Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 72
Текст из файла (страница 72)
ЧИ!.1. Аэрозоли Дисперсные системы с газовой дисперсионной средой независимо от агрегатного состояния дисперсной фазы называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсной фазой — это туманы, с твердой — дымы (при высокой дисперсности), выли и юрошки (при более грубой дисперсности). Аэрозоли, в которых наряду с твердой дисперсной 339 фазой присутствует и жидкая, образующаяся в результате конденсации паров на поверхности твердых частиц, обычно называют «смогом«; именно такие аэрозоли чаще всего присутствуют в атмосфере крупных промышленных городов. Аэрозоли играют важную роль в самых разнообразных областях. В природе они обусловливают практически все метеорологические, в том числе грозовые, явления.
В сельском хозяйстве с использованием аэрозолей связаны проблемы искусственного дождевания, нанесение ядохимикатов для борьбы с вредителями и болезнями растений. В технике — это очистка воздуха и различных газовых смесей перед вх поступлением в реакторы, а также улавливание ценных веществ, уносимых отходящими газами. В медицине и быту — это использование аэрозольной формы лекарственных препаратов и препаратов бытовой химии и т. п. С проблемой защиты от аэрозолей, образующихся, например, при добыче полезных ископаемых, сжигании топлива, связаны многие ключевые вопросы охраны здоровья людей и зашиты природы.
В связи с этим изучению аэрозолей, условий их возникновения и разрушения уделяется большое внимание. Наука об аэрозолях составляет важный и хорошо развитый раздел современной коллоидной химии. Газовая дисперсионная среда вносит ряд своеобразных черт в свойства аэрозолей. Прежде всего — это их принципиальная лиофобность и отсутствие эффективных путей стабилизации. Время разрушения аэрозольной системы определяется только скоростью седиментации или коагуляции, т.
е. устойчивость аэрозолей (с заметной концентрацией дисперсной фазы) имеет кинетический характер. Другая особенность аэрозолей связана с тем, что размер частиц дисперсной фазы соизмерим с длиной свободного пробега молекул в газе Л„= (пг„,ХАс), где г„— радиус молекул, с — концентрация 2 -1 газа. Закономерности движения аэрозольных частиц определяются так называемым числом Кнудсена Кп = Л„/2п При Кп < 10 после соударения молекулы с поверхностью частицы она многократно сталкивается вблизи поверхности частицы с другими молекулами, передавая им часть полученного от частицы импульса, т.
е. справедливы законы движения частицы в сплошной среде, в частности закон Стокса (1У.4): г" 7=— бпг)г Для частиц малого размера, когда Кп > 10, применимы законы г молекулярно-кинетической теории, в соответствии с которой сопро- 340 тивление движению частиц пропорционально их сечению и скорость их движения т под действием силы Г равна: Г Л, Г 7- — — ' 2т„Р„2яг'т„Р„Х„с где и„— масса молекул газа; у„= (ЬМ т/пт„) ~ — средняя скорость их движения; Л,= (яг'Х,с) ' — длина свободного пробега частиц.
Сопротивление движению частиц в этих условиях возникает вследствие того, что для движущейся частицы средняя скорость при ударе молекул о ее переднюю поверхность оказывается выше скорости удара о заднюю поверхность. Для большинства наиболее важных аэрозольных систем число Кнудсена имеет промежуточное значение: 10 < Кп < 10 . Для описания поведения таких систем существуют лишь эмпирические зависимости, как, например, формула, предложенная Кеннингемом: в = — (1+1,26Кп) = — ~1+0,63 — "~.
Р Р ( Л„) бит(г бтл)г ~ ' г При г» Л„это выражение переходит в закон Стокса, а при г « Л„ оно дает квадратичную зависимость силы трения и, соответственно, скорости от радиуса частиц: в- Р/гз. Многие специфические свойства аэрозолей связаны с особенностями дисперсионной среды — воздуха, его низкой вязкостью и малой электрической проводимостью. Лиофобность аэрозолей и высокие коэффициенты диффузии в газовой фазе обусловливают большую скорость процессов изотермической перегонки и коагуляции, следствием которых является нарушение агрегативной устойчивости системы. Малая вязкость дисперсионной среды приводит к тому, что частицы быстро оседают, и аэрозольная система разрушается при значительно меньших размерах частиц или их агрегатов, чем лиозоли.
В результате концентрация и дисперсность исходно высокодисперсных аэрозолей достаточно быстро падают. В реальных аэрозолях концентрация дисперсной фазы, как правило, составляет не более 10 — 10 частиц~ем, что значительно ниже концентрации лиозолей, достигающей 10 частиц/см .
Размер частиц в большинстве аэрозолей оказывается в интервале 10 — 10 см: более крупные частицы быстро оседают, а мелкие исчезают вследствие коагуляции. В отличие от золей, в растворах электролитов заряд на частицах аэрозолей есть величина случайная, определяемая случайными столкновениями частиц с ионами в газах. При заряжении частицы, которую можно рассматривать как сферический конденсатор с емко- 341 стью С, пропорциональной радиусу частицы г, работа заряжения рав- на: В~ = — = 9 27 2С 8ткеаг (е, = 8,85 10 "Ф/м — электрическая постоянная в единицах СИ).
В силу того„что диэлектрическая проницаемость воздуха (а ~ 1) много ниже, чем воды (а ~ 80), для заражения частиц до одинакового заряда в аэрозолях требуется совершение большей работы, чем для гидроюлей. Вследствие этого средний заряд частиц аэрозолей оказывается ниже, чем в гидрозолях, и сильнее флуктуирует от частицы к частице, В соответствии с теорией флуктуаций величина среднего заряда определяется соотношением Для частиц радиусом гв 10 ~ м при Ти 300 К и 8Тм 4,2 10 "Дж имеем 2 4 7 10-27(Кл)2.
( 2)!/22ц 7 102и Кл Напомним, что заряд электрона е = 1,6 10 "Кл, т.е. в среднем заряд частицы соответствует всего лишь нескольким (около четырех) элементарным зарядам. Наблюдая за частицами масла в опытах по электрофорезу капель масляного тумана (на фоне их броуновского движения), Милликен показал, что заряд частиц всегда оказывается кратным одной и той же величине 1,б 10 "Кл. Это позволило доказать дискретный характер электрического заряда и определить величину элементарного заряда. Наличие зарядов на поверхности аэрозольных частиц обусловливает возникновение значительных потенциалов при оседании аэрозолей с одноименно заряженными частицами, которое приводит к появлению грозовых разрядов в атмосфере и помех в работе радиоустройств.
Оседание аэрозольных частиц, например капель тумана или дождя, радиусом б средним зарядом д и концентрацией л создает электрический ток и вызывает появление электрического поля напряженностью Е (потенциала седиментации). В соответствии с рассмотренным ранее уравнением (У.29) напряженность поля, возникающего при седиментации в среде с удельной электрической проводимостью Ае, определяется как 342 2ею<рюптя птя(д/г) (ЧП1.1) ЗЛюо)+Зяаопроп бяЛюо)+пг(д/г)' где потенциал поверхности юр„равный в случае аэрозоля электроки- иетическому потенциалу С, связан с зарядом частицы соотношением юрю =~= 4яаюг А.Н. Фрумкин показал, что благодаря большому дипольному моменту молекул воды электрический потенциал на поверхности капелек водяного тумана может достигать 250 мВ.
Согласно выражению (ЧП1.1), при оседании частиц с г ~ 10 м и т м 5 10 г при п ~ 10 -5 — 9 ю частиц/м ~что характерно для кучевых облаков), о) 1,7 1О Па с, Лю ~ 4 10 См/м могут возникать электрические поля, напряженность Е кото рьгх близка к 1О В/м. В нестационарных условиях (при конвекции) значения Е могут быть еще выше и достигать значений, при которых происходит пробой воздуха электрическим разрядом, т. е. возникает молния. Подобно всем дисперсным системам, аэрозоли могут образовываться как при диспергировании макрофаз, так и при конденсации (см.
гл. Ч1). Аэрозоли, образующиеся в процессах диспергирования, как правило, имеют невысокую дисперсность и обладают большей полидисперсностью, чем аэрозоли, образующиеся в процессах конденсации. Диспергационные методы образования аэрозолей лежат в основе получения и использования многих важных материалов и препаратов. Это, например, получение порошков при помоле твердых материалов, разбрызгивание форсунками жидкого топлива (для интенсификации процесса горения), ядохимикатов (для защиты растений от вредителей), лаков и красок (при нанесении защитных покрытий) и т.
п. В природе процессы диспергирования ведут к образованию пыли. Конденсационное образование аэрозолей является основным природным и техническим процессом образования высокодисперсиых аэрозолей. Так, возникновение кучевых облаков, содержащих капли воды, или перистых, состоящих из кристалликов льда, происходит в, основном, в результате их гетерогенного зарождения на пылинках и микрокристалликах соли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
