Поверхностные явления в аэрозолях

Аэрозолями называют дисперсные системы с газовой дисперсной средой. Эти системы называют аэродисперсными, т. к. они содержат жидкие или твердые частицы с дисперсностью ниже коллоидной. Отличие аэрозолей от рассмотренных выше дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсионной фазой заключается в значительно меньшей вязкости дисперсионной среды и ее разряженное™. Вследствие низкой вязкости среды седиментация частиц в аэрозолях происходит значительно быстрее, чем в лиозолях. Кроме того, в газовой среде не происходит электролитической диссоциации и не образуется двойной электрический потенциал на поверхности частиц.

Аэрозоли имеют широкое распространение в природе, медицине, быту, на производстве. Условия образования и распространенность аэрозолей приведены на рис. 59.

По составу дисперсной фазы аэрозоли делятся на туманы, дымы и пыли. Туманы — это аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, а дымы и пыли — с твердой. Существуют и смешанные аэрозоли, у которых дисперсная фаза содержит твердые частицы и капельки воды, причем первые могут адсорбировать воду. В таких аэрозолях дисперсная фаза может иметь три вида частиц: твердые сухие частицы, капли жидкости и твердые частицы с адсорбированной водой. Аэрозоли могут быть получены диспергированием (диспергационные аэрозоли) и конденсированием (конденсационные аэрозоли). Размеры частиц наиболее распространенных аэрозолей приведены в табл. 15. Пыль состоит из твердых частиц, диспергированных в газовой среде в результате механического измельчения при дроблении, помоле, бурении, взрывных работах. Она образуется при движении воздушных масс над порошкообразным материалом. В обыденной жизни пылью нередко называют осадок на поверхности, легко переходящий во взвешенное состояние. В большинстве случаев пыли весьма полидисперсные малоустойчивые системы: они содержат больше крупных частиц, чем дымы и туманы.

Отличительное свойство аэрозолей — их неустойчивость. Частицы могут исчезать из аэрозоля благодаря седиментации или диффузии к стенкам сосуда, а также благодаря испарению. Размер капелек может уменьшаться за счет испарения, пока не будет достигнуто равновесие между капельками и окружающей средой. Крупные капельки могут расти за счет мелких. В этом отношении аэрозоли принципиально отличаются от жидкостей, в них отсутствует стабилизирующий эффект двойного электрического заряда или пептизация.

Рис. 59. Условия образования и значения аэрозолей.

Таблица 15

Типы аэрозолей и размер их частиц

Оптические свойства аэрозолей подчиняются тем же законам, что и свойства лиозолей. Однако вследствие большой разницы в плотности и в показателях преломления твердой частицы и воздуха светорассеяние в аэрозолях проявляется значительно ярче.

Из всех аэрозолей наибольшей способностью рассеивать и отражать свет обладает дым Р₂0₅. Сжигание фосфорного ангидрида создает мощную дымовую завесу, и в военном деле маскирующая способность Р₂ 0₅ принимается за единицу.

К молекулярно-кинетическим свойствам аэрозолей относятся:

• 1. Термофорез — явление удаления частиц от поверхности нагретых тел.
• 2. Термопреципитация — осаждение твердых частиц на холодных участках системы.
• 3. Фотофорез — передвижение частиц при одностороннем освещении. Непрозрачные частицы сильнее нагреваются с освещенной стороны и поэтому удаляются от источника света, т. е. проявляют положительный фотофорез, прозрачные частицы сильнее нагреваются с противоположной стороны и поэтому приближаются к источнику света, проявляя отрицательный фотофорез.

Установлено, что поверхность частиц аэрозоля несет электрический заряд, равномерно распределенный по среде. Частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно заряжаются отрицательно, частицы неметаллов и их оксидов — положительно. Например, положительно заряженные частицы в аэрозолях: Si0₂, Р₂0₅, №С1,угля, крахмала; отрицательно заряженные: Fe₂0₃, MgO, ZnO, мука. Частицы с одинаковым зарядом отталкиваются, с противоположным — притягиваются.

Расчеты показывают, что заряд частицы аэрозоля обычно очень мал и редко превышает элементарный электрический заряд (1,602−10″ ¹⁹ Кл) более чем в 10 раз. Если же частица проявляет способность к адсорбции определенного вида, то этот заряд может иметь большую величину. Например, на межфазной границе аэрозолей влаги и снега образуется положительный электрический потенциал порядка 250 мВ. В больших объемах атмосферного аэрозоля происходит разделение частиц по размеру, а следовательно, и по электрическому потенциалу — заряду. В результате этого электронейтральность облака нарушается и в нем возникают мощные электрические поля. При этом нижняя часть облака несет отрицательней заряд, а верхняя — положительный. В результате происходит грозовой разряд.

Аэрозоли являются весьма агрегативно-неустойчивыми системами вследствие того, что электрический заряд частиц обычно невелик, а иногда практически равен нулю. Частицы аэрозоля окружены не жидкостью, а газом. Расклинивающее действие газа не проявляется. Поверхностное натяжение на границе частиц с газом всегда очень велико, и это способствует коалесценции капелек жидкости или слипанию твердых частиц, т. к. свободная поверхностная энергия при этом понижается.

Аэрозоли непрерывно и самопроизвольно коагулируют. Частицы любого вещества при соприкосновении сливаются или слипаются, аэрозоль постепенно становится все более грубым и наконец выпадает в виде хлопьев. Коагуляция очень многих аэрозолей подчиняется простой зависимости:

где п — число частиц в 1 см³ в некоторый момент t; п₀ — число частиц в 1 см³ в момент образования аэрозоля; к — константа коагуляции.

Скорость коагуляции соответствует зависимости.

Из этой формулы видно, что когда концентрация аэрозолей велика, коагуляция протекает с большей скоростью, но затем быстро падает. Очень часто ставится задача:

• — очистки газов или воздуха;
• — улавливания ценных продуктов, содержащихся в выбросах предприятий;
• — искусственного дождевания или рассеивания облаков и тумана. Для разрушения аэрозолей применяются такие методы, как изменения скорости и направления потока аэрозоля, фильтрация, воздействие ультразвуком, действие электрического поля (рис. 60).

Рис. 60. Классификация, способы измерения дисперсности и промышленные методы и аппараты для выделения аэрозолей