Исследование воздействия температуры возгонки металлов на их льдообразующие свойства в условиях высокой относительной влажности

Объектом исследования являются кластеры из нановолокон оксидов металлов. В работе приводятся результаты исследования льдообразующих свойств кластеров из нановолокон оксидов цинка и алюминия. В ходе лабораторного моделирования эксперименты проводились в условиях, приближенных к реальным, − в искусственной облачной среде при отрицательных температурах. Использован комплекс аппаратуры, в составе которого малая и большая облачные камеры, которые соединены друг с другом посредством трубы. В малую облачную камеру закладывается реагент и запускается водяной пар. После создания искусственного тумана проводится термическая возгонка реагента и вносится смесь в большую облачную камеру. На дне камеры открываются подложки для сбора частиц реагента образующихся ледяных кристаллов. Затем частицы реагента и ледяные кристаллы изучаются под оптическим и электронным микроскопами. Выявлены особенности синтеза кластеров из нановолокон оксидов металлов и удельного выхода в зависимости от температуры возгонки, относительной влажности в облачной камере. Как показали эксперименты, при возгонке металлов при высоких температурах (800–2000 °С) в присутствии воды образуются кластеры, которые состоят из плотно упакованных наночастиц (нитевидных нановолокон и нанотрубок). Кластеры, попадая в облачную среду, наполняются водой и срабатывают активные зоны, образуются кристаллы льда. По данным экспериментов оксиды металлов обладают неплохими льдообразующими свойствами, особенно в температурном диапазоне –8 … –9 °С. Для оксида цинка этот показатель составляет порядка 1013 частиц с 1 грамма. Оксид алюминия проявляет меньшую льдообразующую активность. Результаты экспериментов показывают, что имеется принципиальная возможность и целесообразность использования кластеров из нановолокон оксидов металлов в качестве добавки к штатному пиротехническому составу или как самостоятельных льдообразующих реагентов.

1. Хучунаев Б. М., Байсиев Х.-М. X., Геккиева С. О., Будаев А. X. Пиротехнический состав для воздействия на переохлажденные облака // Патент на изобретение RU 2714191 C1, 12.02.2020. Заявка № 2019125518 от 12.08.2019.

2. Fajardo C., Costa G., Ortiz L. T., Nande M., Rodnguez-Membi-bre M. L., Martin M., Sanchez-FortOn S. Potential risk of acute toxicity induced by Agl cloud seeding on soil and freshwater biota // Ecotoxicol Environ Saf. 2016. Vol. 133. P. 433-441. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2016.06.028. Epub 2016 Aug 9. PMID: 27517140.

3. Ватиашвили М. P Оценка влияния на окружающую среду йодистого серебра, применяемого в противоградовой защите // Наука. Инновации. Технологии. 2018. № 2. С. 7-24.

4. Siddiqi K. S., Rahman A. U., Tajuddin, Husen A. Properties of Zinc Oxide Nanoparticles and Their Activity Against Microbes // Nanoscale Res Lett. 2018. Vol. 13(1). Art. No. 141. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2532-3. PMID: 29740719; PMCID: PMC5940970.

5. Землянова М. А., Зайцева Н. В., Степанков М. С. Особенности токсического действия нано- и микрочастиц оксида алюминия при многократной ингаляционной экспозиции // Гигиена и санитария. 2023. № 102(5). С. 502-508. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2023-102-5-502-508

6. Francis Arul Prakash, Dushendra Babu G. J., Lavanya M., Vidhya K. Shenbaga, Devasena T. Toxicity studies of aluminium oxide nanoparticles in cell lines // International Journal of Nanotechnology and Applications. 2011. No. 5. P. 99-107.

7. Лиев К. Б., Кущев С. А. Анализ экономической эффективности противоградовых работ в Российской Федерации // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2021. № 602. С. 124-133.

8. Абшаев М. Т., Абшаев А. М., Барекова М. В., Малкарова А. М. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. Нальчик: ВГИ, 2014. С. 314-318.

9. Колосков Б. П., Корнеев В. П., Щукин Г. Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов. СПб: РГГ-МУ, 2012. 342 с.

10. Калов X. М. Физические основы, методы и средства активных воздействий на грозо-градовые облака и туманы / X. М. Калов, Р X. Калов. Нальчик: Изд-во М. и В. Котляровых (Полиграфсервис и Т), 2010. 219 с.: ил., табл.: 22 см..; ISBN 978-5-93680-409-0.

11. Ким Н. С. и др. Пиротехнический состав для активного воздействия на переохлажденные облака и туманы / Н. С. Ким, А. Г. Шилин, В. С. Поносов, М. С. Резников, И. Н. Шакиров, П. А. Несмеянов, Б. Н. Дубинин, В. Н. Стасенко, В. П. Корнеев // Патент на изобретение RU 2309439 C1, 27.10.2007. Заявка № 2006121150/28 от 14.06.2006 .

12. Agrawal K., Shimizu S., Drahushuk L. et al. Observation of extreme phase transition temperatures of water confined inside isolated carbon nanotubes // Nature Nanotech. 2017. No. 12. P. 267-273. https://doi.org/10.1038/nnano.2016.254

13. Pascal T. A., Goddard W. A., Jung Y. Entropy and the driving force for the filling of carbon nanotubes with water // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. Jul 19. No. 108(29). P. 1179411798. https://doi.org/1073/pnas.1108073108. Epub 2011 Jun 27. PMID: 21709268; PMCID: PMC3141970.

14. Shayeganfar F, Beheshtian J., Shahsavari R. First-Principles Study of Water Nanotubes Captured Inside Carbon / Boron Nitride Nanotubes. Langmuir. 2018. No. 34(37). P. 11176-11187. Publication Date: August 23, 2018 https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b00856

15. Хучунаев Б. М. и др. Экспериментальные исследования льдообразующей эффективности пиротехнического состава АД-1 с добавками цинка / Б.М. Хучунаев, Х.-М.Х. Байсиев, С.О. Геккиева, А.Х. Будаев // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2020. № 597. С. 51-60.

16. Kyakuno H., Matsuda K., Yahiro H., Inami Y., Fukuoka T., Miyata Y., Yanagi K., Maniwa Y., Kataura H., Saito T., Yu-mura M., lijima S. Confined water inside single-walled carbon nanotubes: global phase diagram and effect of finite length // J Chem Phys. 2011. No. 134(24). Р 244-501. https://doi.org/10.1063/1.3593064. PMID: 21721637.

17. Мишенина Л. Н., Шелковников В. В. Справочные материалы по химии: учеб.-мет. пособие. 2-е изд., доп. и перераб. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. 89 с.