автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Физические параметры и способы формирования биопозитивной воздушной среды

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ч/ * /

\/ "С

\П -

ЧЕРНЫЙ КОНСТАНТИН АНАТОЛЬЕВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПОЗИТИВНОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

05.26.01 - Охрана труда 05.14.16 - Технические средства и методы защиты окружающей среды (строительство)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Файнбург Г.З.

Пермь 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1. Аэроионизация как важнейший элемент биопозитивной воздушной среды. 9

1.2. Электрические характеристики биопозитивной воздушной среды. 17

1.3. Цель и задачи исследования. 27

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ЗА ФИЗИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ БИОПОЗИТИВНОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ 30

2.1. Методы измерения спектрального распределения и объемной счетной концентрации аэроионов. 30

2.2. Счетчик легких аэроионов САИ-Пермь. ' 49

2.3. Оперативный мониторинг концентрации аэроионов приборами-детекторами. 59

2.4. Выводы по разделу. 63

3. ИСКУССТВЕННЫЕ СРЕДСТВА КОРРЕКЦИИ

АЭРОИОННОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЯ 65

3.1. Гигиенические критерии применения средств

искусственной аэроионизации. 65

3.2. Основные конструкции современных аэроионизаторов. 66

3.3. Особенности спектрального распределения аэроионов в искусственно ионизированной воздушной среде. 70

3.4. Выводы по разделу. 81

4. СПОСОБ СОЗДАНИЯ В ПОМЕЩЕНИИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ТИПА «ЖИВОЙ ВОЗДУХ» ПРИ ПОМОЩИ ПРИРОДНЫХ СОЛЕЙ 83

4.1. Основные конструкции сильвинитовых спелеоклиматических камер. 83

4.2. Соотношение концентраций отдельных фракций аэроионов. 93

4.3. Спектральное распределение легких аэроионов по подвижности. 96

4.4. Распределение частиц соляного аэрозоля по размерам. 99

4.5. Влияние параметров режима проветривания на счетные

концентрации и параметры распределений аэроионов и аэрозоля.

Распределение аэроионов по объему спелеоклиматической камеры. 105

4.6. Влияние микроклиматических параметров на счетные концентрации

и параметры распределений аэроионов и аэрозоля. 114

4.7. Выводы по разделу. 119 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СЧЕТНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ

АЭРОИОНОВ В СИЛЬВИНИТОВЫХ СПЕЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ

КАМЕРАХ. 122

5.1. Постановка задачи. Уравнения аэроионного баланса. 122

5.2. Интенсивность ионизации в атмосфере калийных рудников

и в воздушной среде сильвинитовых спелеоклиматических камер. 123

5.3. Рекомбинация легких аэроионов противоположной полярности. 134

5.4. Осаждение аэроионов на аэрозольную частицу. 135

5.5. Решение уравнения аэроионного баланса для воздушной среды

спелеоклиматических камер. 138

5.6. Выводы по разделу. 142 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Принципиальная электрическая схема счетчика аэроионов САИ-Пермь. 159 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Спецификация деталей счетчика аэроионов САИ-Пермь. 165 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Соотношение основных фракций аэроионов в сильвинитовых спелеоклиматических камерах. 168 ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Спектральное распределение легких аэроионов

в сильвинитовых спелеоклиматических камерах. 190

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Спектральное распределение аэрозольных частиц по размерам в сильвинитовых спелеоклиматических камерах. 204

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В условиях современного индустриально развитого общества большинство людей проводит более 80% времени в замкнутых помещениях, из них 25% - в производственных помещениях. Поэтому, воздушная среда помещений - это та микросреда, качеством которой определяется основная экологическая нагрузка на организм человека.

Известно, что в целом загрязненность воздушной среды в помещениях много выше, чем в наружном воздухе. В этой связи резко возрос интерес к проблемам формирования качественной воздушной среды внутри помещения и синдрому больного здания. С другой стороны, за последнее десятилетие бурно развивались различные разделы аэротерапии: аэроионотерапия, галотерапия, спелеоклиматотерапия, системы типа «горный воздух» и другие.

Развитие на Западном Урале метода лечения ряда профессиональных и экозависимых заболеваний путем аэротерапии в биопозитивной воздушной среде сильвинитовых спелеоклиматических камер, а также проектирование, строительство и эксплуатация сильвинитовых спелеоклиматических камер определило необходимость изучения динамических процессов формирования биопозитивных воздушных сред типа «живой воздух».

Таким образом, актуальность данного исследования определяется необходимостью решения проблем формирования, мониторинга, коррекции и контроля физических параметров воздуха для обеспечения безопасности окружающей среды рабочей зоны и комфортных условий пребывания человека в помещении, а также для проведения профилактических и лечебных аэротерапевтических мероприятий.

Цель работы - исследование физических характеристик, методов и средств формирования биопозитивной воздушной среды для последующего эффективного использования полученных результатов в решении проблем охраны труда и экологии помещений различного назначения.

Задачи работы - достижение указанной цели путем обобщения имеющихся литературных данных и разработки концептуальных основ формирования биопозитивной воздушной среды в условиях помещения; создания приборной базы для мониторинга важнейших параметров биопозитивных воздушных сред (спектра легких аэроионов); изучения физических параметров, определяющих качество биопозитивной воздушной среды, а именно, характеристик спектральных распределений аэроионов по электрической подвижности и субмикронного аэрозоля по размерам. Указанные задачи определили и основные методы, и характер большинства результатов.

Методика исследования - комплексная, сочетающая: изучение научной литературы по теме; теоретический и экспериментальный анализ как всей проблемы, так и отдельных ее аспектов; разработка и изготовление приборов и индикаторов, являющихся инструментом исследований; проведение лабораторных и натурных экспериментов.

Научная новизна работы:

• При искусственной аэроионизации воздушной среды помещений при помощи коронных ионизаторов установлена генерация аэроионов промежуточной группы подвижности (0,1-0,32 см /(В с)), которая не наблюдается в природных воздушных средах.

• Определены значения постоянных времени релаксации равновесных стационарных счетных концентраций легких аэроионов и аэрозольных частиц в сильвинитовых спелеоклиматических камерах.

• Установлен эффект гистерезиса значения полярности объемного заряда тяжелых аэроионов в зависимости от относительной влажности воздушной среды сильвинитовых спелеоклиматических камер.

• Получены полуэмпирические зависимости между концентрациями легких аэроионов и аэрозольных частиц в воздухе, следующие из решения уравнения аэроионного баланса для условий сильвинитовых спелеоклиматических камер.

Основные научные положения, защищаемые в работе:

• Для достаточно детального изучения параметров спектрального распределения легких аэроионов по подвижности при решении прикладных задач формирования качественной воздушной среды в замкнутых помещениях, необходим счетчик аэроионов, позволяющий проводить измерения в диапазоне под-вижностей 0,1-2 см2/(В с), имеющий по крайней мере 10 значений граничной подвижности и дифференциальную чувствительность не менее 100 эл. зарядов;

• Аэроионизация в воздушной среде сильвинитовых спелеоклиматических камер определяется бета-излучением радиоактивного изотопа К40, входящего в состав сильвинитовой породы, значение интенсивности ионообразования - по-

3 1

рядка 100 см" с" .

• При граничной подвижности равной 1 см2/(В с) в спектральном распределении аэроионов в воздушной среде сильвинитовых спелеоклиматических камер наблюдается смена знака коэффициента униполярности легких аэроионов.

• Спектральное распределение аэрозольных частиц размером более 0,3 мкм в сильвинитовых спелеоклиматических камерах достаточно точно аппроксимируется степенным законом Юнге.

Практическая ценность работы. Для улучшения условий труда и защиты окружающей среды в замкнутых помещениях при разнообразных антропогенных нагрузках на основе экспериментально отмеченных модификаций аэроионного режима предложены рекомендации по применению средств электрической аэроионизации воздушной среды.

Путем изучения физических параметров воздушной среды сильвинитовых спелеоклиматических камер разработан метод формирования качественной лечебно-профилактической воздушной среды в замкнутых помещениях при помощи природных калийно-магниевых солей.

Разработан и сконструирован интегральный счетчик концентрации легких аэроионов положительной и отрицательной полярности с предельной подвиж-

ностью ОД см /(В с), функциональные возможности которого позволяют определить детальное спектральное распределение аэроионов по подвижности.

Сконструирован ряд пробников-индикаторов, позволяющих оперативно определить как работоспособность электрических устройств аэроионизации, так и эффективность мероприятий по искусственной ионизации воздушной среды помещений.

Реализация работы. Результаты исследований параметров распределения аэроионов в спелеоклиматических камерах использованы при создании пособия для врачей «Лечение респираторных аллергозов и реабилитация детей живым воздухом сильвинитовых спелеоклиматических камер», утвержденного Ученым советом Минздрава РФ. Кроме того, результаты работы позволяют определить типичные, характерные для качественной воздушной среды характеристики спектральных распределений аэроионов и аэрозолей, что используется при проведении настройки параметров воздушной среды на оптимальный для спелеотерапии режим при запуске в эксплуатацию и профилактическом обслуживании сильвинитовых спелеоклиматических камер.

Апробация работы. Отдельные этапы работы докладывались и получили одобрение на Международном Конгрессе по курортологии «Современные проблемы санаторно-курортного дела» (г. Москва, 1996), Международной конференции «Научно-практические аспекты управления качеством воздуха «ВОЗДУХ-95» (г. Санкт-Петербург, 1995), Международной конференции «Проблемы и перспективы освоения подземного пространства крупных городов» (г. Днепропетровск, 1996), Международной конференции «Научно-практические проблемы рационального потребления воздуха «ВОЗДУХ-98» (г. Санкт-Петербург, 1998), III Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» ФРЭМБ'98 (г. Владимир, 1998), 7-ом Национальном Конгрессе по болезням органов дыхания (г. Москва, 1997), 1-ой Российской научно-практической конференции «Актуальные проблемы медицинской экологии (г. Орел, 1998), Российской на-

учно-практической конференции «Современные аспекта и проблемы охраны труда «ОХРАНА ТРУДА-98» (г. Пермь, 1998), Межотраслевой конференции «Экология горного производства и человек» (г. Пермь, 1993), IV Всеуральском совещании, посвященном 90-летию со дня рождения профессора Г.А. Максимовича (г. Пермь, 1994).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ.

Пользуясь возможностью, автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Г.З. Файнбургу за научное руководство, постоянную поддержку, ценные советы и критические замечания.

Автор благодарен всем, кто в той или иной мере способствовал написанию этой работы, но особенно доценту кафедры экспериментальной физики Пермского государственного университета, кандидату физико-математических наук А.Г. Михайловскому и доценту кафедры физики Пермского государственного педагогического университета кандидату физико-математических наук М.Т. Шарову.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. АЭРОИОНИЗАЦИЯ КАК ВАЖНЕЙШИЙ ЭЛЕМЕНТ БИОПОЗИТИВНОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ.

Изучение и оздоровление окружающей среды, в которой живет и работает человек, является одной из центральных задач современной науки.

Взаимодействия между атмосферой, гидросферой и литосферой в течение длительного процесса развития нашей планеты значительно влияли на ход биологического развития человека как вида. Однако, в ходе своего эволюционного роста человек в чрезвычайно короткий промежуток времени достиг уникальной «способности» изменять окружающую его среду.

Сегодня, когда человечество начало осознавать последствия нарушенного им экологического баланса, наибольшее внимание уделяется тем факторам окружающей среды, нарушение которых представляет особую опасность. К одним из наиболее подвергшимся антропогенному изменению параметров окружающей среды относится загрязнение и ухудшение качества воздуха. Действительно, функционирование нашего организма зависит от физических и химических свойств вдыхаемого воздуха, через органы дыхания проходит до десяти тысяч литров воздуха каждые двадцать четыре часа. Вместе с тем, воздух для человека - это нечто привычное, незримое и до известного предела неощутимое. Тем более, что на протяжении тысячелетий наличие пригодного для дыхания природного воздуха было настолько всеобщим и естественным, что практически не выделялось на уровне сознания. И только загрязнение воздушной среды в XX веке заставило искать в состоянии воздуха и причину все шире распространяющихся заболеваний, и средство их профилактики и лечения.

Современная ситуация усугубляется тем, что в результате процессов урбанизации большинство людей более 80% времени проводит именно в помещениях, а потому качество воздушной среды помещения вносит основной вклад в суммарное воздействие на организм человека. Кроме того, в условиях

глобального загрязнения воздушного бассейна, изменились способы формирования качественной воздушной среды в замкнутом помещении. В современном помещении, как правило облицованном полимерными материалами и имеющем множество бытовой техники, требуется не только организация проветривания, т.е. подачи внешнего атмосферного воздуха. Поскольку внешний атмосферный воздух уже не всегда является чистым, т.е. свободным от «неестественных» загрязнений, для формирования качественной воздушной среды внутри помещения требуется проведение сложных инженерных мероприятий по формированию качественной воздушной среды.

Таким образом, проблема формирования качественной воздушной среды в помещений весьма сложна. Для того, чтобы можно было судить о качестве воздуха в помещении и о его влиянии на здоровье населения требуются оценки не одного, а сразу нескольких параметров качества среды, включая и малоощутимые. В самом деле, в силу большой продолжительности воздействия воздушной среды помещения на организм человека малозаметные изменения в качестве воздуха, явно не вызывающие сокращения продолжительности жизни или летальные исходы, все же приводят к проявлению раздражающих действий, дискомфорту, снижению производительности труда и т.д.

При экологическом и санитарно-гигиеническом исследовании воздушной среды первоначально основное внимание уделялось газовому составу воздуха и загрязняющим воздух химическим веществам, однако позднее было установлено, что для самочувствия человека весьма важное значение имеют температура воздуха в помещении, его влажность и подвижность.

В последние десятилетия при анализе качества воздуха в замкнутых помещениях начали изучать другие физические факторы внешней среды, в частности концентрацию аэроионов и их спектральное распределение по подвижности. Оказалось, что воздух естественных угодий - полей, лесов, гор и морей - обладает иным электрическим и аэрозольным режимом, чем воздух жилых и рабочих помещений, особенно плохо проветриваемых и прокуренных.

Многочисленные наблюдения, проведенные на курортах и в сельской местности [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, и др.] выявили определенное лечебное и профилактическое воздействие на организм человека воздуха с концентрацией легких аэроионов 500-1500 см"3. Дальнейшие исследования уже с искусственно ионизированным воздухом [8, 9, 10] показали, что легкие аэроионы оказывают не только профилактическое воздействие, но и влияют на повышение функциональных показателей организма. Оказалось, что ощущение духоты, головные боли, пониженное внимание, наблюдаемое у людей, находящихся длительное время в закрытых помещениях, вызываются не только, и не столько изменением химического состава воздуха, сколько изменением электрофизических свойств, а именно уменьшением концентрации легких аэроионов и увеличением числа тяжелых аэроионов.

В настоящее время проведено и опубликовано большое количество научных работ, освещающих физиологический, гигиенический и лечебный аспекты проблемы. В их числе монографии Л.Л. Васильева [11], А.А.