The effect of relative humidity on the number concentration of aerosol particles in a sealed volume.pdf Ранее Институтом медико-биологических проблем РАН совместно с Аэрокосмическим агентством США (NASA) была начата серия экспериментов, объединенных общим названием SIRIUS (Scientific International Research In Uniqueterrestrial Station - Международное научное исследование на оригинальной наземной станции) и посвященных проблеме длительных космических полетов и длительному пребыванию людей в замкнутом пространстве в течение полета [1]. В 2019 г. в рамках проекта SIRIUS в наземном экспериментальном комплексе ИМБП был проведен 120-дневный изоляционный эксперимент, который воспроизводил основные характеристики реального космического полета на Луну экипажа из 6 человек и включал в себя имитацию следующих этапов: перелет до спутника с последующим облетом для поиска места приземления; высадку четырех членов экипажа для проведения операций на поверхности; пребывание на орбите Луны и возвращение на Землю. Экипаж из 6 человек - трех мужчин и трех женщин - был изолирован в обособленном от окружающего мира герметичном объеме, состоящем из нескольких отсеков, а также оснащенном автономной системой воздухоподготовки и жизнеобеспечения. В течение всего эксперимента изучались механизмы работоспособности и адаптации организма человека к искусственной среде обитания в замкнутом объеме в условиях продолжительной изоляции в целях поддержания будущих исследований на МКС, а также перспективных космических исследовательских миссий. Научная программа включала 79 различных программ исследований по физиологии, психологии, микробиологии, а также изучения технологических аспектов. В одной из подпрограмм, разработанной совместно НИЦ «Курчатовский институт» и МГУ, изучалась динамика накопления аэрозолей в воздушной среде герметичных обитаемых объектов в условиях длительной изоляции с применением методов оценки уровня аэрозольного загрязнения, уже отработанных ранее в технологии чистых производственных помещений. В ходе эксперимента проводился периодический контроль концентрации частиц аэрозолей в трех модулях внутри герметичного объекта. Отбор аэрозольных проб осуществлялся с помощью ручного счетчика аэрозольных частиц Handheld 3016 IAQ производства «Lighthouse» (США). Вместе с отбором аэрозольной пробы данным счетчиком измерялись текущие значения температуры и относительной влажности. Одновременно с автоматическим счетом частиц с помощью микробиологического пробоотборника Аспиратор ПУ-1Б-01 (Россия) несколько раз была проведена оценка количества жизнеспособных пропагул и видового состава микроскопических грибов методом посева. Результаты, полученные двумя методами, были сопоставлены, а после выявлены закономерности изменения концентрации нейтральных частиц и спор микромицетов, а также их связь с деятельностью экипажа. Следует отметить, что взаимосвязь роста числа колониеобразующих единиц и концентрации взвешенных в воздухе частиц уже была исследована в ряде работ (например, [2-5]). В целом, можно констатировать, что поставленные в программе эксперимента SIRIUS-19 перед группой НИЦ КИ и МГУ задачи были выполнены: полученные с помощью лазерного счетчика частиц результаты измерений были сопоставлены с результатами микробиологического анализа; кроме того, была проанализирована возможность использования счетчика частиц в космическом корабле как индикатора микробиологической обстановки в воздушной среде обитаемого герметичного объема с учетом фоновой концентрации аэрозолей. Основные результаты измерений опубликованы в работах [6, 7]. Однако на основании собранных данных прослеживалась не только ожидаемая зависимость от присутствия в помещении членов экипажа в момент измерения и тем более их физической активности, но также и систематическая связь изменения счетной концентрации аэрозолей от изменения относительной влажности: рост одной из величин сопровождался одновременным и соразмерным ростом другой, а снижение - соизмеримым снижением [6], причем колебания счетной концентрации частиц повторяли колебания значений влажности в значительно большем масштабе. Пример подобной взаимной зависимости приведен на рис. 1, где представлены результаты измерений относительной влажности и счетной концентрации частиц различных размеров в тренировочном зале наземного экспериментального комплекса в течение одного дня (10.04.2019 г.). Температура в течение всех измерений оставалась практически постоянной (±1 °С). Рис. 1. Пример измерений относительной влажности и счетной концентрации частиц различных размеров в тренировочном зале в течение одного дня во время эксперимента SIRIUS-19 (10.04.2019 г.) Следует также отметить, что по ходу всего 120-дневного изоляционного эксперимента наблюдался постепенный рост среднесуточных значений относительной влажности во всех модулях изолированного герметичного объема до значений, превышающих гигиенические нормы ГОСТ Р 30494-2011 для теплого времени года [8]. Таким образом, возникла необходимость изучения влияния относительной влажности на счетную концентрацию микрочастиц аэрозолей и их дисперсный состав в условиях замкнутого герметичного объема с целью понять, насколько данная ситуация воспроизводится в любом герметичном объеме или же является следствием некоторой третьей причины в ходе определенного эксперимента. Для этого был подготовлен специальный лабораторный стенд (рис. 2), состоящий из герметичного объема, съемной внутренней перегородки с держателем, небулайзера (распылителя жидкости), внешнего мембранного насоса небольшой производительности, термогигрометра с погружным щупом, счетчика аэрозольных частиц, разбавителя аэрозолей и абсолютного фильтра. Герметичный объем представляет собой кубоид из пенопласта с линейными размерами 105×55×50 см, толщиной стенок 5 см и внутренним объемом равным 225 л. В качестве побудителя роста относительной влажности использовались медицинские небулайзеры двух типов: ультразвуковой и компрессионный. На стадии отработки эксперимента и настройки работы всех компонентов от использования ультразвукового небулайзера пришлось отказаться ввиду его недостаточной производительности для используемого в настоящем эксперименте объема. Рис. 2. Схема лабораторного стенда, включающего герметичный объем (1); съемную перегородку (2); небулайзер (3); мембранный насос (4); термогигрометр (5); счетчик аэрозольных частиц (6); разбавитель (7) и абсолютный фильтр (8) Для экспериментов использовалась деионизованная вода, чтобы исключить при распылении возможность генерации растворов солей, которые привели бы после высыхания к образованию твердых взвешенных частиц. В части проведенной серии экспериментов внутри кубоида устанавливалась сплошная непроницаемая перегородка с площадью перекрытия 95%, которая делила исследуемый объем на предварительную и измерительную камеры в соотношении 1:2. При этом меньшая (предварительная) часть использовалась в качестве камеры для смешения генерируемых небулайзером частиц и паров воды с воздухом и создания однородной смеси. Далее полученная смесь через предусмотренную конструкцией стенда щель естественным путем поступала в большую (измерительную) часть, где проводились измерения температуры, относительной влажности и счетной концентрации взвешенных в воздухе микрочастиц. В части экспериментов к измерительной камере подключался мембранный насос для симуляции принудительной циркуляции воздуха внутри исследуемого объема. Благодаря подключению на вход к камере абсолютного фильтра (задерживавшего все аэрозольные частицы размером более 0.1 мкм) во время работы насоса, откачивающего воздух из камеры, обеспечивалось поступление внутрь исследуемого объема чистого воздуха. Тем самым моделировалась работа системы очистки воздуха, наличие которой для герметичного помещения, как правило, обязательно. В эксперименте использовался счетчик аэрозольных частиц Lighthouse Handheld 3016 (США) с номинальным расходом воздуха 2.8 л/мин (0.1 фт3/мин), идентичный по функционалу и техническим характеристикам счетчику, применявшемуся в ходе 120-дневного изоляционного эксперимента SIRIUS. В настоящем эксперименте с помощью счетчика частиц проводились измерения счетной концентрации раздельно для частиц с размерами 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 2.0 и 5.0 мкм. Так как помещения герметичного жилого модуля в эксперименте SIRIUS серьезно отличались как по устройству, так и по эксплуатации от чистых производственных помещений, для работы в которых предназначены указанные модели счетчиков аэрозолей, то, чтобы исключить возможность превышения максимально допустимой для нормального функционирования счетчика частиц концентрации и получения релевантных данных, на вход счетчика частиц устанавливался разбавитель с коэффициентом разбавления 1:10. Такое разбавление было достаточным для функционирования счетчика частиц типа Handheld, предназначенного для проведения измерений, в том числе в низших классах ИСО 8 - ИСО 9 [9]. По своему устройству разбавитель представляет собой тройник с установленным тонким капилляром на одном входе и абсолютным фильтром на другом. Соотношение сечений капилляра и входа абсолютного (для частиц размером более 0.1 мкм) фильтра и сопротивлений течения воздуха через капилляр и мембранный фильтр обеспечивают искомое экспериментально установленное разбавление входящего аэрозоля в 10 раз. С учетом номинального расхода воздуха используемого в эксперименте счетчика частиц, равного 2.8 л/мин, объем отбираемой прибором пробы из герметичного объема составлял около 0.3 л за 1 мин. Применяемый в эксперименте электронный термогигрометр Center 310 (Тайвань) имеет выносной щуп, что позволяло получать оперативные данные об изменении температуры и относительной влажности внутри герметичного объема. В последней серии экспериментов также использовался мембранный насос производительностью 5 л/мин для моделирования циркуляции воздуха внутри объема с поступлением чистого воздуха через абсолютный фильтр. Герметичность кубоида исключала физическое влияние исследователя, проводящего эксперимент, а также возможные изменения в концентрации и дисперсном составе аэрозоля в помещении, где был установлен стенд, на концентрацию и дисперсный состав аэрозоля внутри кубоида. Таким образом, для целей настоящего эксперимента кубоид обладал достаточной степенью герметичности. Перед каждым экспериментом в кубоиде проводились последовательные измерения влажности и концентрации частиц при выключенном генераторе для подтверждения отсутствия флуктуаций стационарного состояния. Следует отметить, что на протяжении всей серии измерений в течение каждого эксперимента температура оставалась неизменной с точностью 0.1 °С и поэтому ее влияние не учитывалось. В первой серии экспериментов изучалась динамика роста счетной концентрации аэрозолей при возрастающей влажности за счет непрерывно работающего небулайзера и в отсутствие установленной перегородки и принудительной циркуляции воздуха. Генерируемый небулайзером водяной туман, с одной стороны, создавал условия для конденсации влаги на мелких субмикронных твердых частицах аэрозолей, с другой стороны, сам по себе обеспечивал рост счетной концентрации субмикронных частиц в замкнутом объеме. При выключении небулайзера наблюдалось плавное снижение относительной влажности, однако быстрого снижения концентрации частиц в объеме не фиксировалось, что связано, по-видимому, с эффектом накопления аэрозолей в исследуемом объеме. После выключения небулайзера происходила стабилизация счетной концентрации частиц на определенном уровне. Сильнее всего такой эффект наблюдался для частиц 0.3 мкм (рис. 3). Очевидно, рост концентрации частиц размером 0.3 мкм происходил и за счет частиц, генерируемых небулайзером, и за счет укрупнения более мелких частиц, которые в сухом воздухе просто не попадали в диапазон измерения прибора. Укрупнение частиц размером более 0.3 мкм приводило к меньшему изменению их диаметра, соответственно и увеличение концентрации в диапазоне более крупных частиц было меньше. Наконец, для частиц крупнее 2.0 мкм концентрация практически не менялась с изменением влажности (небулайзер практически не генерирует такие крупные частицы, а изменение диаметра частиц за счет укрупнения было слишком мало). Сохранение практически постоянной величины счетной концентрации частиц 0.3 мкм (рис. 3) после выключения небулайзера объясняется очень малой скоростью их седиментации за счет броуновского движения. В следующей серии экспериментов исследовалось изменение счетной концентрации аэрозолей при чередовании последовательных роста и снижения относительной влажности. С помощью небулайзера достигался определенный уровень относительной влажности в замкнутом объеме, после этого он временно выключался и по снижении величины относительной влажности на 10-20% включался вновь. При этом влажность поднималась уже до более высокого уровня. Циклы включения и выключения небулайзера, иными словами роста и снижения относительной влажности, повторялись несколько раз в течение одного измерения. При данных условиях рост счетной концентрации частиц не останавливался с выключением небулайзера, а лишь замедлялся, и возобновлялся, когда небулайзер включался вновь (рис. 4). Как и в предыдущем случае, основные изменения счетной концентрации проявлялись для частиц субмикронного размера и частиц размером 1.0 мкм, в то время как концентрация частиц размером более 2 мкм практически не зависела от уровня относительной влажности, что можно объяснить, как и в предыдущем эксперименте, незначительным влиянием на размер этих частиц укрупнения за счет конденсации водяных паров. Рис. 3. Зависимость счетной концентрации частиц от относительной влажности для частиц размером 0.3 мкм. Выключение небулайзера происходило на 30-й минуте с момента начала измерений Рис. 4. Зависимость счетной концентрации частиц от относительной влажности для частиц размером 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 и 2.0 мкм. Выключение небулайзера происходило на 36-й минуте с момента начала измерений, повторное включение - на 63-й минуте, окончательное выключение - на 87-й минуте Чтобы устранить эффект накопления аэрозоля, распыляемого небулайзером, в исследуемом замкнутом объеме было предложено обеспечить зонирование его внутреннего объема при помощи съемной перегородки. Таким образом, аэрозоль, создаваемый генератором, не поступал напрямую в зону измерений, дополнительно также обеспечивалась сепарация генерируемых небулайзером капель крупных размеров. После внесения дополнений в конструкцию стенда были вновь проведены измерения с периодическим ростом/снижением относительной влажности. На этот раз изменение счетной концентрации частиц отражало (с некоторым запозданием) цикличность изменения влажности, хотя на концентрацию частиц субмикронных размеров по-прежнему влиял эффект накопления, а на концентрацию более крупных частиц - эффект седиментации (рис. 5). Рис. 5. Зависимость счетной концентрации аэрозолей от относительной влажности во времени в условиях сегментирования измерительного объема для частиц размером 0.3, 0.5, 0.7 и 1.0 мкм Для более точного воспроизведения ситуации, которая наблюдалась в герметичном объекте в ходе 120-суточного изоляционного эксперимента SIRIUS, и более полной симуляции работы системы воздухоподготовки любого герметичного помещения была организована принудительная циркуляция воздуха внутри кубоида. Для этих целей использовался мембранный насос с заявленной производительностью 5 л/мин, который подключался к измерительной камере кубоида. Насос откачивал воздух из герметичного объема, одновременно с этим очищенный воздух поступал внутрь кубоида через абсолютный фильтр. При этом снова повторялась процедура предыдущих двух серий экспериментов, когда проводились несколько циклов включения и выключения генератора водяного тумана. Как и в случае с предыдущей серией экспериментов, наблюдались сдвиги пиков счетной концентрации относительно пиков относительной влажности, однако временной сдвиг их появления уже был минимальным (рис. 6). При этом выключение небулайзера и следующее за ним снижение влажности сопровождались соразмерным снижением счетной концентрации частиц аэрозолей. Для частиц крупных (более 2 мкм) размеров счетная концентрация существенно не изменялась и незначительно колебалась относительно начального уровня. По-видимому, сегментирование измерительного объема (как и задумывалось) существенно снизило вклад частиц, генерируемых небулайзером, в величину измеряемой счетной концентрации и позволило более «чисто» выделить именно эффект укрупнения размеров частиц за счет водяного пара. Рис. 6. Зависимость счетной концентрации аэрозолей от относительной влажности в условиях сегментирования измерительного объема и принудительной циркуляции воздуха для частиц размером 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 и 2.0 мкм. Выключение небулайзера происходило на 54-й, 135-й и окончательное - на 226-й минутах с момента начала измерений; повторное включение - на 80-й и 165-й минутах Выводы Зависимость счетной концентрации взвешенных в воздухе частиц от роста относительной влажности - интуитивно понятный процесс, однако он разнонаправлен: концентрация мелкодисперсных частиц растет за счет конденсации, а количество относительно крупных аэрозолей сокращается из-за седиментации, поэтому конечный эффект не всегда очевиден. В «обычных» (бытовых и производственных) помещениях он обычно не проявляется за счет интенсивного обмена воздуха с окружающей средой. В то же время в герметично замкнутых обитаемых помещениях, где всегда присутствует рециркуляция воздуха, эффект зависимости счетной концентрации аэрозольных частиц от роста относительной влажности проявляется отчетливо и с очень небольшой временной задержкой. В результате проведенной серии лабораторных экспериментов с замкнутым герметичным объемом удалось воспроизвести и объяснить взаимосвязь счетной концентрации взвешенных в воздухе микрочастиц и относительной влажности внутри объема в отсутствие других источников генерации частиц. Полученные результаты качественно совпали с результатами измерений, полученными в условиях 120-суточного изоляционного эксперимента SIRIUS-19 [6, 7]. Таким образом, контроль и поддержание в определенных пределах относительной влажности воздуха в герметичных обитаемых помещениях является обязательным условием для системы воздухоподготовки подобных объектов. В целом, результаты работы подтверждают необходимость и информационную ценность системы мониторинга основных параметров воздушной среды (температура, относительная влажность и счетная концентрация аэрозольных частиц) в герметичных изолированных объектах. Следует рекомендовать обязательное ее проектирование и установку как при будущих экспериментах SIRIUS (намечен восьмимесячный изоляционный эксперимент, а затем - годовое исследование), так и в иных герметичных изолированных объектах, наиболее типичными примерами которых являются разного рода убежища, подводные лодки, самолеты, космические станции и, в недалеком будущем, лунные базы [10].

Скачать электронную версию публикации