Если квалифицировать вредные примеси как химические соединения первого порядка, то сегодня, наряду с этими соединениями, существенное влияние на организм человека могут оказывать химические соединения второго порядка, которые, как правило, образовываются на любой высокоразвитой поверхности как внутри помещений, в самих системах вентиляции и кондиционирования воздуха, так и в организме человека. Иными словами, процесс новообразований может протекать как в крупнодисперсных системах, так вплоть до ультрадисперсных, а это уже уровень наносистем. В таких системах определяющее влияние на процессы оказывают поверхностные явления, которые необходимо учитывать при создании систем вентиляции и кондиционирования воздуха. И, если ведущим специалистам в области климатизации зданий еще только предстоит разработать новые технологии по обеспечению качества воздуха в помещениях, то проектировщики уже сегодня обязаны это делать в условиях, когда при использовании старых технологий обеспечить качество воздуха в помещении проблематично, а новых технологий попросту не существует. Поэтому попробуем рассмотреть, на какие же процессы внутри организма человека может оказывать влияние обработанный в климатической системе воздух. Как отмечает исследователь П. Оле Фангер [1]: «…обычно в воздухе присутствуют сотни и даже тысячи химических веществ, каждое из которых имеет небольшую концентрацию, а мы обладаем весьма ограниченной информацией о влиянии этих веществ на здоровье и комфорт людей…». Сегодня для непосредственного определения качества воздуха в помещении используется реакция органов чувств человека (сенсорная реакция). В основу сенсорного измерения качества воздуха заложены такие сенсорные единицы, как ощущаемое качество внутреннего воздуха, выражаемого в количестве людей (в %), не удовлетворенных его качеством, а сенсорную нагрузку загрязнения предложено выражать в ольфах (единицах обоняния). Эти измерения сформировали базу для стандартов и предписаний по системам вентиляции (CEN, 1998; ASHRAE, 2004).Между тем, П. Оле Фангер подчеркивает, что на практике эта «философия» стандартов определяет посредственное качество воздуха, которым недовольно большее количество людей, чем ожидалось, что документально зафиксировано в результатах многих исследований в реальных условиях, в зданиях по всему миру (построенных по этим стандартам).Метод сенсорного измерения качества воздуха предусматривает решение одновременно двух задач: если обеспечиваем комфортные условия для человека, тогда, соответственно, должно обеспечиваться и качество воздуха в помещении. Но сложные химико-биологические процессы, происходящие в организме человека, могут приводить к существенным искажениям реакции организма человека в целом на воздействие воздуха с определенным физическими параметрами и химическим составом. По всей видимости, по этой причине метод сенсорного измерения качества воздуха оказался недостаточно эффективным. Попробуем разделить эти задачи и рассмотреть обеспечение качества воздуха в помещении независимо от комфортных условий для человека. Обеспечение качества воздуха в помещении Метод сенсорного измерения качества воздуха предусматривает исследование связи между качеством воздуха и различными заболеваниями за длительный период времени с привлечением большого количества людей. На наш взгляд, такая экспериментальная база для исследования, как «человек», является не совсем удачным выбором. Не обходим другой, более простой объект для исследования, который позволил бы в короткие сроки понять механизм воздействия химических соединений, находящихся в воздухе помещения на организм человека. Таким объектом для исследований могут быть кристаллы, которые образуются в пористых средах. В предыдущей статье [2] мы предположили, что если экспериментально будет установлено, что процесс образования твердой фазы в легких все таки имеет место, тогда могут существенно измениться и требования к климатическим системам. На сегодняшний день биоминералогия [3] уже ответила на этот вопрос. Биоминералы и причины появления новообразований патогенного характера в организме человека Минералы (слаборастворимые соединения), возникающие в живом организме и называемые биоминералами, обнаружены практически во всех тканях и органах человека и животных. Это зубные камни и камни слюнных желез, минеральные отложения в легких, сосудах, на сердечных клапанах, в селезенке, предстательной и поджелудочной железах, в мышцах и суставах, в злокачественных опухолях и в виде высыпаний на коже (табл. 1). Биоминералы подразделяются на физиогенные, участвующие в построении живого организма (зубы, кости), и патогенные, которые входят в состав различных новообразований патогенного характера, не свойственных живому организму и возникающих при нарушении в его функционировании. Биоминералы неразрывно связаны с органическим веществом, образуя с ним единый органоминеральный агрегат (ОМА), где органическая составляющая не является пассивной, а активно участвует в появлении какой-либо минеральной компоненты. Список минералов, встречающихся в ОМА, весьма значителен и включает сейчас более 80 единиц органического и неорганического состава. Причину появления новообразований патогенного характера специалисты в области биоминералогии связывают с резким ухудшением экологической обстановки и подчеркивают, что частота встречаемости патогенных ОМА и распространенность их по составу распределены неравномерно по разным территориям на планете. Здесь играют роль и специфика местных условий (жесткость воды, климат и пр.) и род занятий человека, тип питания и экологическая обстановка в данном регионе. В настоящий момент ученые и воздух включили в список факторов, влияющих на рост заболеваний, приводящих к возникновению минеральных патообразований. Следует отметить, что в данном случае создание единой нормативной базы для всех регионов России будет затруднено. Для одних регионов эти требования будут завышены, для других — занижены. Поэтому уже сегодня аргумент, что качество воздуха в помещении можно обеспечить климатической системой, которая соответствует существующим нормам, по крайней мере, не совсем корректен. Учесть же специфику конкретного региона или населенного пункта может проектировщик при проектировании. Это проектировщик, способный управлять процессами в дисперсных средах, поэтому далее рассмотрим механизм новообразований в двух и более компонентных системах. Метод кристаллизации в гелях, как дополнение к биоминералогии Если биоминералогия рассматривает процесс образования минералов в биологических системах, то метод кристаллизации в гелях — в любых двухкомпонентных системах. Положительной особенностью этого метода является возможность постоянного визуального наблюдения за процессами возникновения кристаллов и управления их образованием и ростом. Структура и свойства гелей К материалам, которые обычно называют гелями [4], относят не только силикагель с эффективными диаметрами пор порядка 5–16 нм (т.е. гели кремневой кислоты), но также агарагар (углеводный полимер, получаемый из водорослей), желатин (вещество, родственное простым белкам), зеленые мыла (калиевые соли высших жирных кислот), целый ряд олеатов и стеаратов, поливиниловый спирт и водные растворы различных гидроокисей. Ближе всего к гелям по структуре стоят золи, также представляющие собой двухкомпонентные системы, похожие больше на жидкости, нежели на твердые тела. Существуют также гибридные среды, которые состоят из небольших желеобразных частиц, отделенных друг от друга относительно большими областями жидкой фазы. Такие среды называют «коагелями». Гели образуются из суспензий или растворов путем установления поперечных связей между молекулами одного компонента, причем возникает трехмерная система. Такая система заключена в сплошную среду второго компонента. Поэтому гель можно рассматривать как полимер со слабыми перекрестными связями. Если дисперсионной средой служит вода, то такой материал называют «гидрогелем» (именно он образуется в поддоне сплит-системы в процессе эксплуатации).Основной метод роста Если гель содержит винную кислоту, а вторым реагентом служит приблизительно одномольный раствор хлористого кальция (рис. 1), то спустя некоторое время в геле образуются слаборастворимые кристаллы тетрагидрата виннокислого кальция (тартрата кальция):H2C4H4O6 + CaCl2 →← →← CaC4H4O6 + 2HCl.Если концентрация кислоты чрезмерно высока, то могут образовываться кристаллы виннокислого натрия в виде длинных прозрачных игл. Кристаллы тартрата кальция можно получать не только с помощью CaCl2, но и любой другой растворимой соли кальция, например его ацетата. Используя различные кислоты и соли металлов, можно получить множество других кристаллов. Среди кристаллов, которые хорошо образуются и растут в гелях, можно назвать следующие: тартраты аммония, меди, кобальта, стронция, железа и цинка, оксалаты кадмия и серебра, вольфрамат кальция, иодид свинца, сульфат кальция, кальцит и арагонит, сульфиды свинца и марганца, металлический свинец, медь, золото и др. Кроме того, вовсе не обязательно, чтобы гель был кислым, а основу его совсем не обязательно должен составлять метасиликат натрия; может быть использован, например, силикагель разных марок или гели агарагар. Есть множество примеров роста кристаллов в других вязких средах, как природных, так и искусственных — например, льда в мороженом, тартратов в сыре, серы в резине, солей цинка в сухих элементах, рост кристаллов тиомочевины в соединительных тканях и человеческих костях. Американский химик Дж. Драпер вместо обычных гелей использовал мелкий песок и одиночную капиллярную трубку — оказалось, что и в таких системах можно получать кристаллы. Если организм человека рассматривать как пористую систему, тогда образование биоминералов в биологических системах должно идти по тем же законам, что и образование кристаллов в гелях. Для нас важное значение имеет тот экспериментальный факт, что необязательно, чтобы второй реагент был в виде раствора. Вместо раствора можно использовать газообразные реагенты при различных давлениях, и вполне возможно, что именно этот механизм может приводить к образованию минеральных патообразований в организме человека. Но тогда систему «человек–окружающий воздух» можно моделировать как «гель–газообразные реагенты».Механизм образования кристаллов в гелях Кристаллы в гелях растут, как правило, в микротрещинах (полостях) в пересыщенном растворе. Но как может образоваться кристалл в поре с эффективным диаметром порядка 5–16 нм? По этому поводу в лаборатории голографической интерферометрии Сыктывкарского государственного университета были проведены исследования. Гель на основе метасиликата натрия и винной кислоты, помещался в голографическую установку, поверх геля заливался раствор хлористого кальция с концентрацией, не приводящей к образованию кристаллов. В начальный момент времени на интерферограммах фиксировались горизонтальные интерференционные полосы, характерные процессу встречной диффузии хлористого кальция и винной кислоты в геле. Со временем интерференционные полосы постепенно начали изгибаться под углом в 90°. При достижении в геле определенной концентрации хлористого кальция происходила моментальная релаксация, т.е. интерференционные полосы снова становились горизонтальными, а в геле появлялись полости, различимые невооруженным глазом. Этот процесс повторялся с определенной последовательностью вслед за диффузией хлористого кальция по столбу геля ко дну кюветы. Объяснить образование полостей было возможно только тем, что внутри геля возникали мощные внутренние напряжения, которые снимались с самопроизвольным объединением пор в микротрещину. Для проверки этой гипотезы были поставлены дополнительные эксперименты. Для получения дополнительного зародышеобразования кристаллов тартрата кальция в равновесной системе «гель–раствор» необходимо было перераспределить концентрацию исходных компонентов между объемной и поверхностной фазами в геле, в соответствии с уравнением Гиббса [5]:где: cs и c — поверхностная и объемная концентрации компонента, соответственно; σ — поверхностное натяжение; δ — толщина поверхности разрыва. С целью деформации геля, т.е. искусственного перевода поверхности геля из статического состояния в динамическое, в двух пробирках были получены кристаллы тартрата кальция примерно с одинаковым распределением по столбу геля. В течение полугода эти системы пришли в равновесие, т.е. образование и рост кристаллов в геле прекратился. После этого одну из пробирок поместили в ультразвуковую ванну. Воздействие ультразвуком на гель вызвало дополнительное массовое зародышеобразование по всему столбу геля. Кювету с гелем пропитали хлористым кальцием. Концентрация хлористого кальция была подобрана таким образом, что образования кристаллов тартрата кальция не наблюдалось, но раствор в порах был насыщенным. После чего эту кювету поместили под рентгеновское излучение. Результат превзошел все ожидания: там где прошел рентгеновский луч, образовались кристаллы. По всей видимости, рентгеновское излучение также переводит поверхность геля из статического состояния в динамическое. Кроме того, в ранних работах специалистов в области исследования роста кристаллов в гелях уже было установлено влияние видимого и ультрафиолетого излучения на интенсивность зарождение кристаллов тартрата кальция в гелях. Выражение для прочности тела со средним размером трещин (пора, как и трещина, тоже является дефектом структуры) можно представить в виде: Отсюда следует, что, помещая тело в различные среды (жидкости) и изменяя поверхностное натяжение, мы можем управлять развитием трещин в ту или другую сторону, тем самым увеличивая или уменьшая механическую прочность тела. Наибольшее понижение прочности тела возможно при максимальном уменьшении поверхностного натяжения, т.е. контакте с родственной жидкостью. Итак, можно понизить прочность тела до такой степени, что может наступить полное разрушение тела. Два куска одного и того же геля поместили: первый — в раствор неразбавленного жидкого стекла, второй — в концентрированный раствор хлористого кальция. Кусок геля в растворе жидкого стекла через два часа разрушился без остатка, а в растворе хлористого кальция произошло частичное разрушение каркаса геля, при этом размер пор в верхних слоях геля резко возрос. По результатам данных экспериментов был сделан вывод, что в гелях первопричиной образования кристаллов является эффект Ребиндера (cнижение прочности твердых тел вследствие обратимого физикохимического влияния среды), т.е. уменьшение удельной свободной поверхностной энергии твердых тел, и, как следствие, уменьшение активности образования новых поверхностей во время процессов деформации и разрушения. Динамическая поверхность может перераспределить концентраций исходных компонентов между поверхностной и объемной фазами так, что в объемной фазе может наступить пересыщение раствора и, как следствие этого, образование твердой фазы (кристалла). Но тогда возникает, по крайней мере, два вопроса:1. Если воздух является поставщиком ионов тяжелых металлов в легкие человека, то у ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС должны были бы наблюдаться самопроизвольные разрывы мембран в их организме (подтверждающих данных у нас нет)?2. Не является ли эффект Ребиндера причиной самопроизвольного образования микротрещин в пористой кровле «Трансваальпарка», что, в свою очередь, могло привести к появлению мостиков холода, а отрицательная температура наружного воздуха завершила процесс разрушения с последующим обрушением кровли здания? Появление эффекта Ребиндера на границе раздела «воздух–кровля» с дальнейшим продвижением его внутрь кровли могли быть вызваны ошибками либо в проекте системы вентиляции либо в эксплуатации. Вывод Если специалисты в биоминералогии считают, что рост числа заболеваний приводит к возникновению минеральных патообразований, то, используя метод кристаллизации в гелях, можно предположить, что окружающая среда стимулирует образование биоминералов в живом организме, а возникшие минеральные патообразования могут приводить к различным заболеваниям. Отсюда следует вывод, что основная задача проектировщика по обеспечению качества воздуха в помещении на сегодняшний день заключается в том, чтобы не допустить образования патогенных биоминеральных образований в организме человека, связанных с воздухом, обработанным в климатической системе. Можно предположить, что социальная ответственность проектировщика из года в год будет только возрастать. ❏ 1. Оле Фангер П. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате // АВОК, №2/2006. 2. Гошка Л.Л. Качество воздуха в помещении с точки зрения специалиста в области исследования роста кристаллов в гелях // Журнал «С.О.К.», №3/2007. 3. Пальчик Н.А., Столповская В.Н. Минералы внутри нас // Вестник РФФИ, №4/1998. 4. Гениш Г. Выращивание кристаллов в гелях. — М.: Мир, 1973. 5. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. — М.: Издво Моск. унта, 1982.