Вікно з електростатичним захистом від пилу, диму та вірусів
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
У статті розглянуто аерозолі природного та штучного походження, які можуть бути небезпечні для здоров’я людини або безпосередньо, або як носії вірусів. Проаналізовано вплив таких аерозолів на організм людини. Відмічено, що найбільш небезпечними для людини є частинки субмікронних розмірів, оскільки вони не затримуються верхніми дихальними шляхами і потрапляють у легені. Є певна схожість у дії наночастинок диму і коронавірусу на легені. Ця схожість проявляється у тому, що альвеоли у відповідь починають виділяти окиснювачі, які пошкоджують легені і викликають важкі форми пневмонії та серцево-судинних захворювань.
Для очищення повітря приміщень використовують механічні, електричні (електростатичні) та хімічні фільтри, причому найкращу фільтрацію забезпечують системи з поєднанням усіх трьох типів фільтрів.
Аналіз процесів, які протікають в електростатичному фільтрі, показує, що використовувані електродні напруги (більше 10 кВ) призводять до генерації озону, який за накопичення у приміщенні негативно впливає на організм людини. У статті проаналізовано, за яких умов можливе використання менших напруг для підтримання коронного розряду, необхідного для електризації аерозолів та їх осадження на електродах. Для цього розглянуто дію на аерозолі електричного поля електродів різної конфігурації.
Розраховано електричну та діелектрофорезну сили, які діють на субмікронні частинки в неоднорідному електричному полі двох паралельних проводів. Продемонстровано, що частина цього поля є ідентичною полю між проводом та заземленим пластинчатим електродом, розташованим посередині між проводами. Це дозволяє за допомогою відомого співвідношення для електричного поля двопровідної лінії розрахувати градієнт поля та дію діелектрофорезної сили на нейтральні частинки.
Частинки диму та пилу вже несуть негативний заряд і для їх переміщення достатньо більш-менш однорідного електричного поля. Для фільтрації нейтральних крапельок води, інфікованих вірусом, потрібне або поле з великим градієнтом, або коронний розряд. У статті показано, що поляризація частинок в електричному полі викликає злипання частинок, причому більш крупні частинки швидше осідають на електродах фільтра.
Для створення електричного поля з потрібним градієнтом запропоновано використовувати електродну систему у вигляді пар пластинчатих та загострених електродів. Використання для пластинчатого електроду оксиду індію-олова забезпечить його прозорість. Загострені електроди традиційно виготовляють з вольфраму, що убезпечує вістря електрода від оплавлення, але високу твердість та теплостійкість мають і більш сучасні матеріали, такі як карбід кремнію, вуглецеві нанотрубки та кремнієві нановолокна.
Повітряні фільтри, які використовують для очищення повітря приміщень, зазвичай непрозорі ні для світла, ні для звуку. У статті запропоновано конструкцію прозорого електростатичного фільтру, який може бути використаний для захисту повітря приміщень від зовнішнього диму, пилу або вірусів. Такий фільтр може бути вбудований у вікно приміщення для очищення повітря, яке надходить ззовні, або використаний у тих закладах, де потрібно розділити простір відвідувачів і простір персоналу, залишаючи можливість візуального та аудіо контакту.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
"Household air pollution and health", WHO, 2021. [Online]. Available: https://www.who.int/en/news-room/fact-sheets/detail/household-air-pollution-and-health [accessed: Sep. 22, 2021].
N. G. Mowbray et al., “Safe management of surgical smoke in the age of COVID-19,” BJS, vol. 107, no. 11, OUP, pp. 1406–1413, May 03, 2020. doi: 10.1002/bjs.11679.
C.-S. Wang, “Electrostatic forces in fibrous filters—a review,” Powder Technol., vol. 118, no, 1–2, Elsevier BV, pp. 166–170, Aug. 2001. DOI: 10.1016/s0032-5910(01)00307-2.
K. Golubenko, E. Rozanov, I. Mironova, A. Karagodin, and I. Usoskin, “Natural Sources of Ionization and Their Impact on Atmospheric Electricity,” Geophys. Res. Lett., vol. 47, no. 12, AGU, Jun. 18, 2020. DOI: 10.1029/2020gl088619.
J. O. Anderson, J. G. Thundiyil, and A. Stolbach, “Clearing the Air: A Review of the Effects of Particulate Matter Air Pollution on Human Health,” J. Med. Toxicol., vol. 8, no. 2, SSBM LLC, pp. 166–175, Dec. 23, 2011. DOI: 10.1007/s13181-011-0203-1.
J. P. Duguid, “The size and the duration of air-carriage of respiratory droplets and droplet-nuclei,” Epidemiol. Infect., vol. 44, no. 6, CUP, pp. 471–479, Sep. 1946. DOI: 10.1017/s0022172400019288.
H. Zhang, D. Li, L. Xie, and Y. Xiao, “Documentary Research of Human Respiratory Droplet Characteristics,” Procedia Eng., vol. 121. Elsevier BV, pp. 1365–1374, 2015. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.09.023.
V. Stadnytskyi, C. E. Bax, A. Bax, and P. Anfinrud, “The airborne lifetime of small speech droplets and their potential importance in SARS-CoV-2 transmission,” Proc. of the Nat. Acad. of Sci., vol. 117, no. 22, PNAS, pp. 11875–11877, May 13, 2020. DOI: 10.1073/pnas.2006874117
T. Dbouk and D. Drikakis, “On pollen and airborne virus transmission,” Phys. Fluids, vol. 33, no. 6, AIP Publishing, p. 063313, Jun. 2021. DOI: 10.1063/5.0055845.
Y. Liu et al., “Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals,” Nature, vol. 582, no. 7813, SSBM LLC, pp. 557–560, Apr. 27, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2271-3.
A. Seaton, D. Godden, W. MacNee, and K. Donaldson, “Particulate air pollution and acute health effects,” Lancet, vol. 345, no. 8943, Elsevier BV, pp. 176–178, Jan. 1995. DOI: 10.1016/s0140-6736(95)90173-6.
S. L. Daniels, “‘On the ionization of air for removal of noxious effluvia’ (Air ionization of indoor environments for control of volatile and particulate contaminants with nonthermal plasmas generated by dielectric-barrier discharge),” IEEE Trans. Plasma Sci. IEEE Nucl. Plasma Sci. Soc., vol. 30, no. 4, IEEE, pp. 1471–1481, Aug. 2002. DOI: 10.1109/tps.2002.804211.
J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 1998. ISBN 978-0-471-30932-1.
F. Peek, Dielectric phenomena in high voltage engineering, 3rd ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 1929.
S. G. Jennings, “The mean free path in air,” J. Aerosol Sci., vol. 19, no. 2, Elsevier BV, pp. 159–166, Apr. 1988. DOI: 10.1016/0021-8502(88)90219-4.
L. L. Yuan, “Sheltering effects of buildings from biological weapons,” Sci. Glob., vol. 8, no. 3, Informa UK Ltd., pp. 329–355, Jan. 2000. DOI: 10.1080/08929880008426481.
V. Stadnytskyi, C. E. Bax, A. Bax, and P. Anfinrud, “The airborne lifetime of small speech droplets and their potential importance in SARS-CoV-2 transmission,” PNAS, vol. 117, no. 22, pp. 11875–11877, May 13, 2020. DOI: 10.1073/pnas.2006874117.
H H. A. Pohl, Dielectrophoresis: The behavior of neutral matter in nonuniform electric fields. Cambridge, NY, USA: Cambridge Univ. Press, 1978.
Lord Rayleigh, “XX. On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity,” Lond. Edinb. Dublin philos. mag. j. sci., vol. 14, no. 87, Informa UK Ltd., pp. 184–186, Sep. 1882. DOI: 10.1080/14786448208628425.
C. Liu et al., “Transparent air filter for high-efficiency PM2.5 capture,” Nat. Commun., vol. 6, no. 1, SSBM LLC, Feb. 16, 2015. DOI: 10.1038/ncomms7205.
R. C. Smith, R. D. Forrest, J. D. Carey, W. K. Hsu, and S. R. P. Silva, “Interpretation of enhancement factor in nonplanar field emitters,” A Appl. Phys., vol. 87, no. 1, AIP Publishing, p. 013111, Jul. 04, 2005. DOI: 10.1063/1.1989443.
