекарственного наноаэрозоля в диапазоне размеров 5 - 200 нм с высокой концентрацией (до 108 см-3).

3) Исследование диффузионного осаждения наночастиц лекарственных средств в дыхательных путях лабораторных мышей и крыс и определение биологического действия наноаэрозоля нестероидных противовоспалительных средств (НПВС) и гипотензивных средств в экспериментах на лабораторных животных.

4) Исследование механизма образования наноразмерного угольного аэрозоля и его влияния на горение метано-воздушных смесей.

Научная новизна

Установлено, что механическое дробление угля приводит к выделению в газовую фазу большого количества органических соединений, с последующей нуклеацией образованного пара, конденсацией его на поверхность образованных органических наночастиц и крупнодисперсных угольных частиц (образованных в результате дробления угля), осаждением наночастиц на поверхность угольных крупнодисперсных частиц. В результате в газовой фазе в аэрозольном состоянии содержится большое количество углеводородных соединений неучтенных современными методами контроля взрывобезопасности в угольных шахтах.

Наличие данной органической составляющей аэрозоля приводит к понижению нижнего концентрационного предела метано - воздушной смеси, скорости нарастания давления при ее воспламенении и максимального давления.

Экспериментально определена эффективность осаждения наночастиц в дыхательных путях лабораторных мышей и крыс в зависимости от среднего размера частиц.

Практическое значение работы

Созданный вариант диффузионного аэрозольного спектрометра может представлять большой интерес для контроля вредных наноразмерных выбросов на промышленном производстве - в сварочных цехах, литейном производстве, угольной промышленности, в производстве наноматериалов (приложение 1).

Полученные данные относительно биологического действия могут быть использованы для создания новых наноаэрозольных форм лекарственных средств. Проведенные исследования образования лекарственного наноаэрозоля воплощены в конструкцию портативного ингалятора (приложение 4) готового к промышленному производству.

Полученные данные относительно взрывоопасное™ наноаэрозольной составляющей, полученной при дроблении угля, позволят разработать мероприятия по повышению пожаро-взрывобезопасности на угольных шахтах.

Положения, выносимые на защиту

Разработка портативного диффузионного аэрозольного спектрометра.

Экспериментальный метод оперативного измерения скорости диффузионного осаждения в дыхательных путях лабораторных мышей и крыс.

Эффективность осаждения лекарственного аэрозоля в легких лабораторных мышей и крыс в зависимости от среднего диаметра наночастиц.

Аналитические формулы для определения ингаляционной дозы для лабораторных мышей и крыс в ингаляционных камерах.

Эффект снижения дозы лекарственных средств в наноаэрозольной форме на пять порядков для индометацина, ибупрофена и на два порядка для нисолдипина по сравнению с оральной формой при том же биологическом действии.

Эффект влияния органического наноаэрозоля, выделяющегося при механическом измельчении угля, на процесс горения метано - воздушных смесей.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: European Aerosol Conference, Hungary, Budapest, 2006; European Aerosol Conference, Austria, Saltzburg, 2007; European Aerosol Conference, Greece, Thessaloniki, 2008; European Aerosol Conference, Karlsruhe, Germany, 2009; European Aerosol Conference, England, Manchester, 2011.

1. Литературный обзор.

1.1. Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы - это гетерогенные системы, которые состоят, по крайней мере, из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза) является раздробленной (прерывной), а другая (дисперсионная среда) представляет собой нераздробленную (непрерывную) часть системы.

Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих признаков: агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды; размеры и распределение частиц дисперсной фазы по размерам; виды дисперсной фазы.

Классификация дисперсных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды приведена в табл. 1.

Таблица 1.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Дисперсионная среда Дисперсные системы для дисперсных фаз

твёрдых жидких газовых

Жидкая Т/Ж (золи, суспензии, гели, пасты) Ж/Ж (эмульсии, кремы) Г/Ж (газовые эмульсии, пены)

Твёрдая Т/Т (твёрдые золи, сплавы) Ж/Т (твёрдые эмульсии, пористые тела) Г/Т (твёрдые пены, пористые тела)

Газовая Т/Г (дым, пыль, порошок) Ж/Г (туман, капли) Г/Г (маловероятны, образуются за счёт флуктуации плотности)

Второй отличительный признак, по которому возможно осуществить классификацию всех дисперсных систем, является размер частиц дисперсной фазы. В зависимости от размеров различают:

высокодисперсные (ультрадисперсные, нано-) системы, размеры частиц лежат в интервале от КГ3 до 10"' мкм

среднедисперсные системы, с размерами частиц от 0,1 до 10 мкм

грубодисперсные системы, с размером частиц больше 10 мкм. [8]

В настоящее время чаще всего используют классификацию дисперсных систем по виду дисперсной фазы, на основе которой их можно разделить на три группы [9]:

1.Трёхмерные (объёмные) частицы, у которых все три размера {d¡, d2, d¡) находятся в наноинтервале. Следует отметить, что объёмные частицы имеют весьма малый радиус кривизны. К этому типу относятся коллоидные растворы (золи), микроэмульсии, зародышевые частицы, образующиеся в фазовых переходах 1-го рода (кристаллы, капли, газовые пузырьки), сферические мицеллы поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водных и неводных средах (прямые и обратные мицеллы).

2. Двумерные (тонкие плёнки и слои) частицы, у которых только один размер (толщина) находится в наноинтервале, а два других (длина и ширина) могут быть сколь угодно велики. К таким системам относятся тонкие жидкие плёнки, адсорбционные моно - и полислои на поверхности раздела фаз (в том числе плёнки Ленгмюра-Блоджет), двумерные пластинчатые мицеллы ПАВ. Тонкие жидкие плёнки подразделяются на пенные (между двумя ячейками пены), эмульсионные (между каплями прямых и обратных эмульсий) и смачивающие (разделяющие твёрдую поверхность и газ или другую жидкость). Пенные и эмульсионные плёнки относятся к симметричным плёнкам, а смачивающие - к несимметричным. Толщина симметричных пенных плёнок, стабилизированных соответствующими ПАВ, может составлять от 2-3 нанометров до нескольких десятков.

3. Одномерные частицы, у которых поперечные размеры находятся в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика. К одномерным ультрадисперсным частицам относятся тонкие волокна, очень тонкие капилляры и поры, цилиндрические мицеллы ПАВ и имеющие с ними достаточно большое сходство нанотрубки. В эту группу входит также линия смачивания (или линия трёхфазного контакта), разделяющая три фазы: твёрдое тело, жидкость и газ.

1.2. Методы получения дисперсных систем

На данный момент разработано большое число методов получения

дисперсных систем, позволяющих весьма тонко регулировать размеры частиц, их форму и строение. Методы получения дисперсных порошков можно разделить на

две группы - физические и химические. Деление это носит, конечно, условный характер, так как провести границу между ними зачастую весьма трудно. Рассмотрим более подробно эти методы.

Физические методы

Методы испарения и конденсации

Часто в литературе утверждается, что данным методом можно получать порошки с невысокой температурой плавления образующего их вещества, поскольку тугоплавкие соединения требуют очень жестких условий (высокая температура). Но если говорить более строго, то важнее не температура плавления, а температура, при которой давление насыщенного пара данного вещества достигает величины около 10"2 Па. Так, например температура плавления 1п (156 °С) существенно ниже таковой для В! (217 °С), однако, для индия давление насыщенного пара 10"2 Па достигается при температуре 607 °С, а для висмута - при 389 °С. Достоинство конденсационных методов - возможность получения довольно чистых ультрадисперсных порошков весьма малых размеров (диаметр частиц 5-10 нм и менее) в непрерывном производственном цикле. Однако, производительность их невысока, а энергоемкость значительна. [10] Высокоэнергетическое разложение

Обычный размол сравнительно редко используют для получения ультрадисперсных порошков, поскольку существует некоторый предел размалываемости, отвечающий достижению равновесия между разрушением частиц и их агломерацией. Даже при размоле хрупких материалов не удается получить частицы с диаметром меньше 50-100 нм. Кроме того, в процессе размола происходит загрязнение конечного продукта материалом измельчающего аппарата. Предпринимались попытки изготовления последнего из материала размалываемого продукта, однако, и в этом случае избежать загрязнения кислородом не удается. [10]

Механосинтез — один из перспективнейших методов получения ультрадисперсных порошков. Механосинтезом получают интерметаллические соединения (твердые растворы) многих бинарных систем. Этот способ наиболее перспективен при синтезе нанокомпозитов, нанокристаллических порошков сложных оксидов и оксидов рассеянных элементов с размером частиц 30-70 нм.

Чистота и технологические свойства получаемых таким способом порошков изучены пока недостаточно полно. [11]

Нанопорошки, также, получают методом взрыва. Одним из наиболее производительных и экономичных из них является электрический взрыв проводников с последующей конденсацией продуктов взрыва в инертной атмосфере или в специально созданной газовой среде. Сущность взрывных методов получения заключается в том, что исходный продукт подвергают ударно-волновому сжатию и нагреву, а затем полученные в результате взрыва частицы разлетаются и, взаимодействуя с окружающей газовой средой, быстро охлаждаясь, образуют ультрадисперсный порошок заданного состава. Важно отметить, что зачастую при взрыве проводников образуются частицы с бимодальным распределением по размеру. Микронная мода образуется в результате диспергирования расплавленного вещества, а наноразмерная мода - за счет нуклеации из образовавшегося пересыщенного пара. С помощью взрыва проводников синтезируют, в частности, наночастицы А1, М§, "П, Ъх, 2п с размером зерна от 5 до 10 нм. [11]

Химические методы Синтез

Химические методы получения ультрадисперсных порошков более универсальны по сравнению с физическими. Плазмохимический метод чаще всего применяется для получения ультрадисперсных порошков тугоплавких соединений. Синтез в низкотемпературной плазме осуществляют при высоких температурах (до (6-8)-103 К), что обеспечивает высокий уровень пересыщения, большие скорости реакций и конденсационных процессов. Данный способ отличается высокой производительностью и позволяет получить ультрадисперсные порошки сверхвысокой частоты.

Эффективным способом стимулирования газофазного синтеза является использование лазерного излучения. Оптический источник нагрева, инициируя и поддерживая химическую реакцию, способствует однородному «саморазогреву» молекул, что обеспечивает контролируемое гомогенное зародышеобразование и исключает возможность загрязнений.

Методы гидротермального синтеза ультрадисперсных порошков менее распространены.

Восстановлением в растворе получают главным образом наночастицы золота и серебра, реже для получения частиц платины, кобальта, никеля, меди [12]. Ещё в середине XIX Фарадей [15] получил агрегативно устойчивый золь золота (с частицами 2-50 нм) восстановлением разбавленной соли золота жёлтым фосфором:

АиС13 + ЗН20 + Р Аи + Н3Р03 + ЗНС1.

Немаловажное значение в получении ультрадисперсных порошков имеют золь-гель-технология и различные варианты соосаждения; реакции синтеза и термолиза в этой технологии сильно переплетаются:

гг0С12+2н20 гю(он)2 -> гю2

При таком получении золей важно тщательно соблюдать условия проведения реакции, в частности, необходимы строгий контроль рН и присутствие ряда органических соединений в системе. [10]

Термическое разложение

Многие ультрадисперсные порошки получают методами термического разложения конденсированных (твердых, жидких) или газообразных веществ. В качестве прекурсоров могут использоваться нитраты, оксалаты, сульфаты, гидроксиды и даже металлорганические соединения. В работе [13] разложением [Ме2п081Ме3]4 и [7п(081Ме3)2]п, в зависимости от условий эксперимента, получали различные мольные соотношения наночастиц и ZnO. Термолизом политетрафторэтилена получали различные нанокомпозиты в работе Кудрявого и ДР- [14]

1.3. Исследование нуклеации из пересыщенного пара

Первые попытки изучения гомогенной нуклеации были предприняты Вильсоном в 1897 году [18]. Разработанная им диффузионная расширительная камера (камера Вильсона) позволяла измерять только критическое пересыщение.

Повышение точности проведения экспериментов и развитие Ми теории рассеяния света малыми частицами позволили создать большое количество устройств для изучения гомогенной нуклеации, а именно - для измерения скорости нуклеации и критического пересыщения. Общим принципом работы этих устройств является создание пересыщенного пара в контролируемых условиях. К основным методам создания пересыщения относятся метод адиабатического расширения газа, метод турбулентного смешения, метод диффузии. В Таблице 2 представлены различные виды устройств для изучения гомогенной нуклеации, указан метод создания пересыщения, а также пределы измеряемых скоростей нуклеации.

Пожалуй, самыми часто используемыми устройствами являются термодиффузионные камеры и расширительные камеры. Первая применима при относительно низких давлениях парогазовой смеси и малых скоростях нуклеации (см Таблицу 2). Расширительная камера применима для высоких давлений; диапазон измеряемых скоростей нуклеации выше, чем для термодиффузионной камеры, причем эти диапазоны не перекрываются.

Таблица 2. Методы и условия исследования гомогенной нуклеации из

пересыщенного пара.

Название Способ создания пересыщения Пределы измеряемых значений скорости нуклеации, см0 с"1 Ссылка

сверхзвуковые Адиабатическое ю16-1018 [19-24]

сопла расширение

ударная труба Адиабатическое расширение 10''-10* [25-27]

смесительная Турбулентное 10"1 -104 [28]

камера смешение

импульсная Адиабатическое 10э - 10у [29-33]

расширительная расширение

камера

поршневая расширительная камера Адиабатическое расширение 10 10 [34-39]

термодиффузионн ая камера Диффузия 10~3- 10" [40-48]

проточная диффузионная камера Диффузия 10-'-10'и [49-56]

Разработкой проточной диффузионной камеры занимались в свое время различные экспериментальные группы [52-56]. Она имеет ряд преимуществ по сравнению с вышеперечисленными устройствами, такие как: простота конструкции, возможность отбора частиц аэрозоля для физико-химических исследований. Диапазон измеряемой скорости нуклеации перекрывает таковые для термодиффузионной и расширительной камеры, поэтому проточную диффузионную камеру можно использовать, например, для сравнения измерений, полученных в различных устройствах.

Глава 2. Диффузионный аэрозольный спектрометр

Основным инструментом для исследования наноаэрозоля в настоящей работе является диффузионный спектрометр аэрозоля, создававшийся в течение трех десятков лет в ИХКГ СО РАН при непосредственном участии автора настоящей работы. Принцип работы прибора основан на диффузионном методе определения размеров частиц нанометрового диапазона. Суть метода состоит в определении коэффициента диффузии аэрозольных частиц по величине их проскока при течении аэрозольного потока с известной скоростью через диффузионную батарею. Диффузионная батарея представляет собой систему пор, для которой можно рассчитать эффективность осаждения частиц из потока в зависимости от их размера или которую можно прокалибровать с помощью монодисперсных аэрозолей известного размера. По найденному значению коэффициента диффузии определяется радиус частиц. Глава 2 посвящена описанию этого инструмента.

2.1. Историческая справка по истории создания диффузионной батареи

Как отмечено в обзоре Кнутсона (см. [57] и ссылки там же), впервые техника диффузионных батарей была создана и применена в 1900 году Тоунсендом для измерения коэффициентов диффузии ионов в различных газах. Ключевым шагом в этой проблеме был вывод Эйнштейном в 1905 году уравнения, связывающего случайные смещения частиц в газе как функцию их подвижности. Каннингем и Милликен нашли точное выражение связывающее подвижность и размер частиц. В 1914 году Милликен и Флетчер экспериментально проверили теорию Эйнштейна и убедились в ее правильности. В 1935 году Нолан и Гуерини создали и публиковали описание диффузионной батареи с параллельными пластинами и использовали её для измерения Айткеновских частиц. Двумя годами позже Радушкевич использовал пакет цилиндрических трубок для измерения размеров аэрозоля генерированного в лабораторных условиях. Термин «диффузионная батарея» был введен в 1943 году и стал широко использоваться с 1960-тых. Первая успешная проверка уравнения проскока через диффузионную батарею было выполнено Mera и Вайфен в 1963 году.

Советский ученый, Н. А. Фукс впервые в систематизировал историю развития диффузионных батарей. Значительный успех в развитии диффузионных батарей был достигнут при переходе в 1970-х к проволочным сеткам. Ченг и Йен [58] показали, что теория фильтрации хорошо работает для расчетов проскока через проволочные сетки.

2.2. Назначение прибора и его технические характеристики

Диффузионный спектрометр аэрозолей (ДСА) предназначен для измерения дисперсного состава и концентрации высокодисперсных аэрозолей естественного и антропогенного происхождения. ДСА может быть использован при решении широкого круга задач физики и химии атмосферы, для контроля окружающей среды и техногенных выбросов, а также в лабораторных аэрозольных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бакланов, Анатолий Максимович, 2014 год

Литература

1. Nanotechnology: A research strategy for addressing risk. A. D. Maynard, Project on

Emerging Nanotechnologies suportied by THE PEW CHARITABLE TRUSTS.

2. Warheit, D. В., Laurence, B. R., Reed, K. L., Roach, D. H., Reynolds, G. A., Webb,

T.R., 2004."Comparative Pulmonary Toxicity Assessment of Single-Wall Carbon Nanotubes in Rats," Toxicological Sciences, 77:117-125.

3. Oberdorster G, Gelein RM, Ferin J, Weiss B. Association of particulate air pollution

and acute mortality: involvement of ultrafme particles? Inhal Toxicol. 1995 7(1): 111— 124.

4. Elder A, Gelein R, Silva V, Feikert T, Opanashuk L, Carter J, Potter R, Maynard A, Ito

Y, Finkelstein J, Oberdorster G. 2006. Translocation of Inhaled Ultrafme Manganese Oxide Particles to the Central Nervous System. Environ Health Perspect. Apr; 114 (8): 1172-1178.

5. R. Dunford, A. Salinaro, L. Lezhen, N. Serpone, S. Horikoshi, H. Hidaka and J.

Knowland, 1997."Chemical Oxidation and DNA Damage Catalyzed by Inorganic Sunscreen Ingredients," FEBS Letters, 418(1-2):87-90

6. Chen Z, Meng HA, Xing GM, Chen CY, Zhao YL, Jia GA, Wang TC, Yuan H, Ye C,

Zhao F, Chai ZF, Zhu CF, Fang XH, Ma ВС, Wan LJ., 2006."Acute Toxicological Effects of Copper Nanoparticles in vivo," Toxicology Letters, 163:109-120. 7 Wang, В.; Feng, W.Y.; Wang, T.C.; Jia, G.; Wang, M.; Shi, J.W.; Zhang, F.; Zhao Y.-L.; Chai, Z.-F., 2006."Acute Toxicity of Nano- and Micro-scale Zinc Powder in Healthy Adult Mice," Toxicology Letters, 161:115-123

8. S. R. Marek, H. D. C. Smyth, L. Garcia-Contreas, D. J. Cooney, R. J. Garmise, L. D. Jones, A. J. Hickey, Medical and Pharmaceutical Aerosols, in "Aerosol Handbook. Measurement, Dosimetry, and Health effects" Second edition, Editors: L. S. Ruzer, N. H. Harley, CRC Press, New York, 2013.

9. Сумм Б. Д., Иванова Н. И. Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии. //

Успехи химии. 2000. Т. 69. С. 995.

10. Андриевский Р.А.. Получение и свойства нанокристаллических тугоплавких соединений. //Успехи химии. 1994. Т. 63. С. 431.

11. Мальцев А. Сверхтвердые наносплавы. // В мире науки. 2006. № 2.

12. Сергеев Г. Б. Нанохимия металлов. // Успехи химии. 2001. Т. 70. С. 915.

13. Driess M., Merz К., Schoenen R., Rabe S., Kruis F. E., Roy A., Birkner A. From molecules to metastable solids: solid-state and chemical vapor syntheses (CVS) of nanocrystalline ZnO and Zn. // C. R. Chimie.2003. V. 6. P. 273.

14. Кудрявый В. Г., Цветников А. К., Горбунов А. В., Бузник В. М.. Морфологическое строение продуктов пиролиза ультрадисперсного политетрафторэтилена. // Перспективные материалы. 2002. № 6. С. 67.

15. Анисимов М.П. Нуклеация: теория и эксперимент // Успехи химии. 2003. Т. 72. С. 664.

16. Anisimov М.Р., Koropchak J.A., Nasibulin A.G., Timoshina L.V. 1,2-propanediol and 1,3-propanediol homogeneous nucleation rates and phase transitions in the new phase critical embryos. // J. Chem. Phys. 2000. V. 112. N. 22. P. 9917.

17. Viisanen Y., Strey R. Homogeneous nucleation rates for n-butanol. // J. Chem. Phys. 1994. V 101 N. 9. P. 7835.

18. Wilson, C.T.R. Condensation of water vapor in the presence of dust-free air and other gases // Phil. Trans. R. Soc. London A. - 1897. - V. 189. - P. 265-307.

19. Valente, E.J., Bartell, L.S. Electron diffraction studies of supersonic jets. VII. Liquid and plastic crystalline carbon tetrachloride // J. Chem. Phys. - 1984. - V. 80. - N 4. -P. 1458-1461.

20. Valente, E.J., Bartell, L.S. Electron diffraction studies of supersonic jets. V. Low temperature crystalline forms of SF6, SeF6, and TeF6 // J. Chem. Phys. - 1983. - V. 79.-N6.-P. 2683-2686.

21. Bartell, L.S., Valente, E.J., Caillat, J.C. Electron diffraction studies of supersonic jets. Nucleation of various Phases of SF6, SeF6, and TeF6 // J. Phys. Chem. - 1987. - V. 91.-P. 2498-2503.

22. Streletzky, K.A., Zvinevich, Y., Wyslouzil, B.E., Strey, R. Controlling nucleation and growth of nanodroplets in supersonic nozzles // J. Chem. Phys. - 2002. - V. 116. - P. 4058-4070.

23. Khan, A., Heath, C.H., Dieregsweiler, U.M., Wyslouzil, B.E., Wölk, J., Strey, R. Homogeneous nucleation rates for D20 in a supersonic Laval nozzle // J. Chem. Phys. -2003.-V. 119.-P. 3138-3147.

24. Kim, Y.J., Wyslouzil, B.E., Wilemski, G., Wölk, J., Strey, R. Isothermal nucleation rates in supersonic nozzles and the properties of small water clusters // J. Phys. Chem.

А. - 2004. - V. 108. - P. 4365-4377.

25. Lee, С.F. Condensation of H20 and D20 in argon in the centered expansion wave in a shock tube, in condensation in high speed flows / Ed. A. A Pouring. - NY: Am. Soc. Mech. Eng, 1977.-P. 83-96.

26. Peters, F. Homogeneous nucleation of ethanol and я-propanol in a shock tube // J. Chem. Phys. - 1982. - V. 77. - P. 4788-4790.

27. Peters, F., Paikert, B. Nucleation and growth rates of condensing water vapor in argon from shock tube experiments // Exp. Fluids. - 1989. - V.l.- P. 521-530.

28. Амелин, А.Г. Образование пересыщенного пара и аэрозоля при смешивании газов, содержащих пар и имеющих разную температуру // Коллоидн. ж. - 1948. -С. 169-176.

29. Viisanen, Y., Strey, R., Reiss, H. Homogeneous nucleation rates for water // J. Chem. Phys. - 1993. - V. 99. - N 6. - P. 4680-4692.

30. Strey, R., Wagner, P.E., Viisanen, Y. The problem of measuring homogeneous nucleation rates and the molecular contents of nuclei: progress in the form of nucleation pulse experiments // J. Phys. Chem. - 1994. - V. 98. - P. 7748-7758.

31. Looijmans, K.N.H., Dongen, M.E.H. A pulse-expansion wave tube for nucleation studies at high pressures // Experiments in Fluids. - 1997. - V. 23. - P. 54-63.

32. Wölk, J., Strey, R. Homogeneous nucleation of H20 and D20 in comparison: the isotope effect//J. Phys. Chem. B.-2001.-V. 105.-P. 11683-11701.

33. Iland, K., Wedekind, J., Wölk, J., Wagner, P.E., Strey, R. Homogeneous nucleation rates of pentanol // J. Chem. Phys. -2004. - V. 121.-P. 12259-12264.

34. Wagner, P.E., Strey, R. Measurements of homogeneous nucleation rates for и-nonane vapor using a two-piston expansion chamber // J. Chem. Phys. - 1984. - V. 80. - N 10.-P. 5266-5275.

35. Schmitt, J.L., Doster, G.J. Homogeneous nucleation of «-pentanol measured in an expansion cloud chamber//J. Chem. Phys. - 2002. - V. 116.-P. 1976-1978.

36. Graßmann, A., Peters, F. Homogeneous nucleation rates of rc-propanol in nitrogen measured in a piston-expansion tube // J. Chem. Phys. - 2002. - V. 116. - P. 76.177620.

37. Muitjens, M.J.E.H. Homogeneous condensation in a vapor/gas mixture at high pressures in an expansion cloud chamber // Dissertation Abstracts International. -

1998. - V. 58.-N3.-P. 1051.

38. Anderson, R.J. A study of condensation - freezing nucleation of small water droplets in an expansion cloud chamber experiment // Dissertation Abstracts International. -1977. - V. 37. - N 9. - P. 4520.

39. Stoddard, L.E. Measurements of the mobilities of small aqueous ions in argon saturated with water vapor using an expansion cloud chamber // Dissertation Abstracts International. - 1978. - V. 38. - N 9. - P. 4303.

40. Cha, G-S., Uchtmann, H., Fisk, J.A., Katz, J.L. Initial investigation of the homogeneous nucleation of cesium vapor// J. Chem. Phys. - 1994. -V. 101. —N 1. -P. 459-467.

41. Martens, J., Uchtmann, H., Hensel, F. Homogeneous nucleation of mercury vapor // J. Phys. Chem. - 1987. - V. 91. - P. 2489-2492.

42. Brus, D., Zdimal, V., Uchtmann, H. Homogeneous nucleation rate measurements in supersaturated water vapor II // J. Chem. Phys. - 2000. -V. 131. -P. 74507-74515.

43. Brus, D., Hyvarinen, A-P., Zdimal, V., Lihavainen, H. Homogeneous nucleation rate measurements of 1-butanol in helium: a comparative study of a thermal diffusion cloud chamber and a laminar flow diffusion chamber // J. Chem. Phys. - 2005. - V. 122.-P. 214506-214519.

44. Heist, R.H., Ahmed, J., Janjua, M. Effects of background gases on the homogeneous nucleation of vapors I // J. Phys. Chem. - 1994. - V. 98. - P. 4443-4453.

45. Heist, R.H., Ahmed, J., Janjua, M. Effects of background gases on the homogeneous nucleation of vapors. II // J. Phys. Chem. - 1995. - V. 99. - P. 375-383.

46. Heist, R.H., Reiss, H. Investigation of the homogeneous nucleation of water vapor using a diffusion cloud chamber// J. Chem. Phys. - 1973. -V. 59. - P. 665-671.

47. Bertelsmann, A., Heist, R.H. Nucleation of 1-pentanol using a thermal diffusion cloud chamber // Aerosol Sci. Technol. - 1998. - V. 28. - P. 259-268.

48. Becker, C., Reiss, H., Heist, R.H. Estimation of thermo physical properties of a large polar molecule and application to homogeneous nucleation of /-menthol // J. Chem. Phys. - 1978. - V. 68. - P. 3585-3594.

49. Onischuk, A.A., Purtov, P.A., Baklanov, A.M., Karasev, V.V., Vosel, S.V. Evaluation of surface tension and Tolman length as a function of droplet radius from experimental nucleation rate and supersaturation ratio: metal vapor homogeneous

nucleation// J. Chem. Phys. -2006. - V. 124.-P. 14506-14519.

50. Brus, D., Hyvarinen, A-P., Zdimal, V., Lihavainen, H. Homogeneous nucleation rate measurements of 1-butanol in helium: a comparative study of a thermal diffusion cloud chamber and a laminar flow diffusion chamber // J. Chem. Phys. - 2005. - V. 122.-P. 214506-214519.

51. Vohra, V., Heist, R.H. The flow diffusion nucleation chamber: A quantitative tool for nucleation research//J. Chem. Phys. - 1996. - V. 104.-N l.-P. 382-395.

52. Anisimov, M.P., Kostrovskii, V.G., Shtein, M.S. Obtaining the supersaturated vapor and aerosol of dibutylphthalate with the mixing of streams of different temperatures by molecular diffusion // Colloid J. USSR. - 1978. - V. 40. - P. 90-95.

53. Nguyen, H.V., Okuyama, K., Mimura, Т., Kousaka, Y., Flagan, R.C., Seinfeld, J.H. Homogeneous and heterogeneous nucleation in a laminar flow aerosol generator // J. Colloid and Interface Sci. - 1987. -V. 119. -N 2. - P. 491-504.

54. Hameri, K., Kulmala, M., Krissinel, E., Kodenyov, G. Homogeneous nucleation in a laminar flow diffusion chamber: The operation principles and possibilities for quantitative rate measurements // J. Chem. Phys. - 1996. - V. 105. - P. 7683-7695.

55. Lihavainen, H., Viisanen, Y. A laminar flow diffusion chamber for homogeneous nucleation studies // J. Phys. Chem. - 2001. - V. 2001. - N 105. - P. 11619-11629.

56. Mikheev, V.B., Irving, P.M., Laulainen, N.S., Barlow, S.E., Pervukhin, V.V. Laboratory measurement of water nucleation using a laminar flow diffusion reactor // J. Chem. Phys. - 2002. - V. 116. - P. 10772-10786.

57. Knutson, Earl O. (1999) History of Diffusion Batteries in Aerosol Measurements, Aerosol Science and Technology, 31:2, 83 — 128.

58. Cheng, Y. S., and Yeh, H. C. s 1980. Theory of a Screen-Type Diffusion Battery, J. Aerosol Sci. 11:313 -320.

59. Мавлиев P.А., Анкилов A.H. Методы обработки данных для сетчатой диффузионной батареи // Коллоидн. Журнал. 1985. - Т. XLVII, №3. - С. 523-530.

60. А.А. Onischuk, S. di Stasio, V.V. Karasev, A.M. Baklanov, G.A. Makhov, A.L. Vlasenko, A.R. Sadykova, A.V. Shipovalov, V.N. Panfiov, Evolution of structure and charge of soot aggregates during and after formation in a propane/air diffusion flame, Aerosol Science 34 (2003) 383^103.

61. D. Gonzalez, A.G. Nasibulin, A.M. Baklanov, S.D. Shandakov, D.P. Brown, P. Queipo, E.I. Kauppinen A New Thermophoretic Precipitator for Collection of Nanometer-Sized Aerosol Particles // Aerosol Science and Technology, 39:10641071, 2005.

62. A. A. Onischuk, P. A. Purtov, A. M. Baklanov, and V. V. Karasev S. V. Vosel, Evaluation of surface tension and Tolman length as a function of droplet radius from experimental nucleation rate and supersaturation ratio. Metal vapor homogeneous nucleation. J. Chem. Phys., 2006, 124, 014506-1 - 014506-13.

63. Bailey, M.M., & Berkland, C.J. (2009). Nanoparticle Formulations in Pulmonary Drug Delivery. Medicinal Research Reviews, 29, 196-212.

64. Ruge, C.A., Kirch, J., & Lehr, C.-M. (2013). Pulmonary drug delivery: from generating aerosols to overcoming biological barriers - therapeutic possibilities and technological challenges. The Lancet Respiratory Medicine, 1, 402-413.

65. Gagnadoux, F., Pape, A.L., Lemarie, E., Lerondel, S., Valo, I., Leblond, V., Racineux, J.-L., & Urban, T. (2005). Aerosol delivery of chemotherapy in an orthotopic model of lung cancer. Eur. Respir. J. 26, 657-661.

66. Edwards, D.A., Valente, A.X., Man, J., & Tsapis, N. (2003). Recent Advances Related to the Systemic Delivery of Therapeutic Molecules by Inhalation, in: Hickey, A.J. (Ed.) Pharmaceutical Inhalation Aerosol Technology, CRC Press, pp. 541 - 550.

67. Oberdorster, G., Oberdorster, E., & Oberdorster, J. (2005). Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environmental Health Perspectives. 113: 823 - 839.

68. Wong, B.A. (2007). Inhalation Exposure Systems: Design, Methods and Operation. Toxicologic Pathology 35, 3-14.

69. Hinds, W.C., (1999). Aerosol Technology. Properties, Behavior, and Measurement of Airborn Particles. Second Edition, second ed. John Wiley & Sons, Inc., New York.

70. Heyder, J., (2004). Deposition of Inhaled Particles in the Human Respiratory Tract and Consequences for Regional Targeting in Respiratory Drug Delivery. Proc, Am, Thorac, Soc, 1, 315-320.

71. Labiris, N.R., & Dolovich. M.B. (2003). Pulmonary drug delivery. Part I: Physiological factors affecting therapeutic effectiveness of aerosolized medications. J. Clin. Pharmacol. 56, 588-599.

72. Hussain, M., Madl, P., & Khan, A. (2011). Lung deposition predictions of airborne particles and the emergence of contemporary diseases Part-I. theHealth 2, 51-59.

73. Jaques, P.,A., & Kim, C.S. (2000). Measurement of total lung deposition of inhaled ultrafine particles in healthy men and women, Inhalation Toxicology. 12, 715-731.

74. . J. D. Rabinowitz, M. Wensley, P. Lloyd, D. Myers, W. Shen, A. Lu, C. Hodges, R. Hale, D. Mufson, A. Zaffaroni, Fast onset medications through thermally generated aerosols. The Journal on Pharmacology and Experimental Therapeutics. 2004, 309, 769 - 775.

75. Bates, S., G. Zografi, D. Engers, K. Morris, K. Crowley, and A. Newman. 2006. Analysis of amorphous and nanocrystalline solids from their X-ray diffraction patterns. Pharmaceutical Research, 23: 2333-2349.

76. Fairchild, G. A. 1972. Measurement of Respiratory Volume for Virus Retention Studies in Mice. Applied Microbiology, 24: 812-818.

77. Wong, B. A. 2007. Inhalation Exposure Systems: Design, Methods and Operation. Toxicologic Pathology, 35:3—14.

78. Meade EA, Smith WL, and DeWitt DL, Differential Inhibition of Prostaglandin Endoperoxide Synthase (Cyclooxygenase) Isozymes by Aspirin and OtherN on-steroidal Antiinflammatory Drugs. The Journal of Biological Chemistry, 1993, Vol. 268, No. 9, 6610-6614.

79. Hermsdorf D, Jauer S, and Signorell R: Formation and stabilization

of ibuprofen nanoparticles by pulsed rapid expansion of supercritical solutions. Mol Phys. 2007;105:951-959.

80. Lee T, Chen YH, and Wang YW: Effects of homochiral moleculesof (S)-(+)-ibuprofen and (S)-(-)-sodium ibuprofen dihydrate on the crystallization kinetics of racemic (R,S)-sodium ibuprofen dihydrate. Crystal Growth Design. 2008;8: 415-426.

81. Stahly GP, Mckenzie AT, Andres MC, Russell CA, Bym SR, and Johnson P: Determination of the optical purity of ibuprofen using X-ray powder diffraction. J Pharmaceut Sci. 1997;86:970-971.

82. Koster R, Anderson M, and Deber EI: Acetic acid for analgetic screening. Fed Proc. 1959;18:412-414.

83. Arms, A.D. & Travis, C.C. (1988). Reference Physiological Parameters in Pharmacokinetic Modeling, Washington DC: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Health and Environmental Assessment; EPA report no. EPA/600/6-88/004. Available from: NTIS, Springfield, VA; PB88-196019.

84. Hofmann, W., Asgharian, В., Bergmann, R, Anjilvel, S., & Miller, F.J. (2000). The

Effect of Heterogeneity of Lung Structure on Particle Deposition in the Rat Lung. Toxicological Sciences 53, 430^137.

85. Currie, W.D., van Schaik, S., Vargas, I., & Enhorning, G. (1998). Breathing and pulmonary surfactant function in mice 24 h after ozone exposure. Eur. Respir. J. 12, 288 - 293.

86. Schaper, M., & Brost, M.A. (1991). Respiratory effects of trimellitic anhydride aerosols in mice. Arch. Toxicol. 65, 671-677.

87. Hamelmann, E., Schwarze, J., Takeda, K., Oshiba, A., Larsen, G.L., Irvin, C.G., & Gelfand, E.W. (1997). Noninvasive Measurement of Airway Responsiveness in Allergic Mice Using Barometric Plethysmography. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 156, 766-775.

88. Vijayaraghavan, R. (1997). Modifications of breathing pattern induced by inhaled sulphur mustard in mice. Arch. Toxicol. 71, 157-164.

89. Yeh, H.C., Snipes, M., Eidson, A.F., & Hobbs, C.H. (1990). Comparative evaluation of nose-only versus whole-body inhalation exposures for rats-aerosol characteristics and lung deposition, Inhalation Toxicology 2, 205-221.

90. G.-D. Gong, C.-H. Bai, Q.-M. Liu, Journal of Coal Science & Engineering, 2013, 19, 332-336.

91. A. D. Gillies, S. Jackson, Coal 1998: Coal Operators' Conference, University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 1998, 626-640.

92. C. Bai, G. Gong, Q. Liu, Y. Chen, G. Niu, Safety Science 2011, 49, 1349-1354

93. Q. Liu, C. Bai, X. Li, L. Jiang, W. Dai, Fuel 2010, 89 329-335.

94. Q. Liu, Y. Ни, C. Bai, M. Chen, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013, 26,310-16.

95. S. R Rockwell, A. S. Rangwala, Combustion and Flame, 2013, 160 635-640.

96. H. А. Фукс, А. Г. Сутугин, Итоги науки. Сер. Химия. Физическая химия. Высокодисперсные аэрозоли. Москва. 1969.

97. S. К. Friedlander, Smoke, Dust, and Haze (Oxford University Press, New York/Oxford 2000).

98. Н. А. Фукс, Механика аэрозолей, Издательство Академии наук СССР Москва, 1955

99. Waldmann L. Uber die Kraft eines inhomofenen Gases auf kleine suspendierte Kugeln. Z. fur Naturforschung, В 1959, V.14a, №7, c. 259-270.

100. P. C. Reist, Aerosol science and technology, (McGraw-Hill Inc., USA, 1993).

101. Рид P., Праусниц Дж., Шервуд Т. (1982) Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1982г

102. Samson, R. J., Mulholland, G. W. and Gentry, J. W. (1987) Structural analysis of soot agglomerates. Langmuir 3, 272-281.

103. Rogak, S. N., Baltensperger, U., & Flagan, R. C. (1991). Measurement of mass transfer to agglomerate aerosols. Aerosol Science and Technology, 14, 447-458.

104. Katzer, M., Weber, A. P., & Kasper, G. (2001b). Collision kinetics and electrostatic -dispersion of airborne submicrometer fractal agglomerates. Journal of Colloid and Interface Science, 240, 67-77.

105. Jang, H. D., Friedlander, S. K. (1998). Restructuring of chain aggregates of titania nanoparticles in the gas phase. Aerosol Science and Technology, 29, 81-91.

106. Физические величины, СПРАВОЧНИК, под редакцией И. С. Григорьева, Е. 3.

Мейлихова, МОСКВА, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1991.