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 А. 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. А. с жидкой дисперсной фазой наз. туманами, с твердой - дымами.

К конденсационным относятся и А., 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 А. - 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. А. могут образоваться также вследствие испарения тел, в т. ч. в результате воздействия плазмы и лазерного излучения, с послед. конденсацией паров.

Диспергационные А. 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. А. 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 А.-распыление жидкости под воздействием расположенного в ней источника акустич. колебаний, разрушение струй при воздействии поля электрич. потенциала.

Часто возникают смешанные А., 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 А.

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 А. - объемная доля частиц и их массовая доля, число частиц в единице объема (счетная концентрация) n_р, средний размер частицы d_p и ее электрич. заряд. Параметры дисперсной фазы атм. А. при нормальных т-ре и давлении составляют: d_p 5*10⁸-10^-2 см, п_р 1-10⁸ см^-3, 10^-18-10^-1, 10^-19 В верх. слоях атмосферы п_р = 10⁵-10¹⁴ см^-3, 10^-19 -10^-33. Наряду с усредненными величинами дисперсную фазу характеризуют распределением частиц по размерам и по величине электрич. заряда (последнее даже для монодисперсных А.). 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 =, где-длина своб. пробега газовых молекул, d_p-диаметр частицы А. При Кп1 и, следовательно, d_p дисперсионная среда может рассматриваться как сплошная; в этом случае говорят о континуальном режиме процессов переноса. Если Кп1, А. можно рассматривать как смесь двух газов, молекулы одного из к-рых - частицы А. - намного тяжелее молекул дисперсионной среды. В такой системе процессы переноса описываются с помощью ур-ний газокинетич. теории (т. наз. свободномолекулярный режим). Наконец, при Кп 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 А. влияет движение частиц относительно среды под действием внеш. сил или по инерции; оно характеризуется числом Маха Ма=, где и_р -скорость частиц относительно среды,-скорость теплового движения молекул среды. При анализе характера переноса импульса вместо числа Маха часто используют число Рейнольдса Re = 4Ma/Kn.

Свойства. Важнейшие св-ва А. - 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 А. 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 параметром (перреновской высотой), где

-ускорение силы тяжести,-масса частицы. Для достаточно малых частиц, когда Н_р 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 Шмидта , где-концентрация газовых молекул,-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 А. 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 Sc_T, равным отношению коэффициентов турбулентной диффузии частиц D_pT и молекул соеды D_T . Величинаназ. степенью обтекания, -степенью увлечения частиц. Способность частиц А. сохраняться во взвешенном состоянии без приложения возмущающего воздействия к дисперсионной среде отличает А. от псевдоожиженного (кипящего) слоя, к-рый также является двухфазной системой с газовой дисперсионной средой.

Частицы А. 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 режиме , где -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: , 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 А. 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 А. 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 А. Для монодисперсных А. 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 Смолуховского , в свободномолекулярном - по ф-ле, где и_р-средняя скорость теплового движения аэрозольных частиц,-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 А. 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 А., образующихся при высокой т-ре, напр. при испарении и послед. конденсации паров, заряды на частицах возникают также в результате термоэлектронной или термоионной эмиссии.

А. обладают ярко выраженным рассеянием света, закономерность к-рого определяется диапазоном значений параметра , где-длина волны излучения. При> 1 сечение светорассеяния возрастает с уменьшением размера частиц. С уменьшением сечение становится пропорциональным. Поэтому высокодисперсные частицы рассеивают видимое, а тем более ИК-излучение слабо. При фиксиров. размере частицы сечение светорассеяния убывает пропорционально. При рассеянии света частицами А. 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 А. 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 "А." 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.

Лит.: 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.