Аерозолі
Аерозолі і сипкіматеріали (порошки) - системи з газовим дисперсійним середовищем. Аерозолі - цедисперсні системи, в яких частинки дисперсної фази знаходяться в зваженомустані.
Сипучі матеріали можнарозглядати як осад аерозолів з твердою дисперсною фазою, тобто як системуТ/Г.
Для аерозолів склаласясвоя класифікація залежно від агрегатного стану і розмірів частинокдисперсної фази. Ця класифікація наведена в табл. 6.5.1.1. Найпростішимиє аерозолі, дисперсна фаза яких складається тільки з твердих частинок абоз крапель. Кожна з різновидів аерозольних систем має свою назву.Високо - і среднедісперсние системи типу Т/Г прийнято називати димом, агрубодисперсні - пилом.
Крім основних,існують менш поширені, але не менш важливі аерозольні системи. Ваерозольних рідких (система Т, Г/Г) і твердих (система Ж, Г/Г) пенах газовийпухирець оточений плівкою (рідкої і твердої). Рідкі аерозольні піни, в якихгазова бульбашка обрамлений рідкою плівкою, застосовують для гасіння пожеж. Попіл івивергається вулканами лава складаються з часток, пори яких заповнені газом.Аерозолі, сформовані з подібних частинок, можна розглядати як твердіпіни.
Таблиця 6.5.1.1
Класифікаціяаерозолів
Дисперсна фаза
Позначення
Назва
Тверда
Рідка
Тверда ірідка
Піна
Газовіосвіти
Т/Г
Ж/Г
Т, Ж/Г
Ж, Г/Г
Т, Г/Г *
Г/Г **
Дим, пил
Туман, краплі
Смог
Рідкааерозольна піна
Твердааерозольна піна
Клатрати,газові гідрати
* Освіта такийсистеми малоймовірно.
Для аерозолів, як і дляінших дисперсних систем, характерна агрегативна і седиментаційнастійкість і нестійкість. У них протікають процеси коагуляції,коалесценції і осідання, що призводить до зміни складу і властивостей цихсистем.
Концентрація і розмірчастинок дисперсної фази аерозолів весь час змінюються: частинки виникають ізникають, укрупнюються і дробляться на більш дрібні, переміщаються - якась частиначастинок аерозольної системи покидають її, що компенсується за рахунок припливу новихчастинок (див. рис. 6.5.1.1).
Отримати частинкидисперсної фази аерозолів можливо диспергированием і конденсаційним способом.
Газова середу аерозолівобумовлює відмінності їх властивостей від властивостей систем з рідким дисперсним середовищем.Одне з цих відмінностей пов'язано з електричним зарядом аерозольних частинок.Електричні заряди виникають в результаті тертя твердих частинок приосвіті аерозолів, при дробленні рідини, адсорбції іонів і внаслідокряду інших причин.
Електричні властивостіаерозолів принципово відрізняються від електричних властивостей золів і суспензій.Для систем типу Т/Ж електричний заряд виникає в результаті взаємодіїміж частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем. При цьому утворюєтьсяподвійний електричний шар, відбувається компенсація заряду частинок, а міжзблизити частками виникає електростатична сила відштовхування.
Заряд частинок аерозолю некомпенсується, є надлишковим, частинки можуть мати заряди різногознака (відсутній уніполярність). Частина частинок може мати заряд одного знака,а інша - протилежної, або навіть бути нейтральною.
Агрегативна стійкість аерозолівтакож в значній мірі обумовлена ​​особливостями газовим дисперсійнимсередовища. Рухливість частинок в газовому середовищі і відсутність електростатичних силвідштовхування призводить до того, що вірогідність e, яка характеризує кінетику коагуляції, рівна абоблизька до одиниці. Це означає, що процес йде по механізму швидкоїкоагуляції. В результаті коагуляції частинки укрупнюються і утворюють агрегати(Див. ріс.6.5.1.1).
У відношенні аерозолів,знаходяться в атмосфері, повною мірою виявляються оптичні властивостідисперсних систем.
У повітрі знаходитьсябезліч частинок різних розмірів, форм і походження; кожна з нихрозсіює і поглинає світло. Причому на склад атмосферних аерозолів надаютьвплив аерозольні системи, що прийшли з космосу.
Характеризуютьоптичні властивості не окремих аерозольних частинок, а їх маси. До такихузагальненим характеристикам аерозольних систем, що знаходяться в повітрі, відносятьсяінтенсивність розсіювання світла, коефіцієнт поглинання та оптична щільність(Екстинкції).
Інтенсивністьрелєєвського розсіювання світла високодисперсними атмосферними аерозолями залежитьвід показника заломлення дисперсної середовища (повітря) і дисперсної фази.Показник заломлення повітря близький до одиниці, а показник заломленнядисперсної фази атмосферних аерозолів коливається в межах 1,34-1,54. Нижнязначення відноситься до крапель води, а верхнє - до сульфатним часткам.
В'язкість повітря приблизнов 1000 разів менше в'язкості води; тому седиментаційна стійкістьаерозолів нижче, ніж суспензій. Для високодисперсних аерозолів характерні більшінтенсивне броунівський рух і дифузія, ніж для золів.
Для частинок діаметром>0,5 мкм швидкість броунівського руху не може конкурувати зі швидкістюседиментації. Для частинок діаметром менше 0,5 мкм (50 нм) швидкість броунівськогоруху перевищує швидкість седиментації, що означає встановленняседіментація-дифузійного рівноваги - високодисперсна система стаєседіментація-стійкою.
В результатіброунівського руху та дифузії високодисперсні частинки набуваютьздатність переміщатися в вертикальному та горизонтальному напрямках.Коефіцієнт дифузії в рідкому середовищі може коливатися в межах 10 -8 -10 -10 м 2 /с. У повітряному середовищі він має більш високі значення і можедосягати 10 -6 м 2 /с, а це означає, що рухвисокодисперсних частинок одного і того ж розміру в повітрі буде інтенсивніше,ніж в рідині.
В аерозолях в сильнорозрядженої газової атмосфері, а тим більше в безгазовий просторівідсутня броунівський рух, тобто мимовільне рух частинок піддією кінетичної енергії молекул дисперсійного середовища, і дифузія.Перевести частинки в аерозольний стан можна за допомогою механічнихпроцесів або вибуху, при цьому одночасно може протікати процесдиспергування.
В атмосфері Землівиникнення аерозолів відбувається під дією повітряного потоку.
На частку (див. рис.6.5.1.2) з боку повітряного потоку діє аеродинамічна сила,залежна від швидкості цього потоку n і спрямованавертикально. Необхідною умовою переходу частинок в повітряне середовище єперевищення горизонтально-направленої аеродинамічної сили F r ае надсумарною дією сил аутогезии F аут і ваги частинок P
F r ае > m (F аут + P),
де m - коефіцієнт внутрішнього тертя,враховує різний напрям дії сил.
Якщо сила аутогезиинабагато перевищує вагу, то умова спрощується:
F r ае Ві m в F аут
При турбулентному плиніпереміщення повітря супроводжується інтенсивним перемішуванням, іаеродинамічна сила, що діє на частинку, визначається за формулою:
F r ае = з х Rв ч (u 2 /2)
де з х -коефіцієнт опору частинок; r - щільність повітря; В ч - площа перерізу частинок;u - швидкість повітряного потоку.
Після відриву частинок піддією повітряного потоку виникає вертикальна складова аеродинамічноїсили F ае в .Горизонтально і вертикально направлені сили та обумовлюють перехід частинок ваерозольний стан; рух частинок в цих умовах на рис. 6.5.1.2 показанопунктиром.
Враховуючивищевикладене, швидкість повітряного потоку, необхідна для перекладу частинок ваерозольний стан:
.
Вформулі...
