Лабораторные исследования конденсационных свойств кластеров оксида цинка

Объектом исследования являются кластеры из наночастиц оксида цинка. В данной статье представлены результаты исследований конденсационных свойств оксида цинка как перспективного реагента для рассеяния туманов. Как известно оксид цинка (ZnO) является гидрофильным веществом, однако его свойства в отношении воды могут меняться в зависимости от условий, в которых он находится, и от структуры его поверхности. Исследования были проведены на лабораторных установках Высокогорного геофизического института в искусственной облачной среде при положительных температурах. Использован комплекс аппаратуры, в составе которого большая облачная камера, счетчик частиц, генератор тумана. В большую облачную камеру закладывают реагент, создают искусственный туман и проводят термическую возгонку реагента. Перед возгонкой и после нее проводят отбор проб счетчиком частиц. На дне облачной камеры открывают подложки для сбора капель, которые изучают микроскопом. Для определения гигроскопической точки оксида цинка образец оксида цинка размещают под стеклянным колпаком и создают вакуум при определенной температуре. Постепенно вносят водяной пар, повышая относительную влажность и определяют количество адсорбированной воды. В результате было установлено, что при возгонке оксида цинка начинает успешно адсорбироваться больше водяного пара уже при относительной влажности 75–80 % и образовываются более крупные капли. Благодаря гигроскопичной микроструктуре ZnO, которая притягивает большое количество водяного пара и быстрее превращает его в жидкость, концентрация капель размером 10 мкм увеличивается в 20 раз, а концентрация капель в 25 мкм увеличивается в 9 раз относительно фона.

Получено, что искусственный туман полностью рассеивается через 5 минут после внесения оксида цинка. Без воздействия реагентом видимость в облачной камере начала меняться через 15 минут и туман полностью рассеялся в течение 25 минут.

1. Смерек Ю. Л., Волкова В. И., Барекова М. В., Бадахова Г. Х. Климатология туманов в Центральном Предкавказье // Наука. Инновации. Технологии. 2023. № 2. С. 143–176.

2. Симакина Т. Е., Крюкова С. В. Основы активных воздействий на атмосферные процессы: учебное пособие / Симакина Т.Е., Крюкова С.В. Санкт-Петербург: РГГМУ, 2024. 98 с.

3. Бекряев В. И. Некоторые вопросы физики облаков и активных воздействий на них: учебное пособие / В. И. Бекряев. Санкт-Петербург: Российский государственный гидрометеорологический университет, 2007. 337 c.

4. Доронин А. П. Воздействия на атмосферные процессы и явления / Учебное пособие. – СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2014. 292 с.

5. Калов Х. М., Калов Р. Х. Активные воздействия на теплые туманы и инструментальное определение их эффективности // Наука. Инновации. Технологии. 2019. № 1. С. 145–162.

6. Ватиашвили М. Р., Джанелидзе И. С. Исследование морских хлоридов и выбор наиболее эффективных в качестве гигроскопических реагентов в проектах по искусственному регулированию осадков и подавлению града // Инновационные методы и средства исследований в области физики атмосферы, гидрометеорологии, экологии и изменения климата: сборник трудов Второй международной научной конференции с элементами научной школы / под ред. М. Т. Абшаева, Г. Х. Бадаховой, В. И. Волковой. Ставрополь, 2015. С. 75–79.

7. Патент на изобретение RU 2781216 C1. Устройство для рассеивания тумана: № 2021124742: заявл. от 20.08.2021: опубл. 07.10.2022 / Алексеева А. В., Васильев А. С., Зинкина М. Д., Иванов В. Н., Палей А. А., Писанко Ю. В., Романов Н. П., Савченко А. В., Шилин А. Г.; заявитель ФГБУ «НПО «Тайфун». 10 с.

8. Патент на изобретение RU 2771179 C1. Устройство для рассеивания тумана: № 2021132136: заявл. 03.11.2021: опубл. 28.04.2022 / Алексеева А. В., Васильев А. С., Зинкина М. Д., Иванов В. Н., Палей А. А., Писанко Ю. В., Романов Н. П., Савченко А. В., Шилин А. Г.; заявитель ФГБУ «НПО «Тайфун». 9 с.

9. Амелин А. Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Химия, 1972. 304 с.

10. Junge C. Das Wachstum der Kondensationskerne mit der relative Feuchtigkeit // Annalen der Meteorologie. 1950. No. 3. P. 129–135.

11. Мейсон Б. Дж. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 542 с.

12. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 463 с.

13. Хучунаев Б. М., Панаэтов В. П., Хучунаев А. Б. Исследование образования нанотрубок оксида цинка // Устойчивое развитие: проблемы, концепции, модели: материалы Международного симпозиума, посвященного 20-летию создания ФГБУ науки Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2013. С. 61–63.

14. Kenmoe S., Biedermann P.U. Water aggregation and dissociation on the ZnO (10 0) surface // Chem Phys. 2017 Jan 4, №19(2). P. 1466–1486. https://doi.org/10.1039/c6cp07516a

15. Khuchunaev B. M., Gekkieva S. O. Investigations of the Formation of the Ice Phase on the Particles of the Reagent and Zinc Oxide Taking into Account the Influence of the Electric Field Strength. // Zakinyan, R., Zakinyan, A. (eds) Physics of the Atmosphere, Climatology and Environmental Monitoring. PAPCEM 2022. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham, 2023. P. 233–240.

16. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование льдообразующих и конденсационных свойств кристаллогидратов KI, нанотрубок AgI и ZnO и оценка возможности их использования для искусственного вызывания осадков». Отчет о НИР 1.6.6.1. ФГБУ «ВГИ», Нальчик, 2014. 30 с.

17. Tereshchenko A. G. Deliquescence: Hygroscopicity of Water-Soluble Crystalline Solids // J Pharm Sci. 2015 Nov, №104(11). P. 3639–3652. https://doi.org/10.1002/jps.24589

18. Harmon C. W., Grimm R. L., McIntire T. M., Peterson M. D., Njegic B., Angel V. M., Alshawa A., Underwood J. S., Tobias D. J., Gerber R. B., Gordon M. S., Hemminger J. C., Nizkorodov S. A. Hygroscopic growth and deliquescence of NaCl nanoparticles mixed with surfactant SDS. J Phys Chem B.; 2010, №114(7). P. 2435–2449.

19. Предварительные результаты исследования конденсационных и льдообразующих свойств нанотрубок AgI и оксида цинка / В. О. Тапасханов, Б. М. Хучунаев, М. И. Тлисов, А. Б. Хучунаев, Г. В. Куповых. Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2014. № 6. C. 40–43.

20. Liang H., Abshaev M. T., Abshaev A. M., Huchunaev B. M., Griffiths S., & Zou L. Water vapor harvesting nanostructures through bioinspired gradient-driven mechanism. Chemical Physics Letters, 2019, №728. P.167–173.