Аэрозоли

Аэрозоли

Размер частиц аэрозолей лежит в пределах 10^-7-10^-4м.  Кривая полидисперсности аэрозоля зависит от его происхожде­ния и вторичных процессов, происходящих после его получения.

Форма частиц аэрозолей зависит от агрегатного состояния вещества дисперсной фазы. В туманах капельки жидкости шаро­образны, в дымах форма частиц может быть самой разнообразной: игольчатой, пластинчатой, звездообразной.

Как и любые дисперсионные системы, аэрозоли образуются двумя методами  конденсационным и диспергационным, К кон­денсационному методу относится возникновение тумана при ох­лаждении насыщенного пара.

При диспергационных методах получения аэрозолей твердые или жидкие тела размельчаются обычно механическим путем, а за­тем твердые частицы или жидкие капельки распределяются в газе. Например, пневматическое распыление жидкостей осуществляется с помощью так называемых аэрозольных баллончиков при полу­чении парфюмерно-косметических аэрозолей, аэрозолей инсекти­цидов, эмалей.

По оптическим свойствам аэрозоли очень близки к растворам лиофобных коллоидов. В частности, для них также характерно светорассеяние. Однако вследствие большой разницы в показате­лях преломления газовой дисперсионной среды и жидкой или твердой дисперсной фазы светорассеяние у аэрозолей более интен­сивно, и они не пропускают свет. На этом свойстве аэрозолей осно­вано применение маскировочных дымовых завес. Благодаря силь­ному светорассеянию аэрозоли, находящиеся в верхних слоях ат­мосферы, уменьшают интенсивность солнечной радиации и влияют на климатические условия.

Для аэрозолей характерны специфические процессы, связан­ные с их кинетическими свойствами: термофорез, фотофорез и термопреципитация. Явление термрфореза заключается в движении частиц аэрозоля в направление снижения температуры.

Это объясняется тем, что на более нагретую сторону частицы моле­кулы газа налетают с большей скоростью, чем на менее нагретую. Фотофорез заключается в передвижении частиц при односто­роннем их освещении. Термофорез и фотофорез имеют большое значение в движении атмосферных аэрозолей, например при обра­зовании облаков.

Термопреципитация представляет собой осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях. Это происходит пото­му, что при взаимодействии с такими поверхностями частицы те­ряют кинетическую энергию.

Рекомендуемые материалы

У частиц аэрозолей нет двойного электрического слоя, но в определенных условиях они приобретают электрический заряд. За­ряд частиц аэрозолей может появиться в результате трения при их распылении или вследствие адсорбции на поверхности частиц ионов газов, образующихся под действием космического излуче­ния. В отличие от обычных коллоидных растворов, где заряд частиц обусловлен адсорбцией ионов электролита и определяется равновесием между частицей и окружающей средой, у аэрозолей заряд частицы большей частью случаен. В общем все-таки наблю­дается закономерность между дисперсностью и величиной заряда: заряд частицы аэрозоля тем больше, чем больше ее размеры.

Электрические заряды отдельных частиц аэрозолей невелики и поэтому они не могут определять агрегативную устойчивость аэрозолей. При высокой дисперсности и кинетической устойчиво­сти аэрозоли агрегативно неустойчивы. Для них характерна быстрая коагуляция.

Практическое значение аэрозолей достаточно велико. Очень широко применяют аэрозоли ядохимикатов в сельском хозяйстве при опылении лесов и полей для борьбы с вредными насекомыми. С помощью аэрозолей (дым костров) защищают фруктовые сады от внезапных заморозков.

Особенности электрических свойств аэрозолей

Электрические свойства частиц в системах с газообразной дис­персионной средой значительно отличаются от электрических свойств этих частиц в системах с жидкой средой. Это связано, главным образом, с большим различием диэлектрических свойств и плотностей жидких и газообразных сред. Электриче­ские свойства лиозолей и суспензий в отличие от свойств аэро­золей находятся в равновесии с остальными свойствами систе­мы. Как правило, в лиозолях и суспензиях такое равновесие устанавливается очень быстро, и частицы одной природы при­обретают один и тот же равновесный электрический потенциал, характерный для данной межфазной границы, и одинаковое со­стояние двойных электрических слоев.

Несмотря на то, что электролитическая диссоциация в газо­вой среде практически отсутствует, частицы в аэрозолях тем не менее имеют электрические заряды. Они приобретают их при столкновении друг с другом или с какой-либо поверхностью, а также в результате адсорбции газовых ионов, образующихся при ионизации газов, например космическими, ультрафиолето­выми, радиоактивными лучами. Так как электрическое равнове­сие в аэрозолях устанавливается очень медленно, то распреде­ление зарядов между частицами является чисто случайным. Частицы одной природы и одинакового размера могут иметь раз­ные заряды, отличающиеся даже по знаку. В обычных условиях газовых ионов очень мало и частицы аэрозоля сталкиваются с ними редко (одно столкновение за период от нескольких секунд до нескольких минут). При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может уве­личиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы в аэрозолях постоянно изменяется.

При отсутствии специфической адсорбции на поверхности частиц аэрозолей (т. е. при условии одинаковой адсорбируемости положительных и отрицательных ионов) величины их зарядов бу­дут колебаться около среднего нейтрального значения, так как вероятности встречи с положительными и отрицательными ио­нами одинаковы. Таким образом, электрические свойства частиц аэрозолей отражают тепловое движение ионов, частиц, и их можно характеризовать с помощью статистических законов. На­пример, вероятность приобретения частицей какого-либо заряда определяется выражением Эйнштейна для вероятности флук­туации:

 I

где А — работа, необходимая для осуществления флуктуации.

Эксперименты и расчеты показывают, что заряды частиц аэрозолей при отсутствии специфической адсорбции очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не бо­лее чем в 10 раз. Именно поэтому де Бройлю и Милликену удалось установить дискретный характер заряда частиц.

Специфическая адсорбция газовых ионов на частицах аэро­золей значительно осложняет оценку зарядов частиц. Такая ад­сорбция характерна для частиц, имеющих химическое сродство к газовым ионам, или для систем, в которых электрический по­тенциал на межфазной границе возникает еще при их образо­вании. Межфазный потенциал может возникнуть при условии резко выраженного различия полярных свойств среды и дисперс­ной фазы. Примером могут служить аэрозоли воды и снега; ориентация молекул воды на поверхности частиц по оценке А. Н. Фрумкина обусловливает электрический потенциал около 0,25 В. Электрический заряд на частицах может появиться и в процессе диспергирования полярных веществ, когда частицы, от­рываясь, захватывают заряд с поверхности макротела (балло-электризация). Химическое сродство частиц к ионам и возникший потенциал на межфазной границе приводят к тому, что час­тицы аэрозоля неодинаково адсорбируют противоположно заря­женные ионы, и средний их заряд в системе отличен от нуля. Опытным путем установлено, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно приобретают отрицательный заряд, а не­металлы и их оксиды заряжаются, как правило, положительно.

Заряженные частицы аэрозоля движутся в электрическом поле. Если не принимать во внимание силу тяжести и считать, что частица движется вдоль электрического поля, то, когда частица приобретает постоянную скорость движения, электри-ческая сила будет равна силе трения:

где Е — напряженность поля;

 q — заряд частицы.

При соблюдении закона Стокса скорость движения частицы равна

При учете гравитационного поля, направление которого проти­воположно электрическому полю, скорость движения частицы выражается уравнением:

где т — масса частицы.

Важным отличием аэрозолей от жидких дисперсных систем является отсутствие электронейтральности системы в целом. Суспензии, эмульсии, лиозоли в макроколичествах не имеют за­ряда, в них соблюдается закон электронейтральности. Аэрозоль даже в больших количествах может обладать значительным ста­тическим зарядом, а седиментация приводит к его неравномер­ному распределению в системе, что создает серьезные трудности: при рассмотрении закономерностей изменения свойств аэрозо­лей. Однако оценочные расчеты, например, напряженности элек­трического поля в облаках, можно провести с помощью простых соотношений.

В облаках постоянно изменяется дисперсность капель воды, вследствие чего происходит седиментационное разделение частиц по размеру и соответ­ственно по электрическому заряду. В результате нижний слой облака при­обретает отрицательный заряд, а верхний слой остается положительно за­ряженным.

Устойчивость и разрушение аэрозолей

Системы с газообразной дисперсионной средой, в частности аэрозоли, отличаются крайне низкой агрегативной устойчи­востью. Неустойчивость этих систем обусловлена инертностью среды в них. Для аэрозолей не характерны термодинамические факторы устойчивости, так как нельзя создать поверхностный слой на границе с газообразной средой, до минимума понижаю­щий поверхностное натяжение. Эти системы обладают лишь кинетической устойчивостью и поэтому не могут существовать при больших концентрациях дисперсной фазы. Число частиц в 1 см³ аэрозоля редко может превышать 10⁷, тогда как, на­пример, в 1 см³ гидрозоля золота может содержаться 10¹⁶ час­тиц и более. Частицы в аэрозолях быстро оседают под дейст­вием силы тяжести.

Другой особенностью аэрозоля, как уже отмечалось, явля­ются нестабильные и неравновесные электрические свойства их частиц. Если для лиозолей электрическое состояние системы соответствует равновесию между частицей и средой и электри­ческий потенциал на частицах практически одинаков, то в аэрозолях частицы могут иметь заряды даже разного знака, так как газообразная среда не может быстро обеспечить равновесие.

Вам также может быть полезна лекция "Писатели о понятии литература".

Благодаря интенсивному броуновскому движению в газовой среде коагуляция в аэрозолях протекает быстрее, чем в лиозолях. Константа коагуляции аэрозолей достигает значительно более высоких значений, поэтому скорость коагуляции сильно возрастает с увеличением концентрации аэрозоля. Если час­тицы обладают одинаковыми зарядами, это способствует их рассеянию и увеличению агрегативной устойчивости аэрозоля. При наличии же противоположно заряженных частиц коагу­ляция аэрозоля ускоряется. На скорость коагуляции влияют звуковые колебания и конвекционные потоки, увеличивающие вероятность столкновения частиц. Коагуляции способствует увеличение влажности среды, так как влажные пленки стяги­вают столкнувшиеся частицы (роль третьей фазы при смачи­вании).

Аэрозоли находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Туманы, получаемые механичес­ким диспергированием, применяют для опыления, опрыскива­ния, увлажнения, создания защитных завес и т. д. Размер частиц в таких туманах составляет не менее 1,0—1,5 мкм, что является основной причиной их быстрого гравитационного осаждения и коагуляции. Наиболее стабильны туманы, получа­емые при конденсации пересыщенных паров — метод, который нередко выступает в качестве необходимой стадии технологи­ческого процесса получения многих продуктов. Так, устойчивые конденсационные туманы образуются в производстве серной, хлороводородной и фосфорной кислот, в процессах хлорирова­ния, сульфирования, гидрохлорирования, при термическом раз­ложении некоторых солей, гидролизе ряда газов. Вследствие высокой дисперсности и часто сильной агрессивности дисперс­ных частиц разрушение таких туманов представляет весьма сложный и дорогостоящий процесс.

Аэрозоли в виде дыма и пыли сопутствуют практически каждому производству, потребляющему топливо. Улавливание пылей и борьба с дымами при современном развитии производства превращается в общественно необходимое мероприятие по охра­не окружающей среды.

Для разрушения аэрозолей и улавливания дисперсной фа­зы применяют различные методы. Крупные частицы осажда­ются в пылевых камерах. При изменении направления газовых потоков на частицы действует сила инерции: ударяясь о стенки газоходов, они резко теряют скорость и оседают. На этом явлении основано действие инерционных пылеуловителей и циклонов. Широко применяются мокрые уловители — скруббе­ры. В таких аппаратах частицы смачиваются и оседают на дно. Однако улавливаются в основном крупные частицы (более 3-5 мкм); для мелких частиц, находящихся, в пузырьке газа, вероятность взаимодействия с жидкостью меньше.

Эффективна очистка в электрофильтрах (аппаратах Коттреля), в которых генерируются отрицательно заряженные га­зовые ионы и электроны на коронирующем электроде (напря­жение 70—100 тыс. вольт). Отрицательные ионы, двигаясь к положительному осадительному электроду, отдают частицам аэрозоля свой заряд, которые,, заряжаясь, начинают переме­щаться в том же направлении. На положительном электроде частицы теряют заряд и осаждаются. Электрофильтры эффек­тивно задерживают частицы размером более 1 мкм.

Широкое распространение получили методы фильтрования аэрозолей. Однако эффективность всех методов уменьшается с увеличением дисперсности аэрозолей, поэтому для разруше­ния высокодисперсных аэрозолей используют методы предва­рительной коагуляции. Наиболее широкое распространение в промышленности получил метод улавливания аэрозолей, ос­нованный на конденсации паров жидкости (обычно воды) в среде аэрозоля. Частицы аэрозоля, выступая в качестве цент­ров конденсации, укрупняются и коагулируют вследствие кон­денсации на них паров воды, что облегчает их улавливание.