gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-07-283gscience-747Research ArticleTECHNOLOGICAL SAFETYТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬEvaluation of variation of salt dust hygroscopic aerosol particle size as a function of relative air humidityОценка изменения размера гигроскопического аэрозоля соляной пыли в зависимости от относительной влажности воздухаhttps://orcid.org/0000-0002-4700-0505ЧерныйК. А.ChernyiK. A.

Константин Анатольевич Черный – доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности

г. Пермь

Scopus ID 57739104200

Konstantin A. Chernyi – Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department of Life Safety

Perm

Scopus ID 57739104200

chernyy_k@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9599-7581ФайнбургГ. З.FaynburgG. Z.

Григорий Захарович Файнбург – доктор технических наук, профессор, научный руководитель кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

г. Пермь

Scopus ID 57217891724

Grigorii Z. Faynburg – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Scientific Director of the Department of Mining

Perm

Scopus ID 57217891724

faynburg@mail.ruПермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияPerm National Research Polytechnic UniversityRussian Federation2025180420251013444Copyright © Chernyi K.A., Faynburg G.Z., 20252025Черный К.А., Файнбург Г.З.Chernyi K.A., Faynburg G.Z.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/747

The expansion of mining in potash mines has faced the problem of fresh air shortage, which cannot be solved within the current paradigm of self-contained ventilation. Prospects are related to sequential and recirculation ventilation, as well as the concept of "ventilation on demand", requiring a detailed description of the processes of "self-cleaning" of a mine air from dust. Crushing a rock mass results in the formation of many aerosol hygroscopic salt particles, which in humid air conditions aggregate and settle on a drift floor. Accurate mathematical models are necessary for predicting the dispersion of these particles and associated gases. The paper considers the regularities and mechanisms of the effect of relative air humidity on the size of salt dust particles, aerosol hygroscopic salt particles of halite (NaCl) and sylvin (KCl). The interactions at the contact "salt surface – humid air" are described and the current understanding of the hysteresis processes and the stages of deliquescence and efflorescence (recrystallization) of hygroscopic aerosol particles are considered. Due to the fundamental difficulties of using modern experimental electronic equipment in the conditions of underground mines, data on oceanic aerosols of the same chemical composition were involved in the analysis. A number of models of hygroscopic growth of oceanic aerosol particles were reviewed and then adapted to the conditions of a potash mine atmosphere that made it possible to obtain average values of the factor of a salt aerosol particle hygroscopic growth. The good convergence of the known scientific data on the changes of the hygroscopic growth factor depending on relative air humidity for both oceanic aerosol and salt dust aerosol characteristic of a mine air was shown. The obtained theoretical-empirical data characterizing the changes in the size of salt particles depending on relative humidity were tested in model studies with salt aerosol. Young's model was proposed to interpret and predict the changes in the size distribution of salt aerosol particles. The heuristic value of the proposed approach was confirmed by the example of the Young's model record in log-log coordinates. The results of the study can be applied to calculate the processes of dust conditions formation in rock-salt and potash mines.

Расширение масштабов добычи полезных ископаемых в калийных рудниках столкнулось с проблемой нехватки свежего воздуха, которую невозможно решить при текущей парадигме автономного проветривания. Перспективы связаны с последовательным и рециркуляционным проветриванием, а также концепцией «вентиляции по требованию», требующими детального описания процессов «самоочистки» рудничной атмосферы от пыли. Разрушение горных пород сопровождается выбросом солевых аэрозолей, которые во влажной атмосфере укрупняются и осаждаются на поверхность. Для прогнозирования распространения этих частиц и сопутствующих газов необходимы точные математические модели. В статье рассматриваются закономерности и механизмы влияния относительной влажности воздуха на динамику размера соляной пыли – гигроскопических аэрозольных соляных частиц галита (NaCl) и сильвина (KCl). Описаны взаимодействия при контакте «соляная поверхность – влажный воздух» и рассмотрено современное представление о процессах гистерезиса, а также об этапах растворения и обратной кристаллизации гигроскопических аэрозольных частиц. В связи с принципиальными сложностями использования современного экспериментального электронного оборудования в условиях подземных рудников в анализ вовлечены данные по океаническим аэрозолям того же химического состава. На основе анализа ряда моделей гигроскопического роста океанических аэрозолей проведена их адаптация к условиям атмосферы калийного рудника, что позволило получить усредненные значения фактора гигроскопического роста соляной аэрозоли. Для океанического аэрозоля и соляной пыли рудничной атмосферы наблюдается хорошее соответствие известных данных динамики фактора гигроскопического роста от влажности воздуха. Полученные теоретико-эмпирические данные, характеризующие изменения размера соляных частиц в зависимости от относительной влажности, апробированы в модельных исследованиях с соляным аэрозолем. Для интерпретации и прогнозирования изменений размерного распределения соляных аэрозольных частиц предложено использовать модель Юнга. На примере записи модели Юнга в двойных логарифмических координатах подтверждена эвристическая ценность предложенного подхода. Результаты исследования могут быть применены для расчета процессов формирования пылевой обстановки в каменно-соляных и калийных рудниках.

калийный рудникпроветриваниебезопасностьатмосферааэрозольгалитсильвинсильвинитсоляная пыльрастворениекристаллизацияфактор гигроскопического ростаспелеотерапиямодельhalitesylvinesylvinitepotash minesalt dustaerosol particlessize distributionhygroscopic growth factorNo financial supportReferencesФайнбург Г. З. Проблемы становления новой парадигмы проветривания системы горных выработок рудных шахт. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2024;(1): 450–465.Faynburg G. Z. Problems in developing a new ventilation paradigm of mining system ore mines. Proceedings of the Tula States University – Sciences of Earth. 2024;1: 450–465. (In Russ.)Исаевич А. Г., Файнбург Г. З., Мальцев С. В. Экспериментальное исследование динамики изменения фракционного состава соляного аэрозоля в комбайновом забое калийного рудника. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022;1: 60–71. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_1_0_60Isaevich A. G., Fainburg G. Z., Maltsev S. V. Experimental study of the changes dynamics in the fractional composition of salt aerosol in the cutting loading machine face of a potash mine. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2022;(1):60–71. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_1_0_60Семин М. А., Исаевич А. Г., Жихарев С. Я. Исследование оседания пыли калийной соли в горной выработке. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2021;(2):178–191. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20210218Semin M. A., Isaevich A. G., Zhikharev S. Y. The analysis of potash salt dust deposition in roadways. Journal of Mining Science. 2021;57(2):341–353. https://doi.org/10.1134/S1062739121020186Isaevich A., Semin M., Levin L. et al. A. Study on the dust content in dead-end drifts in the potash mines for various ventilation modes. Sustainability. 2022;14(5): 3030. https://doi.org/10.3390/su14053030Isaevich A., Semin M., Levin L. et al. A. Study on the dust content in dead-end drifts in the potash mines for various ventilation modes. Sustainability. 2022;14(5): 3030. https://doi.org/10.3390/su14053030Медведев И. И., Красноштейн А. Е. Борьба с пылью на калийных рудниках. М.: Недра; 1977. 192 с.Medvedev I. I., Krasnoshteyn A. E. Dust control in potash mines. Moscow: Nedra Publ. House; 1977. 192 p. (In Russ.)Сметанин М. М. Система обеспечения безопасности по пылевому фактору в калийных рудниках. Записки Горного института. 2006;168:37–40.Smetanin M. M. Safety system for dust factor in potash mines. Journal of Mining Institute. 2006;168:37–40. (In Russ.)Файнбург Г. З., Черный К. А. Естественнонаучные основы нетрадиционного использования соляных горных пород Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей. Монография. Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2018. 212 с.Faynburg G. Z., Chernyi K. A. Natural scientific basis for the unconventional use of salt rocks from the Verkhnekamskoye deposit of potassium-magnesium salts. Monograph. Perm: Publ. House of Perm National Research Polytechnic University; 2018. 212 p. (In Russ.)Кудряшев А. И. Верхнекамское месторождение солей. М.: Геокнига; 2013. 185 с.Kudryashev A. I. Verkhnekamskoe salt deposit. Moscow: Geokniga; 2013. 185 p. (In Russ.)Ибламинов Р. Г. Коллизия и литогенные полезные ископаемые Пермского Урала. В: Проблемы минералогии, петрографии и металлогении: научные чтения памяти П.Н. Чирвинского. 2024;27:50–58. https://doi.org/10.17072/chirvinsky.2024.50Iblaminov R. G. Сollision and lithogenic minerals of Permian Urals. In: Problems of Mineralogy, Petrography and Metallogeny: Memory Scientific Readings of P. N. Chirvinsky. 2024;27:50–58. (In Russ.) https://doi.org/10.17072/chirvinsky.2024.50Файнбург Г. З., Черный К. А. Физические свойства соляных горных пород, формирующие специфические параметры воздушной среды. Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2023;(1): 67–80.Fainburg G. Z., Chernyi K. A. Physical properties of salt rocks, which are forming specific parameters of air environment. Proceedings of the Tula States University – Sciences of Earth. 2023;(1): 67–80. (In Russ.)Pinterich T., Spielman S. R., Wang Y. et al. A humidity-controlled fast integrated mobility spectrometer (HFIMS) for rapid measurements of particle hygroscopic growth. Atmospheric Measurement Techniques. 2017;10(12):4915–4925. https://doi.org/10.5194/amt-10-4915-2017Pinterich T., Spielman S. R., Wang Y. et al. A humidity-controlled fast integrated mobility spectrometer (HFIMS) for rapid measurements of particle hygroscopic growth. Atmospheric Measurement Techniques. 2017;10(12):4915–4925. https://doi.org/10.5194/amt-10-4915-2017Kaloshin G. A. Modeling the Aerosol Extinction in Marine and Coastal Areas. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2021;18(3):376–380. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2980866Kaloshin G. A. Modeling the Aerosol Extinction in Marine and Coastal Areas. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2021;18(3):376–380. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2980866Kanngießer F., Kahnert M. Modeling optical properties of non-cubical sea-salt particles. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2021;126(4):e2020JD033674. https://doi.org/10.1029/2020JD033674Kanngießer F., Kahnert M. Modeling optical properties of non-cubical sea-salt particles. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2021;126(4):e2020JD033674. https://doi.org/10.1029/2020JD033674Rosati B., Christiansen S., Dinesen A. et al. The impact of atmospheric oxidation on hygroscopicity and cloud droplet activation of inorganic sea spray aerosol. Scientific Reports. 2021;11:10008. https://doi.org/10.1038/s41598-021-89346-6Rosati B., Christiansen S., Dinesen A. et al. The impact of atmospheric oxidation on hygroscopicity and cloud droplet activation of inorganic sea spray aerosol. Scientific Reports. 2021;11:10008. https://doi.org/10.1038/s41598-021-89346-6Zeng J., Zhang G., Long S. et al. Sea salt deliquescence and crystallization in atmosphere: An in situ investigation using X-ray phase contrast imaging. Surface and Interface Analysis. 2013;45(5):930–936. https://doi.org/10.1002/sia.5184Zeng J., Zhang G., Long S. et al. Sea salt deliquescence and crystallization in atmosphere: An in situ investigation using X-ray phase contrast imaging. Surface and Interface Analysis. 2013;45(5):930–936. https://doi.org/10.1002/sia.5184Lewis E. R., Schwartz S. E. Comment on “size distribution of sea-salt emissions as a function of relative humidity”. Atmospheric Environment. 2006;40(3):588–590. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2005.08.043Lewis E. R., Schwartz S. E. Comment on “size distribution of sea-salt emissions as a function of relative humidity”. Atmospheric Environment. 2006;40(3):588–590. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2005.08.043Wise M. E., Biskos G., Martin S. T. et al. Phase transitions of single salt particles studied using a transmission electron microscope with an environmental cell. Aerosol Science and Technology. 2005;39(9):849–856. https://doi.org/10.1080/02786820500295263Wise M. E., Biskos G., Martin S. T. et al. Phase transitions of single salt particles studied using a transmission electron microscope with an environmental cell. Aerosol Science and Technology. 2005;39(9):849–856. https://doi.org/10.1080/02786820500295263Mikhailov E., Vlasenko S., Niessner R., Poschl U. Interaction of aerosol particles composed of protein and salts with water vapor: hygroscopic growth and microstructural rearrangement. Atmospheric Chemistry and Physics. 2004;4(2):323–350. https://doi.org/10.5194/acp-4-323-2004Mikhailov E., Vlasenko S., Niessner R., Poschl U. Interaction of aerosol particles composed of protein and salts with water vapor: hygroscopic growth and microstructural rearrangement. Atmospheric Chemistry and Physics. 2004;4(2):323–350. https://doi.org/10.5194/acp-4-323-2004Kanngießer F., Kahnert M. Optical properties of water-coated sea salt model particles. Optics Express. 2021;29(22):34926–34950. https://doi.org/10.1364/OE.437680Kanngießer F., Kahnert M. Optical properties of water-coated sea salt model particles. Optics Express. 2021;29(22):34926–34950. https://doi.org/10.1364/OE.437680Zieger P., Vaisanen O., Corbin J.C. et al. Revising the hygroscopicity of inorganic sea salt particles. Nature Communications. 2017;8:15883. https://doi.org/10.1038/ncomms15883Zieger P., Vaisanen O., Corbin J.C. et al. Revising the hygroscopicity of inorganic sea salt particles. Nature Communications. 2017;8:15883. https://doi.org/10.1038/ncomms15883Михайлов Е.Ф., Власенко С.С., Рышкевич Т.И. Влияние химического состава и микроструктуры на гигроскопический рост пирогенного аэрозоля. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2008;44(4):450–466.Mikhaylov E.F., Vlasenko S.S., Ryshkevich T.I. Influence of chemical composition and microstructure on the hygroscopic growth of pyrogenic aerosol. Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics, 2008;44(4):416–431. https://doi.org/10.1134/S0001433808040038Wang X., Lei H., Berger R. et al. Hygroscopic properties of NaCl nanoparticles on the surface: a scanning force microscopy study. Physical Chemistry Chemical Physics. 2020;22(18):9967–9973. https://doi.org/10.1039/d0cp00155dWang X., Lei H., Berger R. et al. Hygroscopic properties of NaCl nanoparticles on the surface: a scanning force microscopy study. Physical Chemistry Chemical Physics. 2020;22(18):9967–9973. https://doi.org/10.1039/d0cp00155dPetters M.D., Kreidenweis S.M. A single parameter representation of hygroscopic growth and cloud condensation nucleus activity. Atmospheric Chemistry and Physics. 2007;7(8):1961–1971. https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007Petters M.D., Kreidenweis S.M. A single parameter representation of hygroscopic growth and cloud condensation nucleus activity. Atmospheric Chemistry and Physics. 2007;7(8):1961–1971. https://doi.org/10.5194/acp-7-1961-2007Tijjani B.I., Sha'aibu F., Aliyu A. The Effect of Relative Humidity on Maritime Tropical Aerosols. Open Journal of Applied Sciences. 2014;4(6):299–322. https://doi.org/10.4236/ojapps.2014.46029Tijjani B.I., Sha'aibu F., Aliyu A. The Effect of Relative Humidity on Maritime Tropical Aerosols. Open Journal of Applied Sciences. 2014;4(6):299–322. https://doi.org/10.4236/ojapps.2014.46029Carrico C. M., Petters M. D., Kreidenweis S. M. et al. Water uptake and chemical composition of fresh aerosols generated in open burning of biomass. Atmospheric Chemistry and Physics. 2010;10(11):5165–5178. https://doi.org/10.5194/acp-10-5165-2010Carrico C. M., Petters M. D., Kreidenweis S. M. et al. Water uptake and chemical composition of fresh aerosols generated in open burning of biomass. Atmospheric Chemistry and Physics. 2010;10(11):5165–5178. https://doi.org/10.5194/acp-10-5165-2010Drozd G., Woo J., Häkkinen S. A. K. et al. Inorganic salts interact with oxalic acid in submicron particles to form material with low hygroscopicity and volatility. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14(10):5205–5215. https://doi.org/10.5194/acp-14-5205-2014Drozd G., Woo J., Häkkinen S. A. K. et al. Inorganic salts interact with oxalic acid in submicron particles to form material with low hygroscopicity and volatility. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14(10):5205–5215. https://doi.org/10.5194/acp-14-5205-2014Kreidenweis S. M., Koehler K., DeMott P. J. et al. Water activity and activation diameters from hygroscopicity data – Part I: Theory and application to inorganic salts. Atmospheric Chemistry and Physics. 2005;5(5):1357–1370. https://doi.org/10.5194/acp-5-1357-2005Kreidenweis S. M., Koehler K., DeMott P. J. et al. Water activity and activation diameters from hygroscopicity data – Part I: Theory and application to inorganic salts. Atmospheric Chemistry and Physics. 2005;5(5):1357–1370. https://doi.org/10.5194/acp-5-1357-2005Swietlicki E., Zhou J.C., Covert D.S. et al. Hygroscopic properties of aerosol particles in the north-eastern Atlantic during ACE-2. Tellus. Series B. Chemical and Physical Meteorology. 2000;52(2):201–227. https://doi.org/10.3402/tellusb.v52i2.16093Swietlicki E., Zhou J.C., Covert D.S. et al. Hygroscopic properties of aerosol particles in the north-eastern Atlantic during ACE-2. Tellus. Series B. Chemical and Physical Meteorology. 2000;52(2):201–227. https://doi.org/10.3402/tellusb.v52i2.16093Gysel M., McFiggans G. B., Coe H. Inversion of Tandem Differential Mobility Analyser (TDMA) Measurements. Journal of Aerosol Science. 2009;40(2):134–151. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2008.07.013Gysel M., McFiggans G. B., Coe H. Inversion of Tandem Differential Mobility Analyser (TDMA) Measurements. Journal of Aerosol Science. 2009;40(2):134–151. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2008.07.013Adam M., Putaud J.P., Martins dos Santos S. et al. Aerosol hygroscopicity at a regional background site (Ispra) in Northern Italy. Atmospheric Chemistry and Physics. 2012;12(13):5703–5717. https://doi.org/10.5194/acp-12-5703-2012Adam M., Putaud J.P., Martins dos Santos S. et al. Aerosol hygroscopicity at a regional background site (Ispra) in Northern Italy. Atmospheric Chemistry and Physics. 2012;12(13):5703–5717. https://doi.org/10.5194/acp-12-5703-2012Jing B., Peng C., Wang Y. et al. Hygroscopic properties of potassium chloride and its internal mixtures with organic compounds relevant to biomass burning aerosol particles. Scientific reports. 2017;7:43572. https://doi.org/10.1038/srep43572Jing B., Peng C., Wang Y. et al. Hygroscopic properties of potassium chloride and its internal mixtures with organic compounds relevant to biomass burning aerosol particles. Scientific reports. 2017;7:43572. https://doi.org/10.1038/srep43572Kӧpke P., Hess M., Schult I., Shettle E. P. Global Aerosol Data Set: Report No. 243. Hamburg: Max-Planck-Institut für Meteorologie; 1997. 46 p.Kӧpke P., Hess M., Schult I., Shettle E. P. Global Aerosol Data Set: Report No. 243. Hamburg: Max-Planck-Institut für Meteorologie; 1997. 46 p.Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М.: Мир; 1965. 424 с. (Ориг. вер.: Junge C. E. Air Chemistry and Radioactivity. New York: Academic Press; 1963. 382 p.)Junge C.E. Air Chemistry and Radioactivity. New York: Academic Press; 1963. 382 p. (Trans. ver.: Junge C. E. Air Chemistry and Radioactivity. Moscow: Mir Publ. House; 1965. 424 p. (In Russ.))Янике Р. Проблемы распределения глобального аэрозоля. Успехи химии. 1990;59(10):1654–1675. https://doi.org/10.1070/RC1990v059n10ABEH003569Jaenicke R. Problems of the distribution of the global aerosol. Russian Chemical Reviews. 1990;59(10):959–972. https://doi.org/10.1070/rc1990v059n10abeh003569Васильев А. В. Об использовании аналитических выражений при аппроксимации экспериментально измеренных функций распределения аэрозольных частиц по размерам. В: Естественные и антропогенные аэрозоли: Материалы 3-й международной конференции. Санкт-Петербург, 24–27 сентября 2001 г. С-Пб.: Изд-во ВВМ; 2001. С. 98–103.Vasil'ev A. V. About using of analytical expressions in approximating experimentally measured size distribution functions of aerosol particles. In: Natural and anthropogenic aerosols: Proceedings of the 3rd International Conference. St. Petersburg, 24–27 September 2001. St. Petersburg: VVM Publ. House; 2001. Pp. 98–103. (In Russ.)Исмаилов Ф. И. Атмосферный аэрозоль. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2019. 288 с. https://doi.org/10.36719/2019/288Ismailov F. I. Atmospheric aerosol. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2019. 288 p. (In Russ.) https://doi.org/10.36719/2019/288

The authors declare that there are no conflicts of interest present.