Фредерик Гарднер Коттрелл¶

Фредерик Гарднер Коттрелл (англ. Frederick Gardner Cottrell; 10 января 1877, Окленд, Калифорния — 16 ноября 1948, Беркли, Калифорния) — американский физикохимик, изобретатель и предприниматель. Наиболее известен как создатель электростатического фильтра (электрофильтра) для очистки промышленных газов от взвешенных частиц, а также как основатель некоммерческой организации Research Corporation (ныне Research Corporation for Science Advancement), занимающейся поддержкой научных исследований.

¶Биография

¶Ранние годы и образование

Фредерик Гарднер Коттрелл родился в Окленде, штат Калифорния, в семье Генри Коттрелла и Элизабет Гарднер. В 1896 году он окончил Калифорнийский университет в Беркли со степенью бакалавра по химии. Затем продолжил обучение в Лейпцигском университете, где в 1902 году под руководством Вильгельма Оствальда защитил докторскую диссертацию, посвящённую электрохимии.

¶Научная и изобретательская деятельность

После возвращения в США Коттрелл работал в Калифорнийском университете в Беркли, а затем в Бюро горной промышленности США (U.S. Bureau of Mines). В 1906 году он начал разработку устройства для улавливания твёрдых частиц из дымовых газов, выбрасываемых промышленными предприятиями. Основной проблемой было загрязнение воздуха вблизи заводов по производству серной кислоты, цемента и металлургических комбинатов. В 1907 году Коттрелл получил первый патент на электростатический фильтр (US Patent No. 895,729), который впоследствии стал известен как «коттрелловский фильтр».

Принцип работы устройства основан на ионизации частиц в газовом потоке под действием высокого напряжения (обычно 20–100 кВ) и последующем осаждении их на электродах. Это позволило значительно снизить выбросы пыли и аэрозолей в атмосферу. Первый промышленный электрофильтр был установлен в 1908 году на заводе по производству серной кислоты вблизи города Пиньоль (Калифорния). Изобретение быстро нашло применение в цементной, металлургической, химической и энергетической промышленности.

¶Основание Research Corporation

В 1912 году Коттрелл передал патентные права на электрофильтр некоммерческой организации Research Corporation, которую он основал совместно с коллегами. Целью организации было использование доходов от лицензирования патентов для финансирования фундаментальных научных исследований. Research Corporation стала одной из первых организаций, поддерживающих науку через механизм «патентной благотворительности». Коттрелл также передал организации права на свои последующие изобретения, включая методы получения гелия из природного газа.

¶Поздние годы

В 1918–1920 годах Коттрелл занимал пост директора Бюро горной промышленности США. В 1920-х годах он участвовал в разработке методов разделения изотопов урана и создания первых газовых центрифуг. В 1930-х годах его исследования были связаны с проблемами коррозии материалов и электрохимическими процессами. В 1940-х годах он консультировал правительство США по вопросам промышленной безопасности и очистки воздуха. Умер 16 ноября 1948 года в Беркли.

¶Электростатический фильтр (электрофильтр)

¶Принцип действия

Электрофильтр Коттрелла представляет собой устройство, в котором газовый поток проходит через систему электродов. На коронирующий электрод (обычно тонкая проволока или игла) подаётся высокое напряжение, создающее электрическое поле высокой напряжённости. Вблизи электрода возникает коронный разряд, ионизирующий молекулы газа. Образовавшиеся ионы заряжают взвешенные частицы (пыль, туман, дым). Заряженные частицы под действием электрического поля движутся к осадительному электроду (обычно пластина или труба), где теряют заряд и оседают. Очищенный газ выходит из устройства, а осаждённый материал удаляется механически (встряхиванием, промывкой) или гидравлически.

¶Конструкция и модификации

Существует два основных типа электрофильтров: сухие (для улавливания твёрдых частиц) и мокрые (для улавливания жидкостей и аэрозолей). В сухих фильтрах осаждённый слой удаляется встряхиванием, в мокрых — смывается водой или другими жидкостями. Электрофильтры могут быть одно- и многоступенчатыми, с различной конфигурацией электродов (пластинчатые, трубчатые, игольчатые). Современные электрофильтры оснащаются системами автоматического регулирования напряжения и контроля эффективности.

¶Применение

Электрофильтры Коттрелла широко используются в:

• Цементной промышленности (очистка газов от вращающихся печей);
• Металлургии (улавливание пыли при выплавке стали, чугуна, цветных металлов);
• Химической промышленности (очистка газов при производстве серной кислоты, удобрений, красителей);
• Энергетике (очистка дымовых газов тепловых электростанций);
• Пищевой промышленности (улавливание мучной пыли, сахарной пыли);
• Производстве строительных материалов (асфальт, керамика).

Эффективность очистки современных электрофильтров достигает 99,9 % для частиц размером от 0,1 до 100 мкм.

¶Research Corporation for Science Advancement

¶История и миссия

Research Corporation была основана в 1912 году как некоммерческая организация, управляющая патентами Коттрелла. Её уставной целью было «содействие научным исследованиям в области физики, химии и смежных наук». В 1920-х годах организация финансировала работы по созданию циклотрона Эрнеста Лоуренса, разработке электронного микроскопа и исследованиям в области ядерной физики. В 1960-х годах Research Corporation начала поддерживать гранты для молодых учёных. В 1990-х годах организация была переименована в Research Corporation for Science Advancement (RCSA). На сегодняшний день RCSA является одним из крупнейших частных фондов, финансирующих фундаментальные исследования в США.

¶Влияние на науку

Благодаря доходам от патентов Коттрелла организация смогла профинансировать сотни проектов, включая работы нобелевских лауреатов (например, Лайнуса Полинга, Уильяма Шокли). Модель «патентной благотворительности» стала примером для других организаций, таких как Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF) и MIT Technology Licensing Office.

¶Другие изобретения и достижения

¶Методы получения гелия

В 1910-х годах Коттрелл разработал промышленный метод извлечения гелия из природного газа. Этот процесс включал сжижение газа и фракционную перегонку. В 1917 году, во время Первой мировой войны, метод был использован для производства гелия для дирижаблей ВМС США. Коттрелл также участвовал в создании первых установок для разделения изотопов урана.

¶Разделение изотопов

В 1920-х годах Коттрелл совместно с коллегами работал над методами разделения изотопов урана-235 и урана-238. Он предложил использовать газовые центрифуги, однако технология не была реализована в промышленных масштабах до 1940-х годов. Его работы заложили основы для будущих проектов по обогащению урана.

¶Электрохимия и коррозия

Коттрелл внёс вклад в понимание электрохимических процессов коррозии металлов. Он разработал методы защиты стальных конструкций от коррозии с помощью катодной защиты. Эти методы применяются до сих пор в нефтегазовой и морской промышленности.

¶Память и наследие

• В 1937 году Коттрелл был избран членом Национальной академии наук США.
• В его честь названа медаль Коттрелла (Cottrell Medal), присуждаемая Research Corporation за выдающиеся достижения в науке.
• Имя Фредерика Коттрелла носит кратер на Луне (Cottrell, диаметр 11 км, координаты 8,5° ю. ш., 35,5° в. д.).
• В 1990 году он был включён в Зал славы изобретателей (National Inventors Hall of Fame).
• В Калифорнийском университете в Беркли учреждена стипендия имени Коттрелла для студентов-химиков.

¶Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, электрофильтры Коттрелла имеют ряд недостатков. Они требуют высокого напряжения, что создаёт опасность поражения электрическим током. При работе с горючими газами возможно воспламенение. Эффективность очистки снижается при высоком содержании влаги или при улавливании частиц с высоким электрическим сопротивлением (например, некоторых видов цементной пыли). В современных условиях электрофильтры часто заменяются рукавными фильтрами или скрубберами, однако в ряде отраслей они остаются незаменимыми.