Аэрозоли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аэрозоли

Аэрозоли [от греч. aer- воздух и лат. sol(utio)-раствор], дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой.

По способу образования различают конденсационные и диспергационные аэрозоли. Первые возникают в результате присоединения друг к другу молекул вещества в пересыщенном паре (так называемая гомогенная нуклеация) или конденсации пара на присутствующих в нем ионах или мельчайших частицах другого вещества - ядрах конденсации (гетерогенная нуклеация). Конденсационные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называют туманами, с твердой - дымами,

К конденсационным относятся и аэрозоли, образующиеся при горении, химических и фотохимических реакциях в газовой фазе, например при получении оксидов Si и Ti термическим гидролизом их хлоридов в пламени. Важнейший из таких аэрозолей - смог, возникающий в атмосфере в результате фотохимических реакций между газообразными примесями под действием интенсивного солнечного освещения. Особенность конденсации продуктов химических реакций - возможность каталитического действия конденсированных частиц на превращение исходных веществ. Конденсационные аэрозоли могут образоваться также вследствие испарения тел, в том числе в результате воздействия плазмы и лазерного излучения, с последующей конденсацией паров.

Диспергационные аэрозоли с твердыми частицами (пыли) образуются в атмосфере в природных условиях, а также при измельчении твердых тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т.п. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (иногда их называют спреями) возникают при распаде струй или пленок жидкости, например при распылении жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. Важные практические случаи образования жидких аэрозолей - распыление жидкости под воздействием расположенного в ней источника акустических колебаний, разрушение струй при воздействии поля электрического потенциала.

Часто возникают смешанные аэрозоли, состоящие из частиц различного происхождения. Так, при взрывном разрушении твердых тел происходит, как правило, диспергирование вещества и его испарение с последующей конденсацией паров и образованием аэрозолей.

Основные характеристики. Дисперсионную среду характеризуют химическим составом, температурой, давлением, степенью ионизации, параметрами внешних физических полей, полем скоростей течения, наличием турбулентности и ее параметрами, наличием и величиной градиентов температуры и концентрации компонентов. Важнейшие параметры дисперсной фазы аэрозоли - объемная доля частиц и их массовая доля , число частиц в единице объема (счетная концентрация) n_р, средний размер частицы d_p и ее электрический заряд. Параметры дисперсной фазы атмосферных аэрозолей при нормальных температуре и давлении составляют: d_p 5*10⁸-10^-2 см, п_р 1-10⁸ см^-3, 10^-18-10^-1, 10^-19 В верхних слоях атмосферы п_р = 10⁵-10¹⁴ см^-3, 10^-19 -10^-33, Наряду с усредненными величинами дисперсную фазу характеризуют распределением частиц по размерам и по величине электрического заряда (последнее даже для монодисперсных аэрозоли). Если вещество дисперсной фазы радиоактивно, необходимо знать также удельную активность частиц.

Взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой определяется процессами переноса массы, энергии, импульса, электрического заряда и др., а также явлениями на границе раздела фаз. Процессы переноса описываются уравнениями, конечный вид которых зависит от числа Кнудсена

аэрозоль дисперсный свойство

Кп = ,

где -длина свободного пробега газовых молекул, d_p-диаметр частицы аэрозоля При Кп 1 и, следовательно, d_p дисперсионная среда может рассматриваться как сплошная; в этом случае говорят о континуальном режиме процессов переноса Если Кп 1, аэрозоли можно рассматривать как смесь двух газов, молекулы одного из которых - частицы аэрозоля - намного тяжелее молекул дисперсионной среды. В такой системе процессы переноса описываются с помощью уравнений газокинетической теории (так называемый свободномолекулярный режим). Наконец, при Кп 1 (диаметр частиц при атмосферном давлении 0,01-1,0 мкм) процессы переноса рассчитываются приближенными методами динамики разреженных газов (переходный режим). Точность уравнений, описывающих процессы переноса в свободномолекулярном и континуальном режимах на границах указанного интервала размера частиц, определяющего значения Кп, составляет около 10%. На процессы переноса в аэрозоли влияет движение частиц относительно среды под действием внеш. сил или по инерции; оно характеризуется числом Маха

Ма= ,

где и_р -скорость частиц относительно среды, -скорость теплового движения молекул среды. При анализе характера переноса импульса вместо числа Маха часто используют число Рейнольдса

Re = 4Ma/Kn.

Важнейшие свойства аэрозолей - способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преим. как единое целое и при столкновении прилипать друг к другу или к какой-либо поверхности с вероятностью, равной единице. В покоящейся среде частицы аэрозоли поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собств. тепловому движению, энергия которого для частиц любой массы равна ³/₂kT, где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, и вследствие обмена энергией с молекулами среды. Распределение концентрации частиц по высоте обычно характеризуют параметром

(перреновской высотой),

Где -ускорение силы тяжести, -масса частицы. Для достаточно малых частиц, когда Н_р намного превосходит их линейный размер, энергии теплового движения достаточно для поддержания частиц во взвешенном состоянии даже в отсутствие дисперсионной среды.

Если же размер частиц сравним с Нр или больше него, то для поддержания частиц во взвешенном состоянии необходима дополнительная энергия, получаемая при соударениях с молекулами среды. Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта

,

где -концентрация газовых молекул, - длина их свободного пробега. При Sc < 10⁷ существен лишь вклад собственного теплового движения частиц; при атмосферном давлении этому условию соответствуют частицы единичной плотности размером ~2 мкм. При So > 10⁵ имеет значение лишь обмен энергией между частицами и средой. При 10⁷ <="" 105 оба вклада соизмеримы. В турбулентной среде частицам аэрозоли присущи две основной формы движения - увлечение дисперсионной средой и смещение относительно нее. Поддержание частиц во взвешенном состоянии определяется их инерционностью и характеризуется так называемым турбулентным числом Шмидта ScT, равным отношению коэффициентов турбулентной диффузии частиц DpT и молекул среды DT .

Величина

называют степенью обтекания,

- степенью увлечения частиц. Способность частиц аэрозоли сохраняться во взвешенном состоянии без приложения возмущающего воздействия к дисперсионной среде отличает аэрозоли от псевдоожиженного (кипящего) слоя, который также является двухфазной системой с газовой дисперсионной средой.

Частицы аэрозоли могут смещаться относительно среды, главным образом под действием внешних полей, например, поля силы тяжести, в котором частицы оседают, а также сил инерции (если среда движется ускоренно), градиентов температур и концентраций. Скорость движения частиц определяется внеш. силой и силой сопротивления среды движению частиц. В большинстве случаев эти силы уравновешивают друг друга, и частицы движутся с постоянной скоростью; лишь в средах с сильной турбулентностью и в акустических полях движение ускоренное. Отношение скорости v стационарного движения частицы к действующей на нее силе называют подвижностью частицы В. В континуальном режиме

,

где - вязкость среды (формула Стокса). Эта формула позволяет рассчитывать В с точностью до 10% при Кп > 0,1 и Re < 0,6. При больших Re вводят поправочные множители, являющиеся функциями Re. В области 1 < Кп < 0,1 в формулу Стокса вводят поправочный множитель Кеннингема, равный

(1 + А1Кп),

где A1 - эмпирическая постоянная. В свободномолекулярном режиме при Кп > 10

В = (Ai + Q/3) (формула Эпштейна),

где Q - др. эмпирическая постоянная. В переходном режиме для расчета В предложен ряд эмпирических формул, из которых наиболее распространена формула Милликена:

,

где b- эмпирическая постоянная. Для капель масляного тумана, например, в формуле Эпштейна

(А1 + Q) = 1,154,

в формуле Милликена A1 = 1,246, Q = 0,42, b = 0,87. Значение В определяет коэффициент тепловой диффузии частиц

D = kTB,

наз. иногда коэффициентом броуновской диффузии.

При наличии в дисперсионной среде градиентов температуры или концентрации частицы аэрозоли движутся даже при отсутствии внеш. сил; соответствующие явления называют термо- и диффузиофорезом. В свободномолекулярном режиме термофорез аналогичен термодиффузии; в континуальном режиме он обусловлен тангенциальной силой, действующей на частицу вследствие возникновения потока газа (термического скольжения) вблизи неоднородно нагретой поверхности частицы. Частный случай термофореза - фотофорез: движение частиц под действием светового облучения. Этот эффект обусловлен неравномерным нагревом частиц и среды, главным образом из-за различной их способности отражать и поглощать свет. Диффузиофорез, обусловленный градиентом концентрации при постоянном полном давлении, происходит, например, вблизи поверхностей испарения или конденсации.

Частицы аэрозоля размером менее 1 мкм всегда прилипают к твердым поверхностям при столкновении с ними. Столкновение частиц друг с другом при броуновском движении приводит к коагуляции аэрозоля. Для монодисперсных аэрозолей со сферическими частицами скорость коагуляции

dn/dt= -- Кп2,

где n - число частиц в единице объема, К -т. наз. коэф. броуновской коагуляции. В континуальном режиме К рассчитывают по формуле Смолуховского

,

в свободномолекулярном - по формуле

,

где ир-средняя скорость теплового движения аэрозольных частиц, -коэффициент, учитывающий влияние межмолекулярных сил и для различных веществ имеющий значение от 1,5 до 4. Для переходного режима точных формул для вычисления К не существует. Помимо броуновского движения коагуляция аэрозоли может иметь и другие причины. Так называемая градиентная коагуляция обусловлена разностью скоростей частиц в сдвиговом потоке; кинематическая - различной скоростью движения частиц относительно среды (напр., в поле гравитации); турбулентная и акустическая - тем, что частицы разного размера сближаются и сталкиваются, будучи в разной степени увлечены пульсациями или звуковыми колебаниями среды (последние две причины существенны для инерционных частиц размером не менее 10-6 м). На скорость коагуляции влияет наличие электрического заряда на частицах и внешние электрические поля.

Аэрозольные частицы способны приобретать электрический заряд, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые ионы, направленно движущиеся к частицам во внешнем поле или диффундирующие в среде. Диспергационные частицы могут приобретать заряд и в процессе образования - при разбрызгивании жидкостей (баллоэлектрический эффект) или распылении порошков (трибоэлектрический эффект), при освещении (фотоэффект), радиоактивном распаде и т.п. В аэрозолях, образующихся при высокой температуре, например при испарении и последующей конденсации паров, заряды на частицах возникают также в результате термоэлектронной или термоионной эмиссии.

Аэрозоли обладают ярко выраженным рассеянием света, закономерность которого определяется диапазоном значений параметра

,

где - длина волны излучения. При > 1 сечение светорассеяния возрастает с уменьшением размера частиц. С уменьшением сечение становится пропорциональным . Поэтому высокодисперсные частицы рассеивают видимое, а тем более ИК-излучение слабо. При фиксированном размере частицы сечение светорассеяния убывает пропорционально , При рассеянии света частицами аэрозоли меняется состояние поляризации излучения. Измерения светорассеяния и состояния поляризации рассеянного света используют для определения размеров частиц и распределения по размерам.

В технике образование аэрозолей часто нежелательно, так как приводит к загрязнению атмосферы (в том числе производственной) и технологичесикх потоков. Кроме того, большую опасность представляют взрывы пылей в сахарном, мукомольном и некоторых других производствах. Все это вызвало к жизни развитие методов пылеулавливания и туманоулавливания. Вместе с тем химическая промышленность либо непосредственно использует аэрозольное состояние вещества в технологических процессах, либо производит продукты в аэрозольной форме для последующего их использования. Через аэрозольное состояние получают многие высокодисперсные продукты - наполнители, пигменты, катализаторы, компоненты высокоэнергетических топлив. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значительная часть твердого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине и ветеринарии, для защиты посевов от вредителей, обработки складских помещений, предотвращения выпадения града. Широкое применение в быту нашли аэрозольные баллончики - устройства, в которых жидкий препарат или суспензия выдавливается из резервуара и распыляется давлением хладона.

Термин «аэрозоли» был впервые использован английским химиком Ф. Дж. Доннаном в конце 1-й мировой войны для обозначения облаков, состоящих из частиц мышьяковистых соединений, применявшихся как отравляющие вещества немецкими войсками.

Размещено на Allbest.ru