Аэрозоли

АэрозолиАэрозоли (греч. aer — воздух + нем. Solе — коллоидный раствор) — свободнодисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Термин А. впервые использован английским химиком Ф.Дж. Доннана во время Первой мировой войны для определения облаков ядовитых веществ.

Аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы, за дисперсностью и методами получения. По агрегатному состоянию различают: туманы — системы с жидкой дисперсной фазой; дым, пыль — с твердой фазой. Дымы, образующиеся при сгорании топлива и адсорбируют влагу из атмосферы, является одновременно дымами и туманами. Такие системы существуют над крупными промышленными городами и называются смогом [англ. smog = smoke (дым) + fog (туман)].

По дисперсностью аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяют на дымы с частицами 10-9-10-5 м и пыль, частицы которого> 10-5 м. Туманы содержат капельки размером 10-7-10-5 м, имеющие сферическую форму, частицы дымов могут быть игольчатыми, пластинчатыми, звездообразными и др..

По методам получения различают диспергацийни и конденсационные А. Диспергацийни А. получают при механическом, пневматическом, УЗ-измельчении и распылении твердых тел и жидкостей в форсунках, пульверизатор и других установках. Интересным методом получения А. с жидкой дисперсной фазой, имеющей мельчайшие и к тому же сильно заряженные униполярные частицы, является Электродинамическое распыления жидкостей под действием электрического тока высокого напряжения (20-30 кВ).

Методы диспергации приводят к образованию полидисперсных и относительно грубодисперсных А. Более однородные по размеру и высокодисперсные А. получают конденсационными методами, к которым относят: переход насыщенного пара в жидкое и твердое состояние (напр. образование тумана и облаков), а также химические реакции, приводят к появлению новых жидких или твердых фаз. Обязательным условием возникновения А. путем конденсации является присутствие перенасыщенной пары.

При этом условии А. может образовываться: при охлаждении газовой смеси, содержащей пару; при смешивании газов и пара, имеющих различные температуры, при адиабатическом расширении пара, в результате химических реакций газообразных веществ, когда образуется новая фаза с низким давлением насыщенного пара. Свойства А. обусловливаются: природе вещества дисперсной фазы; природой газового дисперсионной среды; массовой или частинковою концентрацией А. (общей массой или количеством частиц, содержащихся в единице объема А.); средним размером, формой и зарядом частиц дисперсной фазы.

Для радиоактивных аэрозолей необходима дополнительная характеристика радиоактивности (удельная радиоактивность частиц А. и др.).. Особенности А. как дисперсных систем обусловлены низкой вязкостью газового дисперсионной среды, большой разницей в плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды и случайным зарядом частиц А. В связи с этим в высокодисперсных А. ярко выраженная диффузия и интенсивное броуновское движение частиц дисперсной фазы , что приводит к частым столкновениям частиц между собой, их быстрой агрегации в большие агрегаты и, как следствие, к самопроизвольного и быстрого снижения частинковои концентрации А.

Дисперсность А. непрерывно изменяется также и вследствие испарения частиц или конденсации на их поверхности пары (изотермическая перегонка в А.). В микрогетерогенных А., где частицы дисперсионной фазы не участвуют в броуновском движении (в связи с большой массой), происходит быстрая седиментация. Итак, теория броуновского движения Эйнштейна и Смолуховского применима для А. средней дисперсности (10-6 м> r> 10-8 м). С кинетическими свойствами связаны характерные для А. явления термофорезу, фотофорезу и термопреципитации.

Термопреципитации — осаждения частиц А. на холодных поверхностях вследствие потери частицами кинетической энергии. Этим объясняется осаждения пыли на стенках и потолках вблизи радиаторов, ламп, печей и др.. Явление термофорезу заключается в движении частиц А. в направлении снижения температуры. Термофорез возникает вследствие того, что на более нагретый сторону частицы молекулы газа налетают с большей скоростью, чем на менее нагрет, и поэтому оказывают частице импульс в направлении снижения температуры. Фотофорез — это движение частиц А. при одностороннем освещении лучом, он является частным случаем термофорезу. Распределение температуры внутри освещенной частицы в зависимости от размера, формы, прозрачности и коэффициента преломления может быть различным, и частица А. может двигаться как в направлении луча света (положительный фотофорез), так и навстречу ему (отрицательный фотофорез). Явления термофорезу и фотофорезу наблюдаются в атм. А. при образовании и перемещении облаков и туманов.

Аэрозоли являются менее устойчивыми дисперсными системами, чем системы с жидкой дисперсионной средой. Кинетическая устойчивость А. обусловливается их высокой дисперсностью и низкой концентрацией. При оседании частиц ультрамикрогетерогенних А. образуется градиент концентраций, который является движущей силой диффузии частиц в направлении, противоположном седиментации. При равенстве диффузионного и седиментационно потока устанавливается так называемая седиментационно-диффузионная равновесие, которое характеризует термодинамическую устойчивость таких систем. Частичная концентрация на высоте h составляет:

vh = v0 exp (-vg (ρ — ρ0) / kT),

где v0 — частинкова концентрация на высоте h = 0; vh — частинкова концентрация на высоте h; v — объем частицы; g — ускорение силы тяжести; ρ и ρ0 — плотность частиц и среды соответственно; k — константа Больцмана, Т — температура . Мерой термодинамической устойчивости к седиментации является высота he, в течение которого концентрация дисперсной фазы изменяется в е раз.

he = kt / vg (ρ — ρ0).

Чем больше высота he, тем больше седиментационная устойчивость системы. Стойкость увеличивается при повышении температуры, уменьшении размеров частиц и разности в плотности частиц и среды. Агрегативно А. является очень неустойчивыми системами вследствие отсутствия электростатического и адсорбционно-сольватного факторов стабилизации, характерных для лиозоли. Во многих случаях устойчивость А. повышается благодаря присутствию стабилизатора. Стабилизация при этом осуществляется путем приобретения электрического заряда или путем образования защитного слоя на поверхности частицы.

Частицы А. приобретают заряд вследствие адсорбции на ее поверхности газовых ионов, образующихся под действием на газ УФ-, рентгеновского, космических лучей и радиоактивных излучений или за счет трения частиц друг о друга и стенку аппаратуры. Знак заряда частиц А. зависит и от химического состава пыли: основные вещества (CaO, ZnO, MgO, Fe2O3) дают отрицательно заряженный пыль, а кислые (SiO2, P2O5, а также уголь) — положительно заряженный. В отличие от лиозоли, частицы А. не имеют диффузного слоя противоионов, кроме того, частицы А. могут нести различные по знаку и величине заряды или быть нейтральными. При этом высочайшую устойчивость имеют А. с одноименным заряженными частицами (униполярные). Коагуляция аэрозолей является быстрой коагуляцией. Кинетика коагуляции А. описывается уравнением Смолуховского:

v = v0 / (1 + Kv0τ) или v = v0 / (1 + τ / θ),

где v — суммарное число частиц дисперсной фазы до времени τ; v0 — начальная число частиц; θ = 1 / (Kv0) — время половинной коагуляции; K — константа скорости коагуляции. Скорость коагуляции увеличивается с повышением концентрации аэрозоля, под влиянием конвекции, механического перемешивания, УЗ-колебаний. Коагуляции способствует полидисперсностью и анизометрична форма частиц.

На устойчивость туманов особенно влияет температура, поскольку равновесие в них возможна только, если давление насыщенного пара частиц (р) равно давлению насыщенного пара жидкости, из которой они образуются (p0). При р> p0 происходит испарение капель, а при р <р0 — конденсация. При осадке заряженных частиц А. возникает потенциал седиментации. Это явление важно для больших объемов А. В атмосфере при осадке капелек возникают большие электрические поля. Скорость седиментации усиливается конвекцией, в этих условиях достигается напряженность поля Е> 300 В / см, которая соответствует электрическому разряду молнии.

Важнейшие оптические свойства аэрозолей — рассеивание и поглощение света — зависят от размера, формы и природы частиц. Если размер частиц значительно меньше длины волны света, падающего, то А. рассеивает свет и подчиняется закону Рэлея. Этим объясняется голубой цвет неба и красный цвет звезды. Конус Тиндаля (см. Тиндаля эффект) особенно ярко выражен в А. вследствие большой разницы показателей преломления дисперсной фазы и газового дисперсионной среды.

Образования А. нежелательно в процессе добычи и переработки руд, угля, измельчения материалов, производства цемента, сжигание топлива, так как это обусловливает потерю ценных веществ, загрязнение атмосферы, вредно влияет на здоровье людей, детали машин и механизмов. Особенно вредны патогенные, радиоактивные А. и смоги. Вследствие их взаимодействия с облаками выпадают так называемые кислотные дожди, подкисляют почву, снижают ее плодородие, пруды и озера превращаются в растворы кислот, в которых гибнет рыба, сохнут леса. А. способны также образовывать опасные взрывчатые смеси с воздухом (угольный, сахарный, мучная пыль).

Методы борьбы с А. основываются на устранении причин их возникновения, устранения факторов стабилизации и ускорении естественных процессов разрушения (седиментация, коагуляция, коалесценция). Для разрушения А. на практике пользуются несколькими основными методами: фильтрацией, изменением скорости и направления движения потока А., действием звуковых волн высокой частоты (2-10 кГц), электрического поля высокого напряжения (до 50 000 В), высокой температуры, введением веществ , которые могут быть центрами кристаллизации или конденсации.

Тонкая очистка А. достигается его фильтрованием сквозь бумажные, волоконно тканевые и пористые керамические фильтры или промывкой встречным потоком жидкости (кондиционеры, скрубберы). Выделения дисперсной фазы с А. путем изменения скорости и направления его движения проводится в специальных аппаратах — циклонах, мультициклонах, ротационных ловители, где большие центробежные силы заставляют твердые частицы терять скорость и оседать на дно аппарата.

Под действием звуковых волн частицы А. вибрируют, что приводит к их частым столкновениям. Процесс коагуляции происходит очень быстро, за несколько секунд. Под действием электрического поля высокого напряжения происходит ионизация молекул газа, частицы А. адсорбируют эти ионы и приобретают дополнительный заряд, что способствует их оседанию на противоположно заряженном электроде. Распыления тонко измельченного песка, твердого СО2 или АgI с самолета на верхнюю часть облака вызывает скорую коалесценции капель воды, которые выпадают в виде дождя.

А. широко используют для решения различных практических задач. Так, ЛП в форме А. широко применяют при инфекционных, аллергических заболеваниях легких, бронхов, горла и т.д.. Эта форма позволяет соединять несколько высокоэффективных лекарственных веществ, которые обеспечивают необходимый спектр действий блокаду болевого синдрома, локализацию воспалительного процесса, антимикробное действие, защита раны от загрязнения и т.д.

Популярность фармацевтических аэрозолей объясняется еще и простотой применения, возможностью с одного баллона обработать несколько больных, которым небходимо врачебная помощь. По типу применения аэрозольные лекарства подразделяются на ингаляторы, аеропласты, мази, пены. Обязательным компонентом аэрозольных смесей является пропеллент или газы. В сельском хозяйстве А. используют для защиты растений от вредителей и болезней, распыления инсектицидов и др.. Проблемы А. приобретают большое значение в связи с решением многих вопросов метеорологии, борьбы с запыленностью и загрязненностью воздуха городов и рабочих помещений и распространением гриппа, туберкулеза, чумы и др..

 

Метки текущей записи:

 
Статья прочитана 1566 раз(a).
 

Еще из этой рубрики:

Здесь вы можете написать комментарий к записи "Аэрозоли"

* Текст комментария
* Обязательные для заполнения поля