КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2011, том 73, № 6, с. 807-814
УДК 541.182.213:621.928.95
ОСАЖДЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ НАНОЧАСТИЦ В ФИЛЬТРАХ, ПОКРЫТЫХ СЛОЕМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК © 2011 г. А. А. Кирш*, А. Е. Бураков**, А. Г. Ткачев**, В. А. Кирш***
*Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» 123182 Москва, пл. Курчатова, 1 **Тамбовский государственный технический университет 392000 Тамбов, ул. Советская, 106 **Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119991 Москва, Ленинский проспект, 31 Поступила в редакцию 13.01.2011 г.
Обсуждены вопросы интенсификации процесса тонкой очистки газа от взвешенных частиц путем нанесения проницаемых слоев углеродных нанотрубок на волокна фильтра и проблема отскока броуновских наночастиц от нановолокон. При пропускании наноаэрозолей хлористого натрия через различные фильтрующие перегородки, внутренняя поверхность которых покрыта тонким слоем углеродных нанотрубок, особенностей в осаждении наночастиц с диаметром более 3.5 нм обнаружено не было.
1. ВВЕДЕНИЕ
Тонкая очистка газов от взвешенных субмикронных и наноразмерных частиц осуществляется с помощью тонковолокнистых фильтрующих материалов, поскольку при заданной эффективности улавливания они обладают наименьшим сопротивлением потоку. Тем не менее, даже эти материалы (при обеспечении высокой эффективности очистки газов) имеют все еще большой перепад давления, который обычно стараются снизить, фильтруя через них газы при небольшой скорости потока аэрозоля, обычно не превышающей нескольких сантиметров в секунду. Изготовленные из этих фильтрующих материалов высокоэффективные респираторы также имеют большой перепад давления и оказывают весьма существенное сопротивление дыханию, особенно при физической нагрузке. Поэтому на протяжении всей истории развития тонкой очистки воздуха от взвешенных частиц не прекращаются работы, нацеленные на увеличение эффективности улавливания частиц при сохранении гидродинамического сопротивления фильтрующей среды. Одним из перспективных способов интенсификации процесса очистки газа является создание на поверхности волокон пористой проницаемой оболочки, которая, в случае фильтров с малой плотностью упаковки, незначительно сказывается на гидродинамическом сопротивлении потоку, но резко повышает эффективность улавливания частиц. Этот факт был установлен давно в экспериментах по забивке фильтра твердыми частицами, в которых в начальный период работы фильтра перепад давления почти не из-
менялся, а улавливающая способность фильтров заметно возрастала вследствие образования денд-ритов на поверхности волокон. Впервые этот эффект был реализован в американском аналитическом фильтре 1РС-1478, изготовленном из целлюлозных волокон, к которым, как было обнаружено нами, были приклеены осколки стекловолокна [1]. Позднее этот эффект был экспериментально исследован в работе [2] с использованием плотных металлических сеток с выращенными на проволочках короткими иголочками, наличие которых обеспечивало рост критерия качества фильтра. Критерий качества характеризуется как отношение логарифма проскока частиц к перепаду давления [1]:
у = - 1п (л/л0 )/(А^/Ии) = 2 аЬц/ЬГ. (1)
Здесь п0 и п — концентрация частиц перед и за фильтром, и, ц — скорость течения и вязкость газа, Ар — перепад давления на фильтре, Ш — безразмерная сила, действующая на единицу длины волокна, П — коэффициент захвата частиц волокном — отношение площади поперечного сечения части набегающего потока, из которой осаждаются частицы, к площади сечения волокна, Ь = аН/па2 — длина волокон на единице площади фильтра, а — плотность упаковки — доля пространства, занятая волокнами, Н — толщина фильтра.
Расчет критерия качества фильтра с волокнами, покрытыми пористой оболочкой, для случая очистки от частиц, для которых диффузионный механизм осаждения мал, был дан в [3, 4]. В этих работах было показано, что рост у наиболее заметно проявляется в высокопористых фильтрах. При а < 1 за-
висимость силы сопротивления волокон F от а слабая [1], поэтому увеличение диаметра волокна на 10—50% за счет утолщения оболочки практически не влияет на F и, следовательно, на перепад давления (при этом длина волокон L не изменяется). В то же время, оболочка на волокне значительно увеличивает коэффициент захвата частиц, который пропорционален объему очищаемого газа, проходящего через проницаемую оболочку. В работах [3, 4] было показано, как величина у зависит от плотности упаковки фильтра и от условий фильтрации, причем отмечалось, что зависимость критерия качества от отношения толщины оболочки к толщине волокна имеет максимум. Полное осаждение частиц в оболочке может быть обеспечено за счет ситового эффекта, когда размер частиц превышает среднее расстояние между иголочками в оболочке. С целью обеспечения максимального расхода газа через оболочку на волокне необходимо, чтобы сопротивление потоку внутри оболочки было минимальным. Это может быть достигнуто использованием субмикронных иголочек, с уменьшением диаметра которых возрастает влияние эффекта скольжения газа на их поверхности, снижающего сопротивление [1]. Поэтому с появлением углеродных нанотрубок (УНТ) с диаметром в десятки нанометров, выращенных на металлических волокнах, немедленно появились предложения использовать такие волокна для изготовления высокоэффективных фильтров для тонкой очистки воздуха. УНТ на волокнах могут иметь форму иголочек [5] или формировать пористый слой [6]. Из единственных опубликованных пока экспериментальных данных по улавливанию частиц [6] явного роста критерия качества для таких фильтров не наблюдается. В работе [6] было изучено осаждение частиц в широком диапазоне размеров в плотных фильтрах из металлических волокон, покрытых слоем УНТ. Рост эффективности осаждения частиц сопровождался в этих опытах резким ростом перепада давления. Отсутствие выигрыша от применения УНТ, даже в области максимума проскока частиц, соответствующего г ~ 0.1— 0.15 мкм, объясняется тем, что фильтры были малопористые, волокна были слишком толстые, а слой УНТ был малопроницаем. Кроме того, как видно из приведенных в [6] фотографий, отдельные УНТ перекрывают пространство между металлическими волокнами, что ведет к резкому росту перепада давления на фильтре [1]. Далее, из приводимых в этой работе данных следует, что эффективность улавливания наночастиц резко падает при уменьшении их размера ниже 10 нм. А поскольку в литературе уже были сообщения о слабой адгезии молекул среды к поверхности одностенных УНТ [7], то могут возникнуть сомнения в возможности применения УНТ для улавливания наночастиц из воздуха. Отметим, что аналогичное падение эффективности улавливания наночастиц с уменьшением их размера наблюдалось и в ряде других работ, при этом авторы
обычно ссылаются на возможность отскока нано-частиц [8].
Отскок наночастиц от поверхности волокон в результате большой скорости их броуновского смещения на протяжении двадцати лет обсуждается в литературе и пока не получил экспериментального подтверждения. Появляющиеся иногда сообщения об обнаружении отскока объясняются, во-первых, тем, что, при вычислении коэффициента захвата по данным измерений проскоков наночастиц через диффузионные батареи, не учитывалась специфика осаждения наночастиц на волокна из потока при Ре < 1 [9], и, во-вторых, несовершенством используемых конденсационных счетчиков, работа которых основана на укрупнении частиц в пересыщенных парах спиртов. Степень пересыщения паров в этих приборах недостаточна для укрупнения всех наночастиц, поступающих в счетчик. Доля проявляемых в парах спирта наночастиц размером менее 10 нм мала, при этом она чрезвычайно резко зависит от их размера [10]. Поэтому небольшие изменения спектра распределения наночастиц в выделенной фракции, связанные с диффузионными потерями частиц в коммуникациях, могут приводить к большим ошибкам. Вопрос об эффективности прилипания наночастиц к нанотрубкам представляет интерес, поскольку они обладают наибольшей твердостью по сравнению с другими волокнами, а также ввиду перспективности использования покрытий из УНТ для модификации фильтрующих материалов.
Подробный анализ осаждения наночастиц в системе пористых волокон и волокон, покрытых пористыми проницаемыми оболочками, дан в работах [11, 12], где показано, что улавливание частиц определяется внешней диффузией частиц к пористой оболочке и что с уменьшением диффузионного числа Пекле (Ре) осаждение возрастает. Здесь Ре = = 2аU/D, D — коэффициент диффузии частиц, возрастающий с уменьшением размера частиц. Таким образом, с уменьшением диаметра наночастиц общая эффективность фильтра всегда должна расти.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Образцы фильтрующих перегородок
При исследовании эффективности осаждения наночастиц из потока на поверхности пористых тел, покрытых тонким слоем УНТ, использовались пористая керамика со сквозными каналами, фильтры из керамических грубодисперсных волокон, металлические сетки и керамические трубки. Как видно из рис. 1, многослойные УНТ, получаемые по разработанной в [13] технологии (нанотрубки ТАУНИТ, производство ООО "НаноТехЦентр", г. Тамбов) характеризуются высокой монодисперсностью трубок. Их получают методом газофазного химического осаждения (каталитический пиролиз-С\0) углеводородов (СхНу) на гетерогенных метал-
Рис. 1. Структура УНТ на керамических волокнах при различных размерах области сканирования: (а) — 11.6 х 8.2, (б) — 3.8 х 2.7 мкм2.
локсидных катализаторах при атмосферном давлении и температуре 580—650°С [13]. Время процесса варьируют в интервале 10—80 мин. Навески катализатора (по 20 мг) помещают на подложки из графитовой фольги "Графлекс" и располагают образцы на рабочей поверхности реактора. После подготовки реактора температуру поднимают до 650°С, реактор продувают аргоном и затем пускают газ — источник углерода, в качестве которого используют техническую пропан-бутановую смесь. Процесс выращивания УНТ проводят в течение 40 мин, после чего реактор продувают аргоном.
Технология синтеза УНТ на высокотемпературных подложках-носителях позволяет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.