Образование и свойства аэрозолей

Для аэрозолей, как и для других дисперсных систем, характерна агрегативная и седиментационная устойчивость и неустойчивость, В них протекают процессы коагуляции, коалесценции и оседания, что приводит к изменению состава и свойств этих систем.

Концентрация и размер частиц дисперсной фазы аэрозолей все время изменяются: частицы возникают и исчезают, укрупняются и дробятся на более мелкие, перемещаются — какая-то часть частиц аэрозольной системы покидает ее, что компенсируется за счет притока новых частиц. Образование, особенности и процессы, протекающие внутри аэрозольной системы, схематически представлены на рис. 17.1. Получение частиц дисперсной фазы аэрозолей диспергированием и конденсационным способом было рассмотрено ранее (см. параграфы 12.2 и 12.3).

Газовая среда аэрозолей обусловливает отличия их свойств от свойств систем с жидкой дисперсионной средой. Одно из этих отличий связано с электрическим зарядом аэрозольных частиц. Электрические заряды возникают в результате трения твердых частиц при образовании аэрозолей, при дроблении жидкости, адсорбции ионов и вследствие ряда других причин.

Электрические свойства аэрозолей принципиально отличаются от электрических свойств золей и суспензий. Для систем типа Т/Ж электрический заряд возникает в результате взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой (см. рис. 7.2—7.4). При этом образуется двойной электрический слой, происходит компенсация заряда частиц, а между сблизившимися частицами возникает электростатическая сила отталкивания (см. рис. 10.5, а).

Заряд частиц аэрозолей не компенсируется, является избыточным, частицы могут иметь заряды различного знака (отсутствует униполярность). Часть частиц может иметь заряд одного знака, а другая — противоположного, или даже быть нейтральной.

Так, при распыливании спиртового раствора сахара образуются частицы диаметром 0,8—1,5 мкм, 40% этих частиц несут положительный заряд, 39% — отрицательный заряд, а 21% частиц остаются нейтральными. Взвешенные в воздухе частицы крахмала имеют преимущественно положительные заряды, а частицы муки — отрицательные.

В обычных условиях аэрозольные частицы в воздухе заряжены слабо — они несут до 100 элементарных зарядов (1,6•10^-17 Кл). В результате трения и главным образом под действием электрического поля заряд частиц резко возрастает и может составлять 10⁷ элементарных зарядов (или 1,6•10-¹² Кл), т. е. электрические заряды частиц могут различаться на пять порядков.

Агрегативная устойчивость аэрозолей также в значительной степени обусловлена особенностями газовой дисперсионной среды. Подвижность частиц в газовой среде и отсутствие электростатических сил отталкивания (см. рис. 10.5, а) приводят к тому, что вероятность е, которая, согласно формуле (10.17), характеризует кинетику коагуляции, равна или близка к единице. Это означает, что процесс идет по механизму быстрой коагуляции. В результате коагуляции частицы укрупняются и образуют агрегаты (см. рис. 17.1).

В отношении аэрозолей, находящихся в атмосфере, в полной мере проявляются оптические свойства дисперсных систем, которые были рассмотрены в гл. 8.

В воздухе находится множество частиц различных размеров, форм и происхождения; каждая из них рассеивает и поглощает свет. Причем на состав атмосферных аэрозолей оказывают влияние аэрозольные системы, пришедшие из Космоса.

Поэтому характеризуют оптические свойства не отдельных аэрозольных частиц, а их массы. К таким обобщенным характеристикам аэрозольных систем, находящихся в воздухе, относятся интенсивность рассеяния света [см. уравнения (8.2)—(8.5)], коэффициент поглощения и оптическая плотность (экстинкция) [см. уравнения (8.8) и (8.9)]. В зависимости от практических целей определяют значение этих параметров в требуемом диапазоне длин волн (в том числе и в видимой области) электромагнитного излучения.

Интенсивность рэлеевского рассеяния света высокодисперсными атмосферными аэрозолями зависит от показателя преломления дисперсионной среды (воздуха) и дисперсной фазы. Показатель преломления воздуха близок к единице, а показатель преломления дисперсной фазы атмосферных аэрозолей колеблется в пределах 1,34—1,54. Нижнее значение относится к каплям воды, а верхнее — к сульфатным частицам.

Вязкость воздуха примерно в 1000 раз меньше вязкости воды; поэтому седиментационная устойчивость аэрозолей ниже, чем суспензий. Если скорость оседания в воздухе сферических частиц диаметром 50 мкм (при плотности материала частиц 1,2.10³ кг/м³) составляет примерно 0,2 м/с, то в воде скорость оседания этих частиц уменьшается до 2.10-⁴ м/с.

Для высокодисперсных аэрозолей характерны более интенсивное броуновское движение и диффузия, чем для золей. В табл. 17.2 приведены соотношения между скоростью седиментации (оседания) и скоростью броуновского движения для частиц различного размера плотностью 1.10³ кг/м³ при температуре воздуха 293 К. Для частиц диаметром > 0,5 мкм скорость броуновского движения не может конкурировать со скоростью седиментации. Для частиц диаметром менее 0,05 мкм (50 нм) скорость броуновского движения превышает скорость седиментации, что означает установление седиментационно-диффузионного равновесия — высокодисперсная система становится седиментационно-устойчивой (см. рис. 10.1 и 10.2).

В результате броуновского движения и диффузии высокодисперсные частицы приобретают способность перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Коэффициент диффузии в жидкой, среде может колебаться в пределах 10-⁸ 10-¹⁰ м2/с. В воздушной среде он имеет более высокие значения и может достигать 10-⁶ м²/с, а это означает, что движение высокодисперсных частиц одного и того же размера в воздухе будет интенсивнее, чем в жидкости.

В аэрозолях в сильно разреженной газовой атмосфере, а тем более в безгазовом пространстве отсутствует броуновское движение, т. е. самопроизвольное движение частиц под действием кинетической энергии молекул дисперсионной среды, и диффузия (см. гл. 9).

Перевести частицы в аэрозольное состояние можно с помощью механических процессов или взрыва, при этом одновременно может протекать процесс диспергирования. Во время Чернобыльской катастрофы в результате взрыва диспергированию с одновременным переводом в аэрозольное состояние подверглись ядерное топливо, продукты распада, графитовые стержни и элементы конструкции; образовались радиоактивные аэрозоли.

В атмосфере Земли возникновение аэрозолей происходит под воздействием воздушного потока.

На частицу (рис. 17.2) со стороны воздушного потока действует аэродинамическая сила, зависящая от скорости этого потока? и направленная вертикально. Необходимым условием перехода частиц в воздушную среду является превышение горизонтально-направленной аэродинамической силы F ^г_аэ над суммарным действием сил аутогезии F_аут и веса частиц Р

(17.1).

где м_в — коэффициент внутреннего трения, учитывающий различное направление действия сил.

Если сила аутогезии намного превышает вес частиц, то условие (17.1) упрощается:

(17.2).

При турбулентном течении перемещение воздуха сопровождается интенсивным перемешиванием. Аэродинамическая сила, действующая на частицы, будет определяться по формуле.

[Введите текст].

где c_х — коэффициент сопротивления частиц; с — плотность воздуха; В_ч — площадь сечения частиц (для шарообразных частиц — площадь круга); v — скорость воздушного потока.

После отрыва частиц под действием воздушного потока возникает вертикальная составляющая аэродинамической силы F ^в_аэ. Горизонтально и вертикально направленные аэродинамические силы и обусловливают переход частиц в аэрозольное состояние; движение частиц в этих условиях на рис. 17.2 показано пунктиром.

Учитывая условие (17.2) и формулу (17.3), можно оценить скорость воздушного потока, необходимую для перевода частиц в аэрозольное состояние:

(17.4).

Следует отметить, что при рассмотрении схемы перевода частиц в аэрозольное состояние мы не учитывали образование пограничного слоя, в котором скорость воздушного потока уменьшается от определенного значения до нуля (на поверхности твердого тела).

По этой причине формулы (17.1)—(17.4) могут служить лишь для ориентировочной оценки перевода частиц в аэрозольное состояние и скорости воздушного потока, необходимой для осуществления этого процесса.