Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


АЭРОЗОЛИ

АЭРОЗОЛИ [от греч. аёг- воздух и лат. sol(utio)-раствор], дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Классификация. По способу образования различают конденсационные и диспергационные аэрозоли. Первые возникают в результате присоединения друг к другу молекул в-ва в пересыш. паре (т. наз. гомог. нуклеация) или конденсации пара на присутствующих в нем ионах или мельчайших частицах др. в-ва - ядрах конденсации (гетерог. нуклеация). Конденсац. аэрозоли с жидкой дисперсной фазой наз. туманами, с твердой - дымами.

К конденсационным относятся и аэрозоли, образующиеся при горении, хим. и фотохим. р-циях в газовой фазе, напр. при получении оксидов Si и Ti термич. гидролизом их хлоридов в пламени. Важнейший из таких аэрозолей - смог, возникающий в атмосфере в результате фотохим. р-ций между газообразными примесями под действием интенсивного солнечного освещения. Особенность конденсации продуктов хим. р-ций - возможность каталитич. действия конденсиров. частиц на превращ. исходных в-в. Конденсац. аэрозоли могут образоваться также вследствие испарения тел, в т. ч. в результате воздействия плазмы и лазерного излучения, с послед. конденсацией паров.

Диспергационные аэрозоли с твердыми частицами (пыли) образуются в атмосфере в прир. условиях, а также при измельчении твердых тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т.п. Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (иногда их наз. спреями) возникают при распаде струй или пленок жидкости, напр. при распылении жидкого топлива в двигателях внутр. сгорания. Важные практич. случаи образования жидких аэрозолей-распыление жидкости под воздействием расположенного в ней источника акустич. колебаний, разрушение струй при воздействии поля электрич. потенциала.

Часто возникают смешанные аэрозоли, состоящие из частиц разл. происхождения. Так, при взрывном разрушении твердых тел происходит, как правило, диспергирование в-ва и его испарение с послед. конденсацией паров и образованием аэрозолей.

Основные характеристики. Дисперсионную среду характеризуют хим. составом, т-рой, давлением, степенью ионизации, параметрами внеш. физ. полей, полем скоростей течения, наличием турбулентности и ее параметрами, наличием и величиной градиентов т-ры и концентрации компонентов. Важнейшие параметры дисперсной фазы аэрозолей - объемная доля частиц1045-26.jpg и их массовая доля1045-27.jpg, число частиц в единице объема (счетная концентрация) nр, средний размер частицы dp и ее электрич. заряд. Параметры дисперсной фазы атм. аэрозолей при нормальных т-ре и давлении составляют: dp 5*108-10-2 см, пр 1-108 см-3,1045-28.jpg 10-18-10-1,1045-29.jpg 10-19 В верх. слоях атмосферы пр = 105-1014 см-3,1045-30.jpg 10-19 -10-33. Наряду с усредненными величинами дисперсную фазу характеризуют распределением частиц по размерам и по величине электрич. заряда (последнее даже для монодисперсных аэрозолей). Если в-во дисперсной фазы радиоактивно, необходимо знать также уд. активность частиц.

Взаимод. между дисперсной фазой и дисперсионной средой определяется процессами переноса массы, энергии, импульса, электрич. заряда и др., а также явлениями на границе раздела фаз. Процессы переноса описываются ур-ниями, конечный вид к-рых зависит от числа Кнудсена Кп =1045-31.jpg, где1045-32.jpg-длина своб. пробега газовых молекул, dp-диаметр частицы аэрозоля. При Кп1045-33.jpg1 и, следовательно, dp1045-34.jpg дисперсионная среда может рассматриваться как сплошная; в этом случае говорят о континуальном режиме процессов переноса. Если Кп1045-35.jpg1, аэрозоль можно рассматривать как смесь двух газов, молекулы одного из к-рых - частицы аэрозоля - намного тяжелее молекул дисперсионной среды. В такой системе процессы переноса описываются с помощью ур-ний газокинетич. теории (т. наз. свободномолекулярный режим). Наконец, при Кп1045-36.jpg 1 (диаметр частиц при атм. давл. 0,01-1,0 мкм) процессы переноса рассчитываются приближенными методами динамики разреженных газов (переходный режим). Точность ур-ний, описывающих процессы переноса в свободномолекулярном и континуальном режимах на границах указанного интервала размера частиц, определяющего значения Кп, составляет ок. 10%. На процессы переноса в аэрозолях влияет движение частиц относительно среды под действием внеш. сил или по инерции; оно характеризуется числом Маха Ма=1045-37.jpg, где ир -скорость частиц относительно среды,1045-38.jpg-скорость теплового движения молекул среды. При анализе характера переноса импульса вместо числа Маха часто используют число Рейнольдса Re = 4Ma/Kn.

Свойства. Важнейшие св-ва аэрозолей - способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преим. как единое целое и при столкновении прилипать друг к другу или к к.-л. пов-сти с вероятностью, равной единице. В покоящейся среде частицы аэрозолей поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собств. тепловому движению, энергия к-рого для частиц любой массы равна 3/2kT, где k - постоянная Больцмана, T - абс. т-ра, и вследствие обмена энергией с молекулами среды. Распределение концентрации частиц по высоте обычно характеризуют параметром1045-39.jpg (перреновской высотой), где

1045-40.jpg -ускорение силы тяжести,1045-41.jpg-масса частицы. Для достаточно малых частиц, когда Нр намного превосходит их линейный размер, энергии теплового движения достаточно для поддержания частиц во взвешенном состоянии даже в отсутствие дисперсионной среды. Если же размер частиц сравним с Нр или больше него, то для поддержания частиц во взвешенном состоянии необходима дополнит. энергия, получаемая при соударениях с молекулами среды. Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта1045-42.jpg , где1045-43.jpg-концентрация газовых молекул,1045-44.jpg-длина их своб. пробега. При Sc < 107 существен лишь вклад собств. теплового движения частиц; при атм. давлении этому условию соответствуют частицы единичной плотности размером ~2 мкм. При So > 105 имеет значение лишь обмен энергией между частицами и средой. При 107 < Sc < 105 оба вклада соизмеримы. В турбулентной среде частицам аэрозолей присущи две осн. формы движения - увлечение дисперсионной средой и смещение относительно нее. Поддержание частиц во взвешенном состоянии определяется их инерционностью и характеризуется т. наз. турбулентным числом Шмидта ScT, равным отношению коэффициентов турбулентной диффузии частиц DpT и молекул соеды DT . Величина1045-45.jpgназ. степенью обтекания,1045-46.jpg -степенью увлечения частиц. Способность частиц аэрозолей сохраняться во взвешенном состоянии без приложения возмущающего воздействия к дисперсионной среде отличает аэрозоли от псевдоожиженного (кипящего) слоя, к-рый также является двухфазной системой с газовой дисперсионной средой.

Частицы аэрозолей могут смещаться относительно среды, гл. обр. под действием внеш. полей, напр. поля силы тяжести, в к-ром частицы оседают, а также сил инерции (если среда движется ускоренно), градиентов т-р и концентраций. Скорость движения частиц определяется внеш. силой и силой сопротивления среды движению частиц. В большинстве случаев эти силы уравновешивают друг друга, и частицы движутся с постоянной скоростью; лишь в средах с сильной турбулентностью и в акустич. полях движение ускоренное. Отношение скорости v стационарного движения частицы к действующей на нее силе наз. подвижностью частицы В. В континуальном режиме1045-47.jpg , где1045-48.jpg -вязкость среды (ф-ла Стокса). Эта ф-ла позволяет рассчитывать В с точностью до 10% при Кп > 0,1 и Re < 0,6. При больших Re вводят поправочные множители, являющиеся ф-циями Re. В области 1 < Кп < 0,1 в ф-лу Стокса вводят поправочный множитель Кеннингема, равный (1 + А1Кп), где A1 - эмпирич. постоянная. В свободномолекулярном режиме при Кп > 10 В = (Ai + Q/3) (ф-ла Эпштейна), где Q - др. эмпирич. постоянная. В переходном режиме для расчета В предложен ряд эмпирич. ф-л, из к-рых наиб. распространена ф-ла Милликена:1045-49.jpg1045-50.jpg , где b- эмпирич. постоянная. Для капель масляного тумана, напр., в ф-ле Эпштейна (А1 + Q) = 1,154, в ф-ле Милликена A1 = 1,246, Q = 0,42, b = 0,87. Значение В определяет коэф. тепловой диффузии частиц D = kTB, наз. иногда коэффициентом броуновской диффузии.

При наличии в дисперсионной среде градиентов т-ры или концентрации частицы аэрозоля движутся даже при отсутствии внеш. сил; соответствующие явления наз. термо- и диффузиофорезом. В свободномолекулярном режиме термофорез аналогичен термодиффузии (см. Диффузия); в континуальном режиме он обусловлен тангенциальной силой, действующей на частицу вследствие возникновения потока газа (термич. скольжения) вблизи неоднородно нагретой пов-сти частицы. Частный случай термофореза - фотофорез: движение частиц под действием светового облучения. Этот эффект обусловлен неравномерным нагревом частиц и среды, гл. обр. из-за различной их способности отражать и поглощать свет. Диффузиофорез, обусловленный градиентом концентрации при постоянном полном давлении, происходит, напр., вблизи пов-стей испарения или конденсации.

Частицы аэрозолей размером менее 1 мкм всегда прилипают к твердым пов-стям при столкновении с ними. Столкновение частиц друг с другом при броуновском движении приводит к коагуляции аэрозолей. Для монодисперсных аэрозолей со сферич. частицами скорость коагуляции dn/dt= — Кп2, где n - число частиц в единице объема, К -т. наз. коэф. броуновской коагуляции. В континуальном режиме К рассчитывают по ф-ле Смолуховского1045-51.jpg , в свободномолекулярном - по ф-ле1045-52.jpg, где ир-средняя скорость теплового движения аэрозольных частиц,1045-53.jpg-коэф., учитывающий влияние межмол. сил и для разл. в-в имеющий значение от 1,5 до 4. Для переходного режима точных ф-л для вычисления К не существует. Помимо броуновского движения коагуляция аэрозолей может иметь и др. причины. Т. наз. градиентная коагуляция обусловлена разностью скоростей частиц в сдвиговом потоке; кинематическая - разл. скоростью движения частиц относительно среды (напр., в поле гравитации); турбулентная и акустическая - тем, что частицы разного размера сближаются и сталкиваются, будучи в разной степени увлечены пульсациями или звуковыми колебаниями среды (последние две причины существенны для инерц. частиц размером не менее 10-6 м). На скорость коагуляции влияет наличие электрич. заряда на частицах и внеш. электрич. поля.

Аэрозольные частицы способны приобретать электрич. заряд, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые ионы, направленно движущиеся к частицам во внеш. поле или диффундирующие в среде. Диспергационные частицы могут приобретать заряд и в процессе образования -при разбрызгивании жидкостей (баллоэлектрич. эффект) или распылении порошков (трибоэлектрич. эффект), при освещении (фотоэффект), радиоактивном распаде и т.п. В аэрозолях, образующихся при высокой т-ре, напр. при испарении и послед. конденсации паров, заряды на частицах возникают также в результате термоэлектронной или термоионной эмиссии.

Аэрозоли обладают ярко выраженным рассеянием света, закономерность к-рого определяется диапазоном значений параметра1045-54.jpg , где1045-55.jpg-длина волны излучения. При1045-56.jpg> 1 сечение светорассеяния возрастает с уменьшением размера частиц. С уменьшением1045-57.jpg сечение становится пропорциональным1045-58.jpg. Поэтому высокодисперсные частицы рассеивают видимое, а тем более ИК-излучение слабо. При фиксиров. размере частицы сечение светорассеяния убывает пропорционально1045-59.jpg. При рассеянии света частицами аэрозолей меняется состояние поляризации излучения. Измерения светорассеяния и состояния поляризации рассеянного света используют для определения размеров частиц и распределения по размерам. См. также Дисперсные системы.

В технике образование аэрозолей часто нежелательно, т. к. приводит к загрязнению атмосферы (в т.ч. производственной) и технол. потоков. Кроме того, большую опасность представляют взрывы пылей в сахарном, мукомольном и нек-рых др. произ-вах. Все это вызвало к жизни развитие методов пылеулавливания и туманоулавливания. Вместе с тем хим. пром-сть либо непосредственно использует аэрозольное состояние в-ва в технол. процессах, либо производит продукты в аэрозольной форме для послед. их использования. Через аэрозольное состояние получают мн. высокодисперсные продукты - наполнители, пигменты, катализаторы, компоненты высокоэнергетич. топлив. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значит. часть твердого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине и ветеринарии, для защиты посевов от с.-х. вредителей, обработки складских помещений, предотвращения выпадения града. Широкое применение в быту нашли аэрозольные баллончики - устройства, в к-рых жидкий препарат или суспензия выдавливается из резервуара и распыляется давлением хладона (см. Бытовая химия).

Термин "аэрозоли" был впервые использован англ. химиком Ф. Дж. Доннаном в конце 1-й мировой войны для обозначения облаков, состоящих из частиц мышьяковистых соед., применявшихся как отравляющие в-ва немецкими войсками.


===
Исп. литература для статьи «АЭРОЗОЛИ»: Фукс Н. А., Механика аэрозолей, М., 1955; его же, Рост и испарение капель в газообразной среде, М., 1958; Мейсон Б. Д., Физика облаков, пер. с англ., Л., 1961; Грин X., Лейн В., Аэрозоли-пыли, дымы и туманы, пер. с англ.. Л., 1969; Медников Е. П., Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей, М., 198,1. А. Г. Сут\гин.

Страница «АЭРОЗОЛИ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Еще по теме:

     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн