При мониторинге состава воздуха на космической станции «Мир» были обнаружены повышенные концентрации вредных веществ (порядка 10-102 мг/м3). После одного года пилотирования по большинству веществ концентрация превышала предельно допустимую, при этом в полете была выявлена более высокая загрязненность воздуха по сравнению с наземным экспериментом, что связано с появлением техногенных загрязнений от работы механизмов.
Реализация космических орбитальных полетов на околоземной орбите, а также планирование и осуществление межпланетных полетов предполагают создание максимально замкнутой системы жизнеобеспечения нового поколения с использованием новых конструкций и материалов и применением интенсивных физико-химических процессов регенерации.
При появлении такого агрессивного вируса, как COVID-19, для регенерации и очистки воздуха в герметичных обитаемых объектах гражданского и военного назначения, учитывая масштаб мероприятий, требуются естественные дешевые и эффективные материалы. К таким материалам относится, в частности, цеолит. Однако новые материалы обусловливают необходимость создания новых конструкций, форм и составов химических компонентов, способных нейтрализовать действие коронавируса и одновременно очистить воздух.
С применением цеолита можно изготавливать пластины типа штукатурки, обои на стены, щиты, маски, мембраны, кассеты для респираторов. Это позволит сделать защитные средства многоразовыми, а некоторые из них установить в жилых и общественных помещениях. Для усиления эффекта обмена воздуха со штукатуркой, обоями, пластинами, щитами предлагается с помощью существующих или специально сделанных фильтровентиляционных устройств поддерживать напор воздуха. Перед проведением дезинфекции с продувкой воздуха вентилятором необходимо закрыть окна и двери в помещениях, подлежащих обработке.
Для индивидуальной защиты от коронавируса предлагается изготавливать многоразовые мембраны, кассеты, пластины с покрытием их цеолитовой суспензией.
На сегодняшний день можно говорить о трех типичных модификациях мембранных элементов: плоской, рулонной, трубчатой в виде полых волокон.
Трубчатые мембраны представляют собой трубки диаметром от нескольких миллиметров до 1-2 см, изготовленные из пористого материала - цеолита. Они могут быть симметричными или асимметричными. Симметричная мембрана имеет одинаковую пористость по всему объему материала. У асимметричной же трубки на одной из поверхностей, наружной или внутренней, при изготовлении формируют тонкий слой такого же или другого материала с гораздо большей плотностью. Этот слой и является работающим, так как именно он определяет задерживающую способность мембраны. Более крупнопористый материал играет роль подложки с дренажными свойствами.
Мембраны в виде полых волокон тоже имеют трубчатую форму, но диаметр трубок составляет обычно от 0,1 до 0,5 мм. Из-за их малого размера в единицу объема фильтровального аппарата можно поместить огромное количество волокон, а суммарная рабочая поверхность таких мембран будет в десятки и даже сотни раз выше, чем у трубчатых мембран большого диаметра. Имея развитую рабочую поверхность, половолоконные фильтры обладают и гораздо большей по сравнению с трубчатыми производительностью при прочих равных условиях - давлении, размере пор и т.д. Но обладая высокой плотностью упаковки, волокна имеют и самый толстый рабочий слой мембраны (относительно всей толщины стенки), поэтому их пропускная способность в пересчете на единицу рабочей поверхности может уступать мембранам других типов.
Рулонные мембраны выполнены в виде пакета материалов, герметично соединенных между собой по периметру. При этом внутренняя трубка изготовлена из непроницаемого для газа полимера, а внешняя часть, в которой содержится адсорбент, - из пористого полимера. В качестве адсорбента рекомендуем использовать цеолит с высоким содержание кремнезема, например ZSM5, или другие материалы типа молекулярных сит - MCM41 или MCM48.
Природные цеолиты (клиноптилолиты и др.), являющиеся молекулярными ситами, могут очищать воздух от бактерий, грибков и вирусов. Через цеолиты, способные пропускать через себя молекулы воды размером 0,25-0,28 мкм, не проходят молекулы непатогенной кишечной палочки М-17 (E. coli М-17), имеющие размерность 0,4-3,0 мкм, молекулы энтерококка (Str. faecalis - фекальный стрептококк) размером 0,6-2,5 мкм и тем более крупные шаровидные молекулы короновируса размером 75-160 мкм.
Плоские мембраны производят в виде пленок, покрытых цеолитовой суспензией. Они могут быть бесподложечными (однородное вещество), армированными (с тканевой основой и нанесенным на нее пористым материалом) и подложечными (с подложкой из крупнопористого материала и нанесенным рабочим слоем).
Процесс мембранного разделения основан на различной способности компонентов газов воздуха проникать через пористое препятствие - мембрану. Данный метод более предпочтителен для удаления молекул коронавируса и СО2, поскольку он требует меньше энергии, чем методы химической (газ-жидкость) и адсорбционной (газ - твердое тело) очистки. Неорганические мембраны в основном изготавливаются из цеолитов типа NaY, KY и пористых стекол. Они разделяются на две структурные группы - пористые и плотные. В пористых мембранах верхний слой состоит из пористого металла или керамики, которые обеспечивают механическую прочность при малом сопротивлении переносу воздуха. Такие мембраны характеризуются высокой проницаемостью, но низкой селективностью. Плотные неорганические мембраны состоят из тонкого слоя пленок из металлов, таких как палладий и его сплавы (Pd-Ag, Pd-Au, Pd-Cu, Pd-Pt и др.). Эти мембраны имеют высокую селективность, но малую проницаемость из-за очень низких коэффициентов диффузии по CO2 в твердых веществах.
Существуют различные методы мембранной очистки. Один из них состоит в том, что удаление диоксида углерода проводится с использованием ионообменных мембран на основе цеолитов жабазитового типа. Активный компонент иммобилизован внутри пористой структуры несущей мембраны за счет капиллярных сил. Ионный обмен в порах мембраны происходит за счет диффузионных сил или под воздействием невысокого давления на мембрану. Такие мембраны являются предпочтительными из-за их высокой селективности, проницаемости и экологичности.
Для повышения эффективности действия защитные устройства типа щитов, экранов, предназначенные для нейтрализации коронавируса, могут подключаться к электрическим устройствам. Под действием электрических токов на катоде и аноде будут происходить электрохимические процессы с улавливанием на барьерах коронавирусных молекул.
Выводы
Предлагается нестандартный способ защиты людей от коронавируса на объектах военного (убежища гражданской обороны, корабли, подводные лодки, космические станции и др.) и гражданского (учебные учреждения, больницы, кинозалы, теплоходы, поезда и др.) назначения с помощью различных изделий с использованием природного вещества - цеолита и цеолитовой суспензии. Цеолитовый материал является многофункциональным: он не только нейтрализует молекулы коронавируса, но и очищает воздух от многих вредных газов. Наиболее эффективны цеолиты с высоким содержанием кремнезема (такие как ZSM5) или материалы типа молекулярных сит - МСМ41 и МСМ48. Основное технологическое решение базируется на свойствах мембран с фильтрами из высокоэффективных сорбентов - цеолитов. Нейтрализация молекул коронавируса через пористое препятствие-мембрану является эффективным, поскольку требует меньше энергии, чем другие методы.
Основываясь на практике применения цеолитов в медицинских целях, можно полагать, что использование этого материала в устройствах (мембранах, кассетах, пластинах, щитах, экранах), предназначенных для защиты от коронавируса, является безопасным для человека.
По материалам исследований готовится патент на изобретение совместно с ООО «Даль- цеолит», которое уже имеет ряд аналогичных изобретений (например, патенты на изготовление фильтров для очистки воды, биологической очистки сточных вод, на способ снижения содержания железа в воде и др.). Свои технологические решения и разработки компания «Дальцеолит» неоднократно представляла на Межрегиональной Приамурской торгово-промышленной ярмарке и в 2004 г. была удостоена золотой медали за бытовой фильтр «Цеолитовый» для очистки питьевой воды. Разработка данного фильтра отмечена также дипломом Всероссийского выставочного центра. В 2003 г. компании как участнику Недели высоких технологий в Санкт-Петербурге вручен диплом «За содействие в развитии научно-промышленного комплекса». Компания «Дальцеолит» награждена также дипломом Министерства образования и науки Российской Федерации за активное участие в Первой международной выставке «Перспективные технологии XXI века», состоявшейся в мае 2004 г. в Москве.
Литература
1. Аксель-Рубинштейн В.З. Санитарная химия атмосферы гермообъектов. СПб.: Пресс-Сервис, 2010. 354 с.
2. Андерсон УЛ., Снайдерс Р. А. Эволюция веществ в замкнутой атмосфере // Человек под водой и в космосе: пер. с англ. М.: Воениздат, 1967. С. 35-45.
3. Беляков Е.О. Построение петрофизических моделей фильтрационно-емкостных свойств текстурно-неоднородных терригенных коллекторов: на примере отложений АВ1 Самотлорского и БТ Яро-Яхинского и Заполярного месторождений : автореф. дис. ... к.г.-м.н. / Тюменский гос. нефтегазовый ун-т. Тюмень, 1998. 27 с.
4. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. М.: Мир, 1976. 781 с.
5. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Дворецкий С.И. Системы и средства регенерации и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов. М.: Изд. дом «Спектр», 2016. 203 с.
6. Гладышева Т.В., Гладышев Н.Ф., Дворецкий С.И., Суворова Ю.А. Известковые хемосорбенты. Получение. Свойства. Применение. М.: Изд. дом «Спектр», 2015. 184 с.
7. Григорьев А.И., Баранов В.М., Синяк Ю.Е. и др. Результаты эксплуатации комплекса систем жизнеобеспечения космической станции «Мир» // XII конференция по космической биологии и авиакосмической медицине: материалы конф., 10-14 июня 2002 г., Москва. М., 2002. С. 308-309.
8. Казьмин Л.А., Мухина A.M. Особенности образования цеолитов в корах выветривания туфов основного состава // Литогенез, рудоносность и цеолиты. Николаевск-на-Амуре, 1987. С. 68-69.
9. Каймаков А.К., Кобзарь К.П., Волков Н.Е. и др. О цеолитоносности главной железорудной зоны Тургая // Изв. АН КазССР Серия геол. 1986. № 2. С. 66-70.
10. Карабаев М.С., Исмаилов М.И., Шааков Б.Б. Цеолиты Сарытауского вольфрамового месторождения (Восточный Букантау, Центральные Кызыл-Кумы) // Узб. геол. журн. 1985. № 6. С. 67-70.
11. Самсонов Н.М., Бобе Л.С., Гаврилов Л.И. и др. Опыт работы регенерационных систем жизнеобеспечения экипажей на космических станциях «Салют», «Мир» и МКС // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2008. Т. 42, № 6-1. С. 10-12.
12. Al-Tawfiq J.A., Memish Z.A. Update on therapeutic options for Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV) // Expert review of anti-infective therapy. 2017. Vol. 15, N 3. С. 269-275.
13. Behzadi M.A., Leyva-Grado V.H. Overview of current therapeutics and novel candidates against influenza, respiratory syncytial virus, and Middle East respiratory syndrome coronavirus infections // Front. Microbiol. 2019. Vol. 10. P 13-27.
14. Chen N., Zhou M., Dong X. et al. Epidemiological and clinical characteristics of 99 cases of 2019 novel coronavirus pneumonia in Wuhan, China: a descriptive study // Lancet. 2020. Vol. 395. P. 507-513. DOI: 10.1016/S0140- 6736(20)30211-7.
15. Sheppard R.A. Zeolites in Sedimentary Rocks: professional paper. 820 // United States mineral resources / eds D.A. Brobst, W.P. Pratt. Washington, DC: USGS, 1973. P. 689-695. DOI: 10.3133/pp820.