Аерозолі - хімічна енциклопедія

аерозолі

аерозолі [Від грец. аёг- повітря і лат. sol (utio) -розчин], дисперсні системи з газовим дисперсійним середовищем і твердою або рідкою дисперсною фазою. Класифікація. За способом утворення розрізняють конденсаційні і діспергаціонние аерозолі. Перші виникають в результаті приєднання один до одного молекул в-ва в пересиш. парі (т. зв. гомог. нуклеація) або конденсації пари на присутніх в ньому іони або найдрібніших частинках ін. в-ва - ядрах конденсації (гетерог. нуклеація). Конденсації. аерозолі з рідкою дисперсною фазою зв. туманами, з твердою - димами.

До конденсаційних відносяться і аерозолі, які утворюються при горінні. хім. і фотохім. р-ціях в газовій фазі, напр. при отриманні оксидів Si і Ti тримаючи. гідролізом їх хлоридів в полум`я. Найважливіший з таких аерозолів - зміг, що виникає в атмосфері в результаті фотохім. р-ций між газоподібними домішками під дією інтенсивного сонячного освітлення. Особливість конденсації продуктів хім. р-ций - можливість каталитич. дії конденсується. частинок на превращ. вихідних в-в. Конденсації. аерозолі можуть утворитися також внаслідок випаровування тел, в т. ч. в результаті впливу плазми і лазерного випромінювання, з послід. конденсацією парів.

Діспергаціонние аерозолі з твердими частинками (пилу) утворюються в атмосфері в прир. умовах, а також при подрібненні твердих тіл в шахтах, пересипанні порошків (борошна, крейди) і т.п. Аерозолі з рідкої дисперсною фазою (іноді їх зв. Спреями) виникають при розпаді струменів або плівок рідини. напр. при розпилюванні рідкого палива в двигунах внутр. згоряння. Важливі практич. випадки утворення рідких аерозолів-розпилення рідини під впливом розташованого в ній джерела акустич. коливань, руйнування струменів при впливі поля електричні. потенціалу.

Часто виникають змішані аерозолі, що складаються з частинок разл. походження. Так, при вибуховому руйнуванні твердих тіл відбувається, як правило, розпорошення в-ва і його випаровування з послід. конденсацією парів і утворенням аерозолів.

Основні характеристики. Дисперсійне середовище характеризують хім. складом, т-рій, тиском. ступенем іонізації, параметрами зовн. фіз. полів, полем швидкостей течії, наявністю турбулентності і її параметрами, наявністю і величиною градієнтів т-ри і концентрації компонентів. Найважливіші параметри дисперсної фази аерозолів - об`ємна частка частинок і їх масова частка, число часток в одиниці об`єму (лічильна концентрація) n_р. середній розмір частки d_p і її електричні. заряд. Параметри дисперсної фази атм. аерозолів при нормальних т-ре і тиску складають: d_p 5 * 10 8 -10 -2 см, п_р 1-10 8 см -3, 10 -18 -10 -1, 10 -19 В верх. шарах атмосфери п_р = 10 5 -10 14 см -3, 10 -19 -10 -33. Поряд з усередненими величинами дисперсную фазу характеризують розподілом часток за розмірами і за величиною електричні. заряду (останнє навіть для монодисперсних аерозолів). Якщо в-во дисперсної фази радіоактивно, необхідно знати також уд. активність частинок.

Взаимод. між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем визначається процесами перенесення маси, енергії, імпульсу, електричні. заряду і ін. а також явищами на межі поділу фаз. Процеси переносу описуються ур-нями, кінцевий вигляд яких брало залежить від числа Кнудсена Кп =, де-довжина своб. пробігу газових молекул. d_p -діаметр частинки аерозолю. при Кп1 і, отже, d_p дисперсійнаСереда може розглядатися як сплошная- в цьому випадку говорять про континуальному режимі процесів переносу. якщо Кп1, аерозоль можна розглядати як суміш двох газів. молекули одного з яких брало - частинки аерозолю - набагато важче молекул дисперсійного середовища. У такій системі процеси переносу описуються за допомогою ур-ний газокінетіч. теорії (т. зв. свободномолекулярний режим). Нарешті, при Кп 1 (діаметр частинок при атм. Тиску. 0,01-1,0 мкм) процеси перенесення розраховуються наближеними методами динаміки розріджених газів (перехідний режим). Точність ур-ний, що описують процеси перенесення в свободномолекулярном і континуальному режимах на кордонах зазначеного інтервалу розміру часток, визначального значення Кп, становить бл. 10%. На процеси перенесення в аерозолях впливає рух частинок щодо середовища під дією зовн. сил або по інерціі- воно характеризується числом Маха Ма =, де і_р -швидкість частинок щодо середовища,-швидкість теплового руху молекул середовища. При аналізі характеру перенесення імпульсу замість числа Маха часто використовують число Рейнольдса Re = 4Ma / Kn.

Властивості. Найважливіші св-ва аерозолів - здатність частинок зберігатися в підвішеному стані, переміщатися переважно. як єдине ціле і при зіткненні прилипати один до одного або до до.-л. пов-сті з ймовірністю, яка дорівнює одиниці. У яка покоїться середовищі частинки аерозолів підтримуються в підвішеному стані в поле гравітації завдяки їх власної. тепловому руху, енергія догрого для частинок будь-якої маси дорівнює 3 /₂ kT, де k - постійна Больцмана. T - абс. т-ра, і внаслідок обміну енергією з молекулами середовища. Розподіл концентрації частинок по висоті зазвичай характеризують параметром (Перреновской висотою), де

-прискорення сили тяжіння,-маса частинки. Для досить малих часток, коли Н_р набагато перевершує їх лінійний розмір, енергії теплового руху досить для підтримки частинок в підвішеному стані навіть під час відсутності дисперсійного середовища. Якщо ж розмір часток порівняємо з Нр або більше нього, то для підтримки частинок в підвішеному стані необхідна доповнить. енергія, що отримується при зіткненнях з молекулами середовища. Співвідношення між двома цими видами енергії характеризується числом Шмідта. де-концентрація газових молекул,-довжина їх своб. пробігу. при Sc lt; 10 7 істотний лише внесок власної. теплового руху частинок-при атм. тиску цій умові відповідають частки одиничної щільності розміром

2 мкм. при So gt; 10 5 має значення лише обмін енергією між частинками і середовищем. При 10 7 lt; Sc lt; 10 5 обидва вкладу порівнянні. У турбулентному середовищі часткам аерозолів притаманні дві осн. форми руху - захоплення дисперсійним середовищем і зміщення щодо неї. Підтримка частинок в підвішеному стані визначається їх інерційністю і характеризується т. Зв. турбулентним числом Шмідта Sc_T. рівним відношенню коефіцієнтів турбулентної дифузії частинок D_pT і молекул соедов D_T. величинаназ. ступенем обтікання, -ступенем захоплення частинок. Здатність частинок аерозолів зберігатися в підвішеному стані без додатка впливу, що обурює до дисперсійному середовищі відрізняє аерозолі від псевдоожиженного (киплячого) шару, к-рий також є двофазної системою з газовим дисперсійним середовищем.

Частинки аерозолів можуть зміщуватися щодо середовища, гл. обр. під дією зовн. полів, напр. поля сили тяжіння, в к-ром частки осідають, а також сил інерції (якщо середовище рухається прискорено), градієнтів т-р і концентрацій. Швидкість руху частинок визначається зовн. силою і силою опору середовища руху частинок. У більшості випадків ці сили врівноважують один одного, і частинки рухаються з постійною скоростью- лише в середовищах із сильною турбулентністю і в акустич. полях рух прискорений. Ставлення швидкості v стаціонарного руху частинки до діючої на неї силі зв. рухливістю частки В. В континуальному режимі. де -в`язкість середовища (ф-ла Стокса). Ця ф-ла дозволяє розраховувати В з точністю до 10% при Кп gt; 0,1 і Re lt; 0,6. При великих Re вводять поправочні множники, які є ф-ціями Re. В області 1 lt; Кп lt; 0,1 в ф-лу Стокса вводять поправочний множник Кеннінгема, рівний (1 + А₁ Кп), де A₁ - емпіріч. постійна. У свободномолекулярном режимі при Кп gt; 10 В = (Ai + Q / 3) (ф-ла Епштейна), де Q - ін. Емпіріч. постійна. У перехідному режимі для розрахунку У запропонований ряд емпіріч. ф-л, з яких брало наиб. поширена ф-ла Милликена:. де b- емпіріч. постійна. Для крапель масляного туману, напр. в ф-ле Епштейна (А₁ + Q) = 1,154, в ф-ле Милликена A₁ = 1,246, Q = 0,42, b = 0,87. Значення В визначає коеф. теплової дифузії частинок D = kTB, наз. іноді коефіцієнтом броунівський дифузії.

При наявності в дисперсійному середовищі градієнтів т-ри або концентрації частки аерозолю рухаються навіть при відсутності зовн. сил- відповідні явища зв. термо- і діффузіофорезом. У свободномолекулярном режимі термофорез аналогічний термодифузії (див. Дифузія) - в континуальному режимі он обумовлений тангенциальной силою, що діє на частинку внаслідок виникнення потоку газу (тримаючи. Ковзання) поблизу неоднорідне нагрітої пов-сті частки. Окремий випадок термофорез - фотофорез: рух частинок під дією світлового опромінення. Цей ефект обумовлений нерівномірним нагріванням частинок і середовища, гл. обр. через різної їх здатності відображати і поглинати світло. Діффузіофорез. обумовлений градієнтом концентрації при постійному повному тиску. відбувається, напр. поблизу пов-стей випаровування або конденсації.

Частинки аерозолів розміром менше 1 мкм завжди прилипають до твердих пов-ня при зіткненні з ними. Зіткнення часток один з одним при броунівському русі призводить до коагуляції аерозолів. Для монодисперсних аерозолів з сферич. частинками швидкість коагуляції dn / dt = - Кп 2. де n - число часток в одиниці об`єму, К-т. наз. коеф. броунівський коагуляції. У континуальному режимі До розраховують по ф-ле Смолуховского. в свободномолекулярном - по ф-ле, де і_р -середня швидкість теплового руху аерозольних часток,-коеф. враховує вплив межмол. сил і для разл. в-в має значення від 1,5 до 4. Для перехідного режиму точних ф-л для обчислення К не існує. Крім броунівського руху коагуляція аерозолів може мати і ін. Причини. Т. зв. градиентная коагуляція обумовлена різницею швидкостей частинок в сдвиговом потоке- кінематична - разл. швидкістю руху частинок щодо середовища (напр. в поле гравітації) - турбулентна і акустична - тим, що частинки різного розміру зближуються і стикаються, будучи в різній мірі захоплені пульсаціями або звуковими коливаннями середовища (останні дві причини істотні для інерції. частинок розміром не менше 10 -6 м). На швидкість коагуляції впливає наявність електричні. заряду на частинках і зовн. елект. поля.

Аерозольні частинки здатні набувати електричні. заряд, якщо вони утворюються конденсацією на іони. Незаряджені частки можуть захоплювати газові іони. направлено рухомі до частинкам у зовн. поле або диффундирующие в середовищі. Діспергаціонние частки можуть набувати заряду і в процесі освіти прі розбризкування рідин (баллоелектріч. Ефект) або розпиленні порошків (трібоелектріч. Ефект), при висвітленні (фотоефект), радіоактивному розпаді і т.п. В аерозолях, що утворюються при високій т-рі, напр. при випаровуванні і послід. конденсації пари. заряди на частинках виникають також у результаті термоелектронної або термоіонного емісії.

Аерозолі мають яскраво вираженим розсіюванням світла, закономірність догрого визначається діапазоном значень параметра. де-довжина хвилі випромінювання. приgt; 1 перетин светорассеяния зростає зі зменшенням розміру частинок. Зі зменшенням розтин стає пропорційним. Тому високодисперсні частинки розсіюють видиме, а тим більше ІК-випромінювання слабо. При фиксиров. розмірі частки перетин светорассеяния убуває пропорційно. При розсіянні світла частинками аерозолів змінюється стан поляризації випромінювання. Вимірювання светорассеяния і стану поляризації розсіяного світла використовують для визначення розмірів частинок і розподілу за розмірами. Див. Також Дисперсні системи.

У техніці освіту аерозолів часто небажано, т. К. Призводить до забруднення атмосфери (в т.ч. виробничої) і технол. потоків. Крім того, велику небезпеку становлять вибухи пилу в цукровому, борошномельної і деяких ін. Вироби, вах. Все це викликало до життя розвиток методів пиловловлювання і туманоулавліванія. Разом з тим хім. пром-сть або безпосередньо використовує аерозольний стан в-ва в технол. процесах, або виробляє продукти в аерозольній формі для послід. їх використання. Через аерозольний стан отримують мн. високодисперсні продукти - наповнювачі. пігменти. каталізатори. компоненти високоенергетіч. палив. У аерозольній формі спалюється все рідке і значить. частина твердого палива. Аерозольні препарати використовують в медицині і ветеринарії, для захисту посівів від с.-г. шкідників, обробки складських приміщень, запобігання випадання граду. Широке застосування в побуті знайшли аерозольні балончики - пристрої, в яких брало рідкий препарат або суспензія видавлюється з резервуара і розпорошується тиском хладону (див. Побутова хімія).

Термін "аерозолі" був вперше використаний англ. хіміком Ф. Дж. Доннаном в кінці 1-ї світової війни для позначення хмар, що складаються з частинок мишьяковистих соед. застосовувалися як отруйні в-ва німецькими військами.

===
Ісп. література для статті «Аерозолі». Фукс Н. А. Механіка аерозолів, М. 1955- його ж, Зростання і випаровування крапель в газоподібному середовищі, М. 1958 Мейсон Б. Д. Фізика хмар, пров. з англ. Л. 1961- Грін X. Лейн В. Аерозолі-пилу, дими і тумани, пров. з англ. Л. 1969- Медников Е. П. Турбулентний перенос і осадження аерозолів, М. 198,1. А. Г. Сут гін.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!

Схожі