Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Такие микрокристаллики появляются при высыхании мельчайших морских брызг и поднимаются иа большую высоту конвекционными потоками воздуха. На процесс конденсационного образования аэрозолей существенное влияние оказывает электрический заряд. Возникновение за- 343 ряда на частицах аэрозоля, связанное с затратой работы заряжения, может привести к значительному снижению поверхностного натяжения на границе частица — среда, что особенно существенно для зародышевых частиц (см. гл. М). Снижение поверхностного натяжения частицы радиусом г, несущей заряд д, можно определить, проинтегрировав уравнение Липпмана (П1.16): с)о =Р с~'Ро где р, = —, — поверхностная плотность заряда; ~ра — потенциал ка- Ч 4иг' пли.
В результате интегрирования получаем оа-о= Ч 32и'гзе, р(г) =р, ехр Этому выражению соответствует кривая с максимумом (рис. М11-1); так, при о 70 мДж/м' и заряде д, равном заряду электрона, положение максимума отвечает частицам рая диусом 1 — 2 нм.
Ри При гомогенном образовании новой и , 'фазы (см. гл. т1) для возникновения уел=о тойчивого зародыша необходима флуктуация, работа которой определяется величиной пересышения маточной среды. При наличии зарядов, например, свободных ионов в атмосфере пара, давление которого больше давления р„, отверис ттп $ зааисииссть раа чающе максиму у кривой р (г), обрансасснстс давления нара р ст зование зародышей радиусом г,„не трерадиуса заряженных аэрозоль- бует флуктуации: капли жидкой фазы ных частиц возникают в результате конденсации на Ра 0 г т г„, т 344 т. е. понижение значения о на границе капли с паром при ее заряжении пропорционально квадрату заряда. Зависимость равновесного давления пара от размера аэрозольной частицы описывается уравнением Томсона (Кельвина), которое для частиц, несущих заряд д, принимает вид: ионах, как ядрах конденсации, и растут самопроизвольно во всей областиразмеровдог-» «». Прир = р' < р возникаютзародыши капель радиусом г~„для дальнейшего их роста нужна флуктуация, в результате которой они вырастают до размеров г2 и далее увеличиваются самопроизвольно.
Работа флуктуации в этом случае значительно меньше, чем при гомогенном образовании незаряженных зародышей. Даже при р = рв, т. е. в отсутствие пересыщения в паре, возникают капельки радиусом гц. Способность электрических зарядов облегчать возникновение зародышей новой фазы (снижать работу их образования) лежит в основе работы таких приборов, как камера Вильсона и пузырьковая камера. В камере Вильсона интенсивная конденсация пара вызывается ионами, которые создают пролетающие частицы на своем пути. Траектории полета частиц делаются видимыми вследствие рассеяния света, что позволяет обнаружить присугствие элементарных частиц и установить их характер. В пузырьковой камере в качестве среды используется «растянутая» жидкость„т.
е. жидкость, находящаяся под отрицательным давлением. В различных практических областях остро стоит задача управления устойчивостью аэрозолей. В одних случаях, например при использовании аэрозолей в качестве дымовых завес, приходится поддерживать стабильность аэрозольной системы, в других — необходимо предотвратить их возникновение или обеспечить их эффективное разрушение.
Например, необходимо разрушать (осаждать) тонкие, зависающие в воздухе пыли, образование которых почти всегда сопутствует процессу дробления и помола твердых материалов. Нередко такие аэрозоли представляют значительную опасность для здоровья людей, так как, проникая в легкие, вызываютлегочные заболевания (силикоз, антракоз). Многие органические вещества, находясь в состоянии высокодисперсных аэрозолей, оказываются взрывоопасными, поскольку горение мгновенно охватывает огромную поверхность и сопровождается резким увеличением обьема.
Это относится, в частности, к таким обычным веществам, как мука, сахар, угольная пыль, пылевидные отходы обработки полимерных материалов и т. п. Значительное увеличение количества техногенных аэрозолей, возникающих при горении, может заметно изменить условия образования облаков и за счет этого климат планеты. В основных «кухнях погоды» — тропических областях Атлантического, Тихого и Индийского океанов и в приполярных областях — из-за слабого промышленного развития этих районов техногенные выбросы пока сравнительно невелики. Другое опасное экологическое последействие увеличения количества антропогенных аэрозолей (они составляют 345 - 20 % общего количества аэрозолей в природе) — уменьшение прозрачности атмосферы.
Есть данные о том, что концентрация аэрозолей в атмосфере после больших извержений вулканов увеличивается, что может влиять на климатические условия. Так, при катастрофическом извержении (взрыве) вулкана Кракатау в Индонезии (1883) в атмосферу было выброшено - 18 км твердых частиц всех размеров, наиболее мелкие из 3 которых оставались во взвешенном состоянии более года. Большинство методов разрушения аэрозолей связано с интенсификацией процессов коагуляции, коалесценции и прилипания частиц аэрозолей к поверхностям (твердым стенкам фильтров, к каплям жидкости при искусственном дождевании), а также процессов седиментации(путем изменения скорости и направления потока аэрозоля при инерционном осаждении). В замкнутом объеме, например в поре диаметром Ы, разрушение аэрозоля может происходить вследствие седиментации (более крупных) и диффузии (мелких) частиц к стенкам поры и последующего налипания на них.
Время разрушения аэрозолей в результате седиментации составляет Ь„- д/т (г = — — скорость движения частит8 бяпг цы радиусом г в среде вязкостью и), а в результате диффузии г„„ф - и' /Р (Р х — — коэффициент диффузии частиц). Конкурен- 2 кТ бяпг ция этих двух факторов приводит к тому, что в фильтрах с порами радиусом 10 — 10 см наиболее устойчивыми оказываются частицы средних размеров 10 — 10 см, для которых Г„,=г,„ф, т, е. тйп' и (10 + 15) к Т. Улавливание таких частиц представляет достаточно сложную задачу. Эффективность улавливания существенно повышается за счет использования фильтров с очень извилистыми порами (фильтры Петрянова).
Эффективным способом управления устойчивостью атмосферных аэрозолей является распыление в них концентрированных растворов гигроскопических веществ (например, хлорида кальция) или твердых частиц (иодида серебра, твердого диоксида углерода). Вызванная этим конденсация водяного пара и рост капелек воды (или кристалликов льда) в переохлажденных облаках приводят к выпадению осадков. Аналогичным образом можно рассеивать туман. В промышленности для разрушения аэрозолей с целью очистки газовых смесей широко используют действие электрического поля (метод Коттреля). В электрофильтре Коттреля при пропускании дыма или тумана через электрическое поле высокого напряжения 346 частицам аэрозоля сообщается заряд. Заряжение частиц, вызванное адсорбцией ионов, возникающих в результате ионизации воздуха при коронном разряде (преимущественно отрицательных ионов), обеспечивает электрофорез и осаждение частиц на аноде.
ЧП1.2. Пены н пенные пленки Пена — дисперсия газа (чаще всего воздуха) в жидкой дисперсионной среде — представляет собой типичную лиофобную систему. Различают разбавленные дисперсии газа в жидкости, которые за их сходство с разбавленными эмульсиями обычно называют газовыми эмульсиями, и собственно пены с содержанием газовой фазы более 70 % по объему. В качестве характеристики концентрации пены часто используют отношение объема пены к объему содержащейся в ней жидкости, эту величину называют кратностью пены К. Вследствие седиментационной неустойчивости большинства газовых эмульсий, при всплывании (обратной седиментации) пузырьков сверху образуется слой концентрированной пены, и именно в ней происходят затем процессы разрушения системы. В пенах заполненные газом ячейки разделены пленкамидисперсионной среды.
Характерной «идеализированной» фигурой ячеек пен (рис. У1П-2) является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями, имеющий 30 ребер и 20 вершин). Однако эти фигуры не могут непрерывно заполнять пространство, и в реальной пене среднее число пленок, окружающих ячейку, близко к 14~. Ребрами пенной ячейки служат заполненные дисперсион ной средой каналы Гиббса — Плато (ему.2).Ж. Плато показал, что в одном канале могут сходиться только три пленки, расположенные под углами 120'. Поверхность канала имеет сложную вогнутую форму, описываемую условием постоянства сумм двух главных кривизн; капиллярное давление под вогнутой поверхностью обусловливает пониженное давление в канале Гиббса — Плато.
В высокократных пенах поверхность канала Гиббса — Плато близка к цилиндрической, т. е. имеет постоянное сечение в виде треугольника с вогнутыми сторонами, и давление в нем понижено по сравнению с давлением в ячейках пены на величину гу/г„, где г„— радиус кривизны поверхности канала (стороны треугольника). 1 См. П.М. Кругляков, Д.Р. Екеерова. Пены и пенные пленки. Мл Химия, 1990. 347 Пл алы Рис. туп-2. Строение пенной ячейки Вершины соседних пентагональных додекаэдров образуют узлы, в которых сходятся, как показано Плато, четыре канала. При этом четыре вершины, ближайшие к данной, образуют тетраэдр (подобие расположению атомов ближайшей координационной сферы в решет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
