Evaluation of variation of salt dust hygroscopic aerosol particle size as a function of relative air humidity

封面

如何引用文章

全文:

详细

The expansion of mining in potash mines has faced the problem of fresh air shortage, which cannot be solved within the current paradigm of self-contained ventilation. Prospects are related to sequential and recirculation ventilation, as well as the concept of "ventilation on demand", requiring a detailed description of the processes of "self-cleaning" of a mine air from dust. Crushing a rock mass results in the formation of many aerosol hygroscopic salt particles, which in humid air conditions aggregate and settle on a drift floor. Accurate mathematical models are necessary for predicting the dispersion of these particles and associated gases. The paper considers the regularities and mechanisms of the effect of relative air humidity on the size of salt dust particles, aerosol hygroscopic salt particles of halite (NaCl) and sylvin (KCl). The interactions at the contact "salt surface – humid air" are described and the current understanding of the hysteresis processes and the stages of deliquescence and efflorescence (recrystallization) of hygroscopic aerosol particles are considered. Due to the fundamental difficulties of using modern experimental electronic equipment in the conditions of underground mines, data on oceanic aerosols of the same chemical composition were involved in the analysis. A number of models of hygroscopic growth of oceanic aerosol particles were reviewed and then adapted to the conditions of a potash mine atmosphere that made it possible to obtain average values of the factor of a salt aerosol particle hygroscopic growth. The good convergence of the known scientific data on the changes of the hygroscopic growth factor depending on relative air humidity for both oceanic aerosol and salt dust aerosol characteristic of a mine air was shown. The obtained theoretical-empirical data characterizing the changes in the size of salt particles depending on relative humidity were tested in model studies with salt aerosol. Young's model was proposed to interpret and predict the changes in the size distribution of salt aerosol particles. The heuristic value of the proposed approach was confirmed by the example of the Young's model record in log-log coordinates. The results of the study can be applied to calculate the processes of dust conditions formation in rock-salt and potash mines.

作者简介

K. Chernyi

Perm National Research Polytechnic University

Email: chernyy_k@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4700-0505
SPIN 代码: 8877-0277

G. Faynburg

Perm National Research Polytechnic University

Email: faynburg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9599-7581
SPIN 代码: 9626-2952

参考

  1. Файнбург Г. З. Проблемы становления новой парадигмы проветривания системы горных выработок рудных шахт. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2024;(1): 450–465.
  2. Исаевич А. Г., Файнбург Г. З., Мальцев С. В. Экспериментальное исследование динамики изменения фракционного состава соляного аэрозоля в комбайновом забое калийного рудника. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;1: 60–71. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_1_0_60
  3. Семин М. А., Исаевич А. Г., Жихарев С. Я. Исследование оседания пыли калийной соли в горной выработке. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021;(2):178–191. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20210218
  4. Isaevich A., Semin M., Levin L. et al. A. Study on the dust content in dead-end drifts in the potash mines for various ventilation modes. Sustainability. 2022;14(5): 3030. https://doi.org/10.3390/su14053030
  5. Медведев И. И., Красноштейн А. Е. Борьба с пылью на калийных рудниках. М.: Недра; 1977. 192 с.
  6. Сметанин М. М. Система обеспечения безопасности по пылевому фактору в калийных рудниках. Записки Горного института. 2006;168:37–40.
  7. Файнбург Г. З., Черный К. А. Естественнонаучные основы нетрадиционного использования соляных горных пород Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. Монография. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2018. 212 с.
  8. Кудряшев А. И. Верхнекамское месторождение солей. М.: Геокнига; 2013. 185 с.
  9. Ибламинов Р. Г. Коллизия и литогенные полезные ископаемые Пермского Урала. В: Проблемы минералогии, петрографии и металлогении: научные чтения памяти П.Н. Чирвинского. 2024;27:50–58. https://doi.org/10.17072/chirvinsky.2024.50
  10. Файнбург Г. З., Черный К. А. Физические свойства соляных горных пород, формирующие специфические параметры воздушной среды. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2023;(1): 67–80.
  11. Pinterich T., Spielman S. R., Wang Y. et al. A humidity-controlled fast integrated mobility spectrometer (HFIMS) for rapid measurements of particle hygroscopic growth. Atmospheric Measurement Techniques. 2017;10(12):4915–4925. https://doi.org/10.5194/amt-10-4915-2017
  12. Kaloshin G. A. Modeling the Aerosol Extinction in Marine and Coastal Areas. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2021;18(3):376–380. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2980866
  13. Kanngießer F., Kahnert M. Modeling optical properties of non-cubical sea-salt particles. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2021;126(4):e2020JD033674. https://doi.org/10.1029/2020JD033674
  14. Rosati B., Christiansen S., Dinesen A. et al. The impact of atmospheric oxidation on hygroscopicity and cloud droplet activation of inorganic sea spray aerosol. Scientific Reports. 2021;11:10008. https://doi.org/10.1038/s41598-021-89346-6
  15. Zeng J., Zhang G., Long S. et al. Sea salt deliquescence and crystallization in atmosphere: An in situ investigation using X-ray phase contrast imaging. Surface and Interface Analysis. 2013;45(5):930–936. https://doi.org/10.1002/sia.5184
  16. Lewis E. R., Schwartz S. E. Comment on “size distribution of sea-salt emissions as a function of relative humidity”. Atmospheric Environment. 2006;40(3):588–590. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2005.08.043
  17. Wise M. E., Biskos G., Martin S. T. et al. Phase transitions of single salt particles studied using a transmission electron microscope with an environmental cell. Aerosol Science and Technology. 2005;39(9):849–856. https://doi.org/10.1080/02786820500295263
  18. Mikhailov E., Vlasenko S., Niessner R., Poschl U. Interaction of aerosol particles composed of protein and salts with water vapor: hygroscopic growth and microstructural rearrangement. Atmospheric Chemistry and Physics. 2004;4(2):323–350. https://doi.org/10.5194/acp-4-323-2004
  19. Kanngießer F., Kahnert M. Optical properties of water-coated sea salt model particles. Optics Express. 2021;29(22):34926–34950. https://doi.org/10.1364/OE.437680
  20. Zieger P., Vaisanen O., Corbin J.C. et al. Revising the hygroscopicity of inorganic sea salt particles. Nature Communications. 2017;8:15883. https://doi.org/10.1038/ncomms15883
  21. Михайлов Е.Ф., Власенко С.С., Рышкевич Т.И. Влияние химического состава и микроструктуры на гигроскопический рост пирогенного аэрозоля. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2008;44(4):450–466.
  22. Wang X., Lei H., Berger R. et al. Hygroscopic properties of NaCl nanoparticles on the surface: a scanning force microscopy study. Physical Chemistry Chemical Physics. 2020;22(18):9967–9973. https://doi.org/10.1039/d0cp00155d
  23. Petters M.D., Kreidenweis S.M. A single parameter representation of hygroscopic growth and cloud condensation nucleus activity. Atmospheric Chemistry and Physics. 2007;7(8):1961–1971. https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007
  24. Tijjani B.I., Sha'aibu F., Aliyu A. The Effect of Relative Humidity on Maritime Tropical Aerosols. Open Journal of Applied Sciences. 2014;4(6):299–322. https://doi.org/10.4236/ojapps.2014.46029
  25. Carrico C. M., Petters M. D., Kreidenweis S. M. et al. Water uptake and chemical composition of fresh aerosols generated in open burning of biomass. Atmospheric Chemistry and Physics. 2010;10(11):5165–5178. https://doi.org/10.5194/acp-10-5165-2010
  26. Drozd G., Woo J., Häkkinen S. A. K. et al. Inorganic salts interact with oxalic acid in submicron particles to form material with low hygroscopicity and volatility. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14(10):5205–5215. https://doi.org/10.5194/acp-14-5205-2014
  27. Kreidenweis S. M., Koehler K., DeMott P. J. et al. Water activity and activation diameters from hygroscopicity data – Part I: Theory and application to inorganic salts. Atmospheric Chemistry and Physics. 2005;5(5):1357–1370. https://doi.org/10.5194/acp-5-1357-2005
  28. Swietlicki E., Zhou J.C., Covert D.S. et al. Hygroscopic properties of aerosol particles in the north-eastern Atlantic during ACE-2. Tellus. Series B. Chemical and Physical Meteorology. 2000;52(2):201–227. https://doi.org/10.3402/tellusb.v52i2.16093
  29. Gysel M., McFiggans G. B., Coe H. Inversion of Tandem Differential Mobility Analyser (TDMA) Measurements. Journal of Aerosol Science. 2009;40(2):134–151. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2008.07.013
  30. Adam M., Putaud J.P., Martins dos Santos S. et al. Aerosol hygroscopicity at a regional background site (Ispra) in Northern Italy. Atmospheric Chemistry and Physics. 2012;12(13):5703–5717. https://doi.org/10.5194/acp-12-5703-2012
  31. Jing B., Peng C., Wang Y. et al. Hygroscopic properties of potassium chloride and its internal mixtures with organic compounds relevant to biomass burning aerosol particles. Scientific reports. 2017;7:43572. https://doi.org/10.1038/srep43572
  32. Kӧpke P., Hess M., Schult I., Shettle E. P. Global Aerosol Data Set: Report No. 243. Hamburg: Max-Planck-Institut für Meteorologie; 1997. 46 p.
  33. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М.: Мир; 1965. 424 с. (Ориг. вер.: Junge C. E. Air Chemistry and Radioactivity. New York: Academic Press; 1963. 382 p.)
  34. Янике Р. Проблемы распределения глобального аэрозоля. Успехи химии. 1990;59(10):1654–1675. https://doi.org/10.1070/RC1990v059n10ABEH003569
  35. Васильев А. В. Об использовании аналитических выражений при аппроксимации экспериментально измеренных функций распределения аэрозольных частиц по размерам. В: Естественные и антропогенные аэрозоли: Материалы 3-й международной конференции. Санкт-Петербург, 24–27 сентября 2001 г. С-Пб.: Изд-во ВВМ; 2001. С. 98–103.
  36. Исмаилов Ф. И. Атмосферный аэрозоль. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2019. 288 с. https://doi.org/10.36719/2019/288

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».