Бразование и свойства аэрозолей

Для аэрозолей, как и для других дисперсных систем, характерна агрегативная и седиментационная устойчивость и неустойчивость, В них протекают процессы коагуляции, коалесценции и оседания, что приводит к изменению состава и свойств этих систем.

Концентрация и размер частиц дисперсной фазы аэрозолей все время изменяются: частицы возникают и исчезают, укруп­няются и дробятся на более мелкие, перемещаются — какая-то часть частиц аэрозольной системы покидает ее, что компенси-

руется за счет притока новых частиц. Образование, особенности и процессы, протекающие внутри аэрозольной системы, схема­тически представлены на рис. 17.1. Получение частиц дисперс­ной фазы аэрозолей диспергированием и конденсационным спо­собом было рассмотрено ранее (см. параграфы 12.2 и 12.3).

Газовая среда аэрозолей обусловливает отличия их свойств от свойств систем с жидкой дисперсионной средой. Одно из этих отличий связано с электрическим зарядом аэрозольных частиц. Электрические заряды возникают в результате трения твердых частиц при образовании аэрозолей, при дроблении жидкости, адсорбции ионов и вследствие ряда других причин.

Электрические свойства аэрозолей принципиально отлича­ются от электрических свойств золей и суспензий. Для систем типа Т/Ж электрический заряд возникает в результате взаимо­действия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой (см. рис. 7.2—7А). При этом образуется двойной элект­рический слой, происходит компенсация заряда частиц, а меж­ду сблизившимися частицами возникает электростатическая сила отталкивания (см. рис. 10.5, а).

Заряд частиц аэрозолей не компенсируется, является избыточ­ным, частицы могут иметь заряды различного знака (отсутствует униполярность). Часть частиц может иметь заряд одного знака, а другая — противоположного, или даже быть нейтральной.

Так, при распиливании спиртового раствора сахара образуются частицы диаметром 0,8—1,5 мкм, 40% этих частиц несут положительный заряд, 39% — отрицательный заряд, а 21% частиц остаются нейтральными. Взвешенные в воздухе частицы крахмала имеют преимущественно положительные заряды, а частицы муки — отрицательные.

Рис. 17.1. «Жизнь» аэрозольной системы: 1,6— перемещение аэрозольных частиц; 2, 5 — образование аэрозольных частиц диспергированием и конденсацией (десублимацией); 3, 4 — агрегирование (коагуляция) и дезагрегирование частиц дисперсной фазы; 7, 8 — приток и отток частиц; А — аэрозоли

В обычных условиях аэрозольные частицы в воздухе заряжены слабо — они несут до 100 элементарных зарядов (1,610¹⁷ Кл). В результате трения и главным образом под действием электрического поля заряд частиц резко возрастает и может составлять 10⁷ элементарных зарядов (или 1,6*10"¹² Кл), т.е. электрические заряды частиц могут различаться на пять порядков.

Агрегативная устойчивость аэрозолей также в значительной степени обусловлена особенностями газовой дисперсионной сре­ды. Подвижность частиц в газовой среде и отсутствие электро­статических сил отталкивания (см. рис. 10.5, а) приводят к тому, что вероятность е, которая, согласно формуле (10.17), характе­ризует кинетику коагуляции, равна или близка к единице. Это означает, что процесс идет по механизму быстрой коагуляции. В результате коагуляции частицы укрупняются и образуют агрега­ты (см. рис. 17.1).

В отношении аэрозолей, находящихся в атмосфере, в пол­ной мере проявляются оптические свойства дисперсных систем, которые были рассмотрены в гл. 8.

В воздухе находится множество частиц различных размеров, форм и происхождения; каждая из них рассеивает и поглощает свет. Причем на состав атмосферных аэрозолей оказывают влияние аэрозольные системы, пришедшие из Космоса.

Поэтому характеризуют оптические свойства не отдельных аэрозольных частиц, а их массы. К таким обобщенным характеристикам аэрозольных систем, находящихся в воздухе, относятся интенсивность рассеяния света [см. уравнения (8.2)—(8.5)], коэффициент поглощения и оптическая плотность (экстинция) [см. уравнения (8.8) и (8.9)]. В зависимости от практических целей определяют значение этих параметров в требуемом диапазоне длин волн (в том числе и в видимой области) электромагнитного излучения.

Интенсивность рэлеевского рассеяния света высокодисперс­ными атмосферными аэрозолями зависит от показателя прелом­ления дисперсионной среды (воздуха) и дисперсной фазы. По­казатель преломления воздуха близок к единице, а показатель преломления дисперсной фазы атмосферных аэрозолей колеб­лется в пределах 1,34—1,54. Нижнее значение относится к кап­лям воды, а верхнее — к сульфатным частицам.

Вязкость воздуха примерно в 1000 раз меньше вязкости воды; поэтому седиментационная устойчивость аэрозолей ниже, чем суспензий. Если скорость оседания в воздухе сферических частиц диаметром 50 мкм (при плотности материала частиц 1,2-10³ кг/м³) составляет примерно 0,2 м/с, то в воде скорость оседания этих частиц уменьшается до 2-10⁴ м/с.

Для высокодисперсных аэрозолей характерны более интен­сивное броуновское движение и диффузия, чем для золей. В табл. 17.2 приведены соотношения между скоростью седиментации (оседания) и скоростью броуновского движения для частиц раз­личного размера плотностью 1 -10³ кг/м³ при температуре возду­ха 293 К. Для частиц диаметром > 0,5 мкм скорость броуновско­го движения не может конкурировать со скоростью седимента­ции. Для частиц диаметром менее 0,05 мкм (50 нм) скорость броуновского движения превышает скорость седиментации, что означает установление седиментационно-диффузионного равно-

весия — высокодисперсная система становится седиментацион-но-устойчивой (см. рис. 10.1 и 10.2).

В результате броуновского движения и диффузии высокодис­персные частицы приобретают способность перемещаться в верти­кальном и горизонтальном направлениях. Коэффициент диффузии в жидкой, среде может колебаться в пределах 10~⁸10~¹⁰ м²/с. В воз­душной среде он имеет более высокие значения и может достигать 10~⁶ м²/с, а это означает, что движение высокодисперсных частиц одного и того же размера в воздухе будет интенсивнее, чем в жид­кости.

В аэрозолях в сильно разреженной газовой атмосфере, а тем более в безгазовом пространстве отсутствует броуновское дви­жение, т.е. самопроизвольное движение частиц под действием кинетической энергии молекул дисперсионной среды, и диффу­зия (см. гл. 9).

аблица 17.2

Скорости седиментации и броуновского движения

для частиц плотностью 110 кг/м³ (в отсутствие конвективных и

других движений воздуха)

Диаметр частиц, мкм(нм)	Скорость, мм/с		Диаметр частиц, ■V1IMV1 у шм IV1J	Скорость, мм/с
седимен­тации	броуновского движения	седимен­тации	броуновского движения
5(5000) 0,5 (500)	12 1.3-10-1	1,54-Ю-3 5,07-10~3		0,05 (50) 0,005(5)	2,23-Ю-3 1,14-Ю-1	2,10.10~3 1.06-10-1

Перевести частицы в аэрозольное состояние можно с помо­щью механических процессов или взрыва, при этом одновременно может протекать процесс диспергирования. Во время Чернобыль­ской катастрофы в результате взрыва диспергированию с одно­временным переводом в аэрозольное состояние подверглись ядерное топливо, продукты распада, графитовые стержни и эле­менты конструкции; образовались радиоактивные аэрозоли.

В атмосфере Земли возникновение аэрозолей происходит под воздействием воздушного потока.

На частицу (рис. 17.2) со стороны воздушного потока действует аэродинамическая сила, зависящая от скорости этого потока и и направленная вертикально. Необходимым условием перехода частиц в-воздушную среду является превышение горизонтально-направленной аэродинамической силы F ^г_аэ над суммарным действием сил аутогезии F_ayt и веса частиц Р

где ц_в — коэффициент внутреннего трения, учитывающий различное направление действия сил.

Рис. 17.3. Вертикально- и горизонтально-направленные составляющие сил, действующие на аэрозольную частицу

Если сила аутогезии намного превышает вес частиц, то условие (17.1) упрощается:

/г;>^. (17.2)

При турбулентном течении перемещение воздуха сопровождается интенсивным пере­мешиванием. Аэродинамическая сила, дейст­вующая на частицы, будет определяться по формуле

F:,=c_xpB₄(v²/2), (17.3)

где с_х — коэффициент сопротивления частиц; р — плотность воздуха; В_ч — площадь сечения частиц (для шарообразных частиц — площадь круга); v — скорость воздушного потока.

После отрыва частиц под действием воздушного потока возникает вертикальная составляющая аэродинамической силы F\->. Горизонтально и вертикально направленные аэродинамические силы и обусловливают переход частиц в аэрозольное состояние; движение частиц в этих условиях на рис. 17.2 показано пунктиром.

Учитывая условие (17.2) и формулу (17.3), можно оценить скорость воздушного потока, необходимую для перевода частиц в аэрозольное состояние:

(17.4)

Следует отметить, что при рассмотрении схемы перевода частиц в аэрозольное состояние мы не учитывали образование пограничного слоя, в котором скорость воздушного потока уменьшается от определенного значения до нуля (на поверхности твердого тела).

По этой причине формулы (17.1) —(17.4) могут служить лишь для ориентировочной оценки перевода частиц в аэрозольное состояние и скорости воздушного потока, необходимой для осуществления этого процесса.

17.3. Механика аэрозолей*

Газовая дисперсионная среда определяет ряд характерных особенностей аэрозолей. Перемещение аэрозольных частиц от­ражает механика аэрозолей. Механика аэрозолей рассматривает седиментацию (оседание) аэрозольных частиц, их способность находиться во взвешенном состоянии длительное время (вита-

* Термин «механика аэрозолей» ввел известный советский ученый Н.А.Фукс.

ние даже относительно крупных час­тиц), осаждение на препятствия и дру­гие возможные перемещения частиц.

Перемещение частиц в газовой сре­де на значительные расстояния харак­терно не только для высокодисперсных, но и для средне- и даже грубодисперс-ных частиц, которые должны были бы оседать вблизи источников их образо­вания.

Приведем несколько характерных примеров. Оборудование и помещения некоторых мукомольных и комбикормовых предприятий, а также строения и местность, расположенные далеко от этих предприятий, покрыты слоем мучной и комбикормовой пыли, частицы которых имеют значительные размеры, намного превышающие размеры высокодисперсных систем.

Радиоактивные аэрозоли, образовавшиеся после Чернобыльской катастрофы, были обнаружены за сотни километров от места катастрофы. В этом и других случаях перемещались на значительные расстояния не только седиментационно-устойчивые частицы (см. параграф Ю.2), но и частицы, размер которых соответствовал средне- и даже грубодисперсным системам. Показательны в этом отношении пыльные бури, когда воздушные потоки поднимают и перемещают относительно крупные частицы. Так, например, в юго-восточной части Европы были обнаружены крупные частицы песка пустыни Сахары. Все эти и многие другие перемещения частиц связаны с механикой аэрозолей.

Подвижность дисперсионной среды обусловливает переме­щение самих аэрозольных частиц, которое может происходить под действием аэродинамической силы, по инерции, в результа­те действия турбулентных потоков, градиента температуры, что в обобщенном виде показано на рис. 17.3.

Движущиеся с определенной скоростью частицы вызывают горизонтальные (F ^г_и) и вертикальные (F*_u) инерционные силы (см. рис. 17.3).

На частицу, взвешенную в воздушном потоке, которая движется со скоростью и, действует аэродинамическая сила, которая в случае турбулентного потока будет определяться уравнением (17.3). В случае ламинарного режима движения воздушного потока можно воспользоваться следующей формулой:

F\₃ = 6пц\)г. (17.5)

где г — радиус частиц; г) — вязкость газовой среды.

Формула (17.5) справедлива для относительно небольших скоростей газового потока при ламинарном течении, когда отсутствует перемешивание соседних слоев газа.

Кроме горизонтально направленной аэродинамической силы F^r_a3 возникает подъемная аэродинамическая сила F ^в , действующая вертикально и

препятствующая оседанию частиц. По аналогии с формулой (17.3) для турбулентного газового потока эта сила определится по формуле

/■■_аэ = с_уЯ>72), (17.6)

где с — коэффициент сопротивления частиц, перемещающихся вертикально.

Йри увеличении скорости воздушного (газового) потока ламинарное течение переходит в турбулентное; образуются вихри различного размера (от единиц до десятков сантиметров), которые приводят к возникновению хаотических флуктуации. В результате скорость движения частиц резко увеличивается и из­меняется направление движения воздушного потока, а следовательно, и частиц. При турбулентном течении, как и в случае ламинарного, будут действовать горизонтально- и вертикально-направленные силы F ^ и F ^

Препятствовать оседанию частиц будет сила трения, точнее ее вертикальная компонента F ^в_тр. В результате нагревания и меньшей плотности нижних слоев воздуха образуются конвективные потоки, которые также воздействуют на частицы (F ^в_кон) и предотвращают их оседание.

Таким образом, отличительной особенностью механики аэро­золей является действие на частицы ряда сил, которые вызваны перемещением газовой среды и частиц, находящихся в ней.

Соотношение сил, действующих на частицы, может быть различным и изменяться во времени, в результате чего частицы приобретают способность находиться длительное время во взве­шенном состоянии и перемещаться на далекие расстояния.

Наибольшее значение в жизни людей имеют атмосферные аэрозоли, которые возникают естественным путем или образу­ются искусственно, в том числе в результате работы промыш­ленных предприятий. В последнем случае говорят о промыш­ленной пыли.

Большая часть атмосферных аэрозолей образуется естественным путем: почвы и растительный мир дают 50—80%, водная поверхность — 10—20%, космическая пыль — до 30% всех аэрозолей. Искусственным путем получается до 10% аэрозолей: из них 5—45% — за счет выбросов промышленных предприятий и 10% — за счет выбросов транспорта. Конечно, приведенные цифры являются усредненными: в разных районах доля аэрозолей различного происхождения может отличаться.

Переход почвы в аэрозольное состояние происходит под действием ветра. Аэрозоли образуются также при выветривании горных пород. На Земле насчитывается свыше 600 действующих вулканов. Извержение только одного вулкана сопровождается выбросом в атмосферу нескольких десятков тонн грунта и лавы, значительная часть которых переходит в аэрозольное состояние. Микроорганизмы, вирусы, пыльца и споры растений подхватываются потоком воздуха и образуют аэрозоли.

Мировой океан, моря и многочисленные водоемы Земли поставляют в атмосферу воду в виде капель и пара. В результате конденсации пара возникают облака, которые являются аэрозолями и состоят из капель и кристалликов воды. В облаках воды всего 10 ⁷% от общего количества воды на Земле, но и этого достаточно для того, чтобы определять климат и погоду, влиять на урожай, определять условия труда и жизни людей.

Атмосферные аэрозоли могут быть образованы искусственным путем. При помощи самолетов и наземных средств распыливаются огромные массы различных ядохимикатов, которые превращаются в аэрозоли. В шахтах, на

вскрытых карьерах по добыче полезных ископаемых, около различных заводов, в том числе комбикормовых, мельниц, тепловых электростанций и других про­мышленных предприятий образуются аэрозоли, загрязняющие воздух.

Все виды наземного, воздушного и морского транспорта являются генераторами аэрозолей за счет неполного сгорания топлива.

Таким образом, источников образования аэрозолей более чем достаточно. Ежегодно в среднем один квадратный километр зем­ной поверхности посылает в атмосферу 20 т раздробленной мас­сы, которая превращается в атмосферные аэрозоли. Значитель­ная часть этой массы затем в результате разрушения аэрозолей возвращается на Землю.

Устойчивость аэрозольных систем может быть нарушена естественным путем за счет процессов осаждения, оседания (се­диментации), а также принудительно. Разрушению природных аэрозолей способствуют осадки в виде дождя, снега, града, кото­рые возникают в результате укрупнения капель или кристалли­ков льда.

В облаках капли воды имеют диаметр в пределах от 2 до 20 мкм, а диаметр дождевых капель в сотни раз больше (до 3 мм). При падении капли дождя захватывают более мелкие твердые частицы, и образуется дисперсная система Т, Ж/Г. Происходят процессы пылеподавления и разрушения атмосферных аэрозолей. Влага атмосферы в среднем обновляется 42 раза в год, т.е. ежегодно воздух фильтруется атмосферными осадками 42 раза.

Воздушный (газовый) поток, несущий аэрозольные частицы, встречается с различными преградами. Это могут быть деревья, складки местности, здания и строения, различные предметы. На поверхности этих препятствий могут осаждаться аэрозольные частицы. Оседание частиц под действием гравитации (седиментация) способствует разрушению аэрозолей, которое при необходимости можно осуществлять искусственно.

начение аэрозолей

Широко используются положительные свойства аэрозольного состояния, в то же время некоторые аэрозоли крайне нежелатель­ны и их воздействие приводит к отрицательным последствиям.

В промышленности аэрозоли используют в различных технологических процессах, либо для производства продуктов в аэрозольной форме и последующего их применения. Через аэрозольное состояние получают многие вещества в качестве дисперсных систем — наполнители (сажу), пигменты, катализаторы, компоненты топлив. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значительная часть твердого топлива, производится пневматическая окраска и металлизация различных поверхностей.

Аэрозольные препараты используются в медицине, в частности для ингаляции и дезинфекции, в ветеринарии при обработке животных, для защиты посевов от сельскохозяйственных вредителей и обработки складских помещений, предотвращения выпадения града и для создания искусственного дождевания.

В военном деле аэрозоли применят для дымовых завес с целью маскировки действия войск, создания локационных помех, нейтрализации действия

лазерного излучения и др. В быту широко применяют аэрозольные баллончики — устройства, в которых препарат выдавливается из резервуара и распыляется, т.е. переводится в аэрозольное состояние, под действием фреона, растворенного в препарате. По предварительным подсчетам более трех тысяч различных отраслей хозяйственной и других видов деятельности (например, здравохранение, быт) и природных процессов связаны с аэрозолями.

Рассмотрим более подробно роль аэрозолей в пищевой примышленности.

После распыления эмульсий или суспензий в образовавшийся аэрозоль вводят поток горячего газа, осуществляя так называемую «распылительную сушку». Она применяется для получения сухого молока и других продуктов. При копчении мясных и рыбных продуктов используют дым, который придает этим продуктам соответствующий вкус. Воздушная сортировка сыпучих тел основана на переводе их в аэрозольное состояние и на различной скорости оседания частиц различного размера и формы. Мелкие частицы оседают медленнее, чем крупные, а чешуйчатые — медленнее, чем шарообразные. Отвеивание зерна от половы — типичный пример подобной сортировки.

При производстве продуктов питания, их хранении и транспортировании образуется пыль. В зависимости от источника эта пыль может быть неорганической, органической или смешанной. К органической относится растительная (крахмальная, мучная, сахарная, чайная, табачная и др.) и животная (костная, шерстяная и др.) пыль. Пыль неорганического происхождения образуется, например, при переработке семян подсолнечника (в ней содержится более 20 химических элементов).

Наряду с положительными качествами аэрозоли оказывают вредное воздействие. Прежде всего — это загрязнение атмосферы земли. Отметим наиболее существенные, источники образования аэрозолей, загрязняющих воздушный бассейн — выбросы в атмосферу отработавших и сопутствующих веществ многочисленными промышленными предприятиями, огульное применение средсв защиты растений, вскрышные и взрывные работы, выветривание верхнего слоя земли и горных пород, вулканическая активность, выхлопы автомобилей и др.; особую опасность представляют радиоактивные аэрозоли, Чернобыльская катастрофа тому подтверждение.

Аэрозоли могут вызывать пожары и даже взрывы. Мука, крахмал, цемент и другие сыпучие материалы в емкости могут в определенных условиях, например, если их поджечь — гореть. Эти же материалы в аэрозольном состоянии могут самовоспламеняться и вызывать взрыв.

Самовоспламенение обусловлено большим избытком поверхностной энергии, быстрым окислением поверхности аэрозольных частиц, а также тем, что выделяющееся тепло не успевает отводиться в глубь частиц. Перенос тепла с поверхности в объем частиц определяется удельным тепловым потоком (Вт/м²),который равен

(17.7)

<? = - A. grad Г,

где X — коэффициент теплопроводности [Вт/(мК)]; grad T — градиент темпе­ратуры (К/м), характеризующий перенос теплоты в глубь частиц (т.е. grad T = АГ/Ах).

Если коэффициент теплопроводности для стали составляет примерно 50 Вт/(мК), то для аэрозолей, способных самовоспламеняться, он по крайней мере в сто раз ниже. Поэтому перенос тепла в глубь частиц затруднен. А так как частицы в аэрозольном состоянии имеют большую удельную поверхность и избыток поверхностной энергии, то их окисление (горение) приводит к взрыву.

Таким образом, аэрозоли, которые образуются из легковос­пламеняющихся веществ, ведут себя так же, как смеси горючего

газа в воздухе. При определенной концентрации они способству­ют распространению пламени, а в замкнутом пространстве мо­гут вызвать взрыв.

Пламя может возникнуть от случайного источника при работе с огнем, от нагревательных приборов и искр, а также в результате образования статического электричества, в том числе и под воздействием трения.

Плотность поверхностного заряда частиц может быть значительной и способной преодолеть сопротивление воздуха. В этих условиях происходит короткий или искровой разряд, который вызывает воспламенение частиц.

Минимальную концентрацию пыли, которая может привести к ее воспламенению, определяют опытным путем. Так, например, для некоторых пищевых масс в аэрозольном состоянии она составляет (в г/м³): муки простого помола — 52, глюкозы — 225, комбикормов — 272—300, пшеничных отрубей — 150, крахмала — 58—98, сахара — 66, какао-порошка — 103, сухого молока — 94—103, картофельной муки — 225, соевой муки — 66.

Помимо воспламенения, некоторые аэрозоли обладают токсическим и аллергическим действием. Так, мучная пыль, особенно в момент образования, может вызвать такие болезни как астма и конъюнктивит.

Вредное действие аэрозолей определяется предельно допустимыми концентрациями ПДК, значения которых устанавливаются на основе действия наиболее опасного фактора. В существующих документах ПДК установлены в виде массовых концентраций ь_и. Превышение ПДК аэрозолей недопустимо и может быть опасным.

На практике применяют целый ряд мер, направленных на борьбу с отрицательным воздействием аэрозолей; в числе этих методов следует отнести безотходные технологии, использование фильтрующей способности растений, особенно деревьев, пылеподавление методом орошения и пенами (см. параграф 16.3), применение различных фильтров и др.