Общая характеристика аэрозолей

Свойства аэрозолей определяются:

• природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;

• частичной и массовой концентрацией аэрозоля;

• размером частиц и распределением частиц по разме­рам;

• формой первичных (неагрегированных) частиц;

• структурой аэрозоля;

• зарядом частиц.

Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются массовая кон­центрация и численная (частичная) концентрация.

Массовая концентрация – масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.

Численная концентрация – число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика была численная кон­центрация в момент образования аэрозоля, уже через не­сколько секунд она не может превышать 10³ частиц/см³.

РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

Минимальный размер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20–30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 • 10 ³ мкм. Чтобы рассматривать газ как

Размеры частиц некоторых золей Та6лица 18.1

Аэрозоли	Условное обозначение	Размеры частиц, м
Туман (Н2О)	Ж/Г	5 • 10 7
Слоистые облака	Ж/Г	1 • 10 6 – 1 • 10 5
Дождевые облака	Ж/Г	1 • 10 5–1 • 10 4
H2SO4 (туман)	Ж/Г	1 • 10 6 – 1 • 10 5
ZnO (дым)	Т/Г	5 • 10 8
Табачный дым	Т/Г	1 • 10 7 – 1 • 10 6
Топочный дым	Т/Г	1 • 10 7 – 1 • 10 4
Р2О5 (дым)	Т/Г	1 • 10 6 – 1 • 10 5

непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чем свободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.

ФОРМА ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

Жидкие капли в аэрозолях всегда сферичны, твердые частицы могут иметь самые различные формы. Их мож­но разделить на три класса.

1. Изометрические частицы, для которых три разме­ра в первом приближении совпадают. К этому классу относятся шарики, правильные многогранники или час­тицы, близкие к ним по форме.

2. Пластинки – частицы, имеющие два больших раз­мера и один малый: лепестки, чешуйки, диски.

3. Волокна – частицы, протяженные лишь в одном направлении и имеющие меньшие размеры в двух других направлениях: иглы, нити или минеральные волокна.

Форма частиц зависит от способа получения и матери­ала. Так, например, частицы, возникающие при конден­сации пара, имеют обычно сферическую форму,

СТРУКТУРА АЭРОЗОЛЯ

Частицы аэрозоля могут существовать сами по себе или объединяться в цепочки, которые называют агломе­ратами или флоккулами. Они обычно образуются из высо­козаряженных маленьких частиц, которые находятся в плотных дымах. Аэрозоли могут также состоять из по­лых капель, заполненных газом или полых частиц, со­держащих вещество – наполнитель. Таким образом, плот­ность частиц в аэрозоле может значительно отличаться от плотности исходного вещества.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Аэрозольные частицы, имея малые размеры, облада­ют развитой поверхностью, на которой могут протекать адсорбция, горение и другие химические реакции. Боль­шая поверхность обусловливает такие физические свойства, как гигроскопичность или способность взаимодей­ствовать с электрическими зарядами.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

Оптические свойства аэрозолей подчиняются тем же закономерностям, что и оптические свойства лиозолей, но в аэрозолях они проявляются более ярко за счет боль­шой разности в плотностях, а значит – в показателях преломления аэрозольной частицы и газовой среды. Ха­рактер взаимодействия света с аэрозольной частицей за­висит от соотношения между размером частицы d и длиной волны света . Если d >> , то взаимодействие мож­но рассматривать с позиции геометрической оптики, если d<< или d< , то необходимо основываться на теории электромагнитных колебаний, т. е. учитывать волновую природу света. Для аэрозолей характерны рассеяние и поглощение света.

Интенсивность рассеянного света J_p определяется уже известным нам уравнением Рэлея:

J_p = где K =24

Поскольку показатель преломления частицы n₁значи­тельно больше показателя преломления среды n₀, для аэро­золей величина К значительно больше, чем для лиозолей.

Из уравнения Рэлея видно, что красный свет рассеива­ется гораздо меньше, чем синий и желтый, и если учесть тот факт, что аэрозольных частиц в нижних слоях атмо­сферы намного больше, чем в верхних, становится ясным, почему на восходе и закате небо окрашивается в багровые тона, а в полдень сияет голубизной. Ведь когда Солнце приближается к горизонту, мы наблюдаем лучи, почти горизонтально расположенные, проходящие через запылен­ные нижние слои атмосферы, сильно рассеивающие свет, до нас доходит, главным образом, красный свет. Когда же Солнце стоит высоко, в вертикальном столбе атмосферного воздуха суммарное количество частиц относительно неве­лико и, следовательно, невелико рассеяние, поэтому сол­нечный свет мы наблюдаем неискаженным, незначительно рассеивается только коротковолновая (голубая) составляю­щая света, которая и придает небу голубой цвет.

Некоторые, главным образом, металлические или угольные частицы могут поглощать свет. Черный цвет дыма обусловлен тем, что дымовые частицы эффективно поглощают видимые лучи всех длин волн. Белый цвет дыма вызван интенсивным рассеянием его частицами всех видимых длин волн.

Благодаря большой способности рассеивать свет аэро­золи широко применяются для создания дымовых завес. Из всех дымов наибольшей способностью рассеивать и отражать свет обладает дым Р₂О₅, его маскирующая спо­собность принимается за единицу.

МОЛЕКУЛЯРНО – КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

АЭРОЗОЛЕЙ

Особенности молекулярно –кинетических свойств аэро­золей обусловлены:

• малой концентрацией частиц дисперсной фазы – так, если в 1 см³ гидрозоля золота содержится 10¹⁶ частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 10⁷ частиц;

• малой вязкостью дисперсионной среды – воздуха, следовательно, малым коэффициентом трения (В), воз­никающего при движении частиц;

• малой плотностью дисперсионной среды, следователь­но _част >> _газа.

Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозо­лях происходит значительно интенсивнее, чем в лиозолях.

Рассмотрим самый простой случай, когда аэрозоль находится в закрытом сосуде (т. е. исключены внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом r и плотность . На такую частицу одновремен­но действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила трения прямо противоположного направле­ния. Кроме того, частица находится в броуновском дви­жении, следствием которого является диффузия.

Для количественной оценки процессов диффузии и се­диментации в аэрозолях можно использовать значения удель­ного потока диффузии i_дифи удельного потока седимента­ции i_сед – величины, которые мы рассматривали в связи с седиментационной устойчивостью лиозолей (раздел 10.1):

i_диф= (уравнение 9.4),

i_сед = (уравнение 10.7).

Чтобы выяснить, какой поток будет преобладать (i_диф или i_сед), рассматривают их соотношение:

.

В этом выражении ( – ₀) >> 0. Следовательно, вели­чина дроби будет определяться размером частиц.

Если r > 1 мкм, то i_сед >> i_диф, т. е. диффузией можно–пренебречь – идет быстрая седиментация и частицы осе­дают на дно сосуда.

Если r < 0,01 мкм, то i_сед << i_диф. В этом случае мож­но пренебречь седиментацией – идет интенсивная диф­фузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкивают­ся между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации. Это иллюст­рируется таблицей 18.2.

Таким образом, из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые – в ре­зультате оседания на дно. Частицы промежуточных раз­меров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько се­кунд она не превышает 10³ част/см³.

Для частиц аэрозолей характерно движение частиц в поле температурного градиента в направлении изменения

Данные для водного тумана в закрытом помещении Таблица 18.2

Дисперсная система	d, мкм	Скорость оседания, см /с	Время оседания в помещении высотой 3 м
Высокодисперсная	0,5 5	0,00075 –0,075	4,65 сут – 1,1 час
Среднедисперсная	5 25	0,075 –1,9	1,1 час – 2,6 мин
Низкодисперсная	25 100	1,9 –27	2,6 мин –11,1 с
Мелкокапельная	100 250	27 –95	11,1с –3,2 с
Крупнокапельная	250 400	95 –162	3,2 с –1,9 с

температуры. Этим обусловлены такие явления, как термофорез, термопреципитация, фотофорез.

Термофорез – самопроизвольное движение частиц в направлении снижения температуры. Оно обусловлено тем, что с «горячей» стороны на частицу налетают более быст­рые молекулы газа и она смещается в «холодную» сторо­ну. Термопреципитация – осаждение частиц аэрозоля преимущественно на холодных поверхностях, когда вблизи присутствуют горячие тела. Термопреципитацией обус­ловлено оседание пыли на стенах и потолке вблизи ради­аторов, ламп, горячих труб, печей и т. д. Фотофорез – передвижение частиц аэрозоля при одностороннем осве­щении, является частным случаем термофореза. Для не­прозрачных частиц наблюдается положительный фото­форез, т. е. частицы движутся в направлении светового луча. Для прозрачных частиц имеет место отрицатель­ный фотофорез, причем при увеличении размеров частиц он может переходить в положительный.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.

1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из–за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитиче­ская диссоциация.

2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуют­ся в газовой фазе в результате ионизации газа космически­ми, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.

3. Заряд частиц носит случайный характер, и для ча­стиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.

4. Заряд частицы изменяется во времени как по вели­чине, так и по знаку.

5. В отсутствие специфической адсорбции заряды час­тиц очень малы и обычно превышают элементарный элек­трический заряд не более, чем в 10 раз.

6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозо­лей, частицы которых образованы сильно полярным веще­ством, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обус­ловленный поверхностной ориентацией молекул. Напри­мер, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал по­рядка 250 мВ.

Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Ее₂О₃), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO₂, P₂O₅) заряжены положительно. По­ложительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а час­тицы муки несут отрицательные заряды.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ.

КОАГУЛЯЦИЯ

В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозо­лях отсутствует всякое взаимодействие между поверхно­стью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми система­ми. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коа­гуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.

Скорость коагуляции быстро возрастает с увеличени­ем численной концентрации аэрозоля (табл. 18.3).

Независимо от начальной концентрации аэрозоля че­рез несколько минут в 1 см³ находится 10³–10⁶ частиц (для сравнения – в лиозолях ~10¹⁵ частиц). Таким обра­зом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными сис­темами.

Таблица 18.3