Аэрозоли

Аэрозо́ль — (от греч. аer – воздух и лат. sol(utio) – раствор), дисперсная система, состоящая из мелких твёрдых или жидких частиц, взвешенных в газовой среде (обычно в воздухе).

Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдой дисперсной фазы — дымами; пыль относят к грубодисперсным аэрозолям. Размеры частиц в аэрозолях изменяются от нескольких миллиметров до 0,1 нм. Образуются при механическом измельчении и распылении твёрдых тел или жидкостей, дроблении, истирании, взрывах, горении, распылении в пульверизаторах.

В зависимости от природы аэрозоли подразделяют на естественные и искусственные.

Естественные аэрозоли образуются вследствие природных сил, например при вулканических извержениях, сочетании эрозии почвы с ветром, явлениях в атмосфере. Аэрозоли широко распространены в природе, к ним относятся: туманы, облака, грозовые тучи, почвенная и вулканическая пыль, взвешенная в воздухе, пыльные и песчаные бури (самум) и т. д. Облака – важнейшее звено в круговороте воды в природе; поглощая солнечные лучи и тепловое излучение Земли, они умеряют и жару, и холод. Пыльца многих растений распространяется ветром в виде аэрозоля. (Поля злаковых растений, цветение березы, тополя и т.д.) Так же распространяются многие семена и особенно споры. Аэрозоли – туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.

Искусственные аэрозоли образуются в результате хозяйственной и производственной деятельности человека при измельчении горных и рудных пород, добыче каменного и бурого угля, сверлении, шлифовке различных материалов, неполном сгорании топлива в силовых установках, при сельскохозяйственных работах, переработке сельскохозяйственной продукции и др. Особенностями аэрозолей являются малая вязкость газовой дисперсионной среды и большой пробег молекул газа по сравнению с размером частиц. Поэтому, несмотря на сравнительно большой размер частиц в аэрозолях происходит интенсивное броуновское движение. Вследствие интенсивного броуновского движения и отсутствия факторов стабилизации, аэрозоли агрегатно неустойчивы. Частицы объединяются в крупные агрегаты, быстро оседающие в газовой среде.

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы в аэрозолях различают:

пыль (величина частиц более 10000 нм),

облака (10000 нм – 100 нм),

дымы (100 нм – 1 нм).

Чем мельче частицы дисперсной фазы аэрозоля и чем больше их количество в единице объема, тем быстрее идет коагуляция этих частиц с последующим осаждением. Размер частиц аэрозоля определяет и их способность проникать в дыхательные пути. Взвешенные в воздухе микроорганизмы в присутствии мельчайших капелек жидкости сохраняют свою жизнеспособность в течение длительного времени. Частицы размером до 5000 нм способны проникать в альвеолы и задерживаться в них, частицы размером до 10000 нм и более задерживаются в верхних дыхательных путях и бронхах. Поэтому через «воздушную микрофлору» передаются многие инфекционные заболевания (грипп, коклюш, туберкулез и др.).

Разновидности аэрозолей:

По химическому происхождению различают органические и неорганические.

По токсичности - токсичные и нетоксичные аэрозоли.

Биологические аэрозоли — аэрозоли, частицы которых несут на себе жизнеспособные микроорганизмы или токсины.

Радиоактивные аэрозоли — естественные или искусственные аэрозоли с радиоактивной дисперсной фазой.

Для оценки опасности и вредности для здоровья человека наряду со степенью дисперсности аэрозолей основным показателем служит весовая концентрация (число миллиграммов распыленного вещества в 1 м3 воздуха).

Биологические аэрозоли. В результате испарения и высыхания жидкости и попадания с пылью в воздух экскрементов больных животных и человека, а также при выделении в воздух больными при кашле и чиханье возбудителей некоторых инфекционных болезней образуются биологические аэрозоли. В организм человека они попадают в основном через органы дыхания. В

определенных условиях при попадании в организм аэрозоли способны вызывать профессиональные и аллергические заболевания: пневмокониозы, пневмомикозы, бронхиты, бронхоальвеолиты, бронхиальную астму и др.

Токсичные аэрозоли вызывают острые и хронические отравления. В воздухе производственных помещений и рабочей зоны и в воздухе населенных мест концентрация опасных для здоровья веществ в виде аэрозолей регламентируется предельно допустимыми концентрациями. Радиоактивные аэрозоли, частицы которых содержат радиоактивные изотопы, характеризуются, кроме обычных для аэрозолей показателей, величиной радиоактивности в частице, распределением радиоактивности по объему аэрозоля и др. Концентрация радиоактивных аэрозолей выражается в виде количества радиоактивности на единицу объема воздуха. Основная опасность радиоактивных аэрозолей заключается в попадании их в организм человека, где они либо откладываются в тканях легких, либо поступают в кровоток и распределяются в различных органах и тканях. В производственных условиях концентрация радиоактивных аэрозолей регламентируется "Нормами радиационной безопасности" (НРБ).

Рассмотрим теперь явления термофореза, фотофореза и термопреципитации, связанные с молекулярно-кинетическими свойствами и характерные для дисперсных систем с газовой дисперсионной средой.

Явление термофореза заключается в движении частиц аэрозоля в направлении снижения температуры. При соблюдении условия λ/ r >>1 (т.е. когда частицы малы) термофорез возникает вследствие того, что на более нагретую сторону частицы молекулы газа налетают с большей скоростью, чем на менее нагретую, и, следовательно, сообщают частице импульс в направлении понижения температуры.

Фотофорез, заключающийся в передвижении частиц аэрозоля при одностороннем их освещении, является частным случаем термофореза. Термофорез и фотофорез имеют большое значение в движении атмосферных аэрозолей, например, при образовании облаков. Термофорез водяных капелек, взвешенных в воздухе, возникает при соприкосновении холодных и теплых воздушных масс, а фотофорез происходит в результате освещения облаков солнечными лучами. Следует отметить, что кинетическая устойчивость атмосферных аэрозолей весьма своеобразна.

Специфическая адсорбция газовых ионов на частицах аэрозолей значительно осложняет оценку зарядов частиц. Такая адсорбция характерна для частиц, имеющих химическое сродство к газовым ионам, или для систем, в которых электрический потенциал на межфазной границе возникает еще при их образовании. Межфазный потенциал может возникнуть при условии резко выраженного различия полярных свойств среды и дисперсной фазы. Примером могут быть аэрозоли воды и снега; ориентация молекул воды на поверхности частиц по оценке А.Н. Фрумкина обусловливает электрический потенциал порядка 0.25 В. Электрический заряд на частицах может появиться и в процессе диспергирования полярных веществ, когда частицы, отрываясь, захватывают заряд с поверхности макротела (баллоэлектризация). Баллоэлектрический эффект связан с разрывом ДЭС и неравномерным распределением зарядов на дочерних капельках. Опыт показывает, что крупные и мелкие капли приобретают при разрыве заряды различных знаков.

      Рассмотрим  теперь электрические процессы, протекающие в больших объемах  аэрозоля, частицы которого приобрели  заряды одним из возможных  способов, например, вследствие ориентации  полярных молекул жидкой фазы.

Оседание заряженных частиц приводит к возникновению потенциала оседания, иначе говоря, электрического поля в вертикальном направлении. Если не принимать во внимание силу тяжести и считать, что частица движется вдоль электрического поля, то, когда частица приобретает постоянную скорость движения, и электрическая сила будет равна силе трения:

                                                          Eq = BU,                                                 (2.12)

где Е – напряженность поля, q – заряд частицы.

При соблюдении закона Стокса скорость движения частицы равна

                                                           .                                                 (2.13)

При учете гравитационного поля, направление которого противоположно электрическому полю, скорость движения частицы выражается уравнением:

                                                        ,                                               (2.14)

где m – масса частицы.

В облаках постоянно изменяется дисперсность капель воды, вследствие чего происходит седиментационное разделение частиц по размеру и соответственно по электрическому заряду. В результате нижний слой облака приобретает отрицательный заряд, а верхний слой остается положительно заряженным. Напряженность возникающего электрического поля можно оценить, принимая, что при седиментации устанавливается стационарное  состояние, когда конвективный ток, обусловленный переносом зарядов падающими каплями, компенсируется током проводимости в газе, протекающим в противоположном направлении (обусловленным возникающим градиентом потенциала), т.е.

                                                                iк = iп .                                                                               (2.15)

Конвективный ток и ток проводимости определяются соответственно выражениями

                                                                iк = qνU,                                            (2.16)

                                                                iп  = κЕ                                               (2.17)                                               

где  ν – частичная концентрация, κ – удельная электропроводность аэрозоля.

Принимая во внимание выражение из электростатики, связывающее заряд q и потенциал φ для сферической частицы,  имеем:

                                                            q = φr.                                                   (2.18)

Подставляя выражение (2.14) в (2.16) и учитывая (2.15), получим

                                                                                              (2.19)

или

                                                    .                                              (2.20)

Полученное уравнение позволяет оценить напряженность электрического поля, возникающего в облаках, если известен электрический потенциал на поверхности капли. Принимая φ = 0.25 В, η = 1.7•10-5 Па•с, κ = 4•10-14 См/м, радиус капель r = 10-5 м и m = 5•10-12кг  при ν = 1010 частиц/м3, получим Е ~ 20 кВ/м. Это значение по порядку близко к наблюдаемому. Однако при значительной полидисперсности капель облака, а также при конвекционных токах, обусловленных ветром, в облаке могут возникать и гораздо большие напряженности (Е>30 кВ/м), приводящие к грозовым явлениям.

Разрушение аэрозолей

К разрушению аэрозолей приходится прибегать, если из аэрозоля нужно выделить дисперсную фазу, например, при улавливании из дыма металлургических печей содержащихся в нем ценных продуктов, либо при очистке газов или воздуха. Большинство методов разрушения аэрозолей связано с интенсификацией процессов коагуляции, коалесценции или прилипания частиц аэрозоля к поверхностям, а также процессов седиментации (путем изменения скорости и потока направления аэрозоля при инерционном движении). Рассмотрим существующие методы разрушения аэрозолей, основанные на указанных принципах.

Выделение дисперсной фазы из аэрозоля путем изменения скорости и направления потока аэрозоля (инерционное осаждение)  осуществляют обычно с помощью пылевых камер или центробежных отделителей, называемых циклонами. При изменении направления газовых потоков на частицы действуют силы инерции: ударяясь о стенки газоходов, они резко теряют скорость и оседают. Циклоны представляют собой металлические цилиндры, в которых аэрозоль движется по спирали сверху вниз. При этом частицы оседают на стенках цилиндра, а освобожденный от них газ поднимается по специальной трубе и выводится из циклона. Движение газа в циклоне схематически показано на рис.2.1. Этот способ применяется лишь для разрушения сравнительно грубых аэрозолей, содержащих частицы диаметром более 3 мкм.

С помощью фильтрации от газовой фазы можно отделить гораздо более мелкие частицы. Фильтры применяют в противогазах для задержания частиц ядовитых дымов, для получения стерильного воздуха и в ряде других случаев. Существуют сетчатые и волокнистые фильтры.

Сетчатые фильтры служат для задержания сравнительно грубых частиц аэрозолей. Их изготавливают из одного или нескольких слоев ткани или металлической сетки. Действие этих фильтров основано на механическом задерживании больших частиц, не проходящих через ячейки сетки, а также на инерционном осаждении частиц.  Эффективность сетчатых фильтров заметно увеличивается по мере забивания их отфильтрованной дисперсной фазой, поскольку в результате образования на поверхности фильтра слоя пыли уменьшается диаметр отверстий, через который протекает поток аэрозоля. Поэтому иногда на тканевые фильтры перед их использованием наносят асбестовую пыль, особенно эффективную при фильтрации; либо при очистке тканевых фильтров на их поверхности целесообразно оставлять часть пылевого слоя.

Волокнистые фильтры изготавливают из фильтровальной бумаги, специального картона и некоторых других волокнистых материалов. Вследствие значительного гидравлического сопротивления эти фильтры применяются лишь при небольших скоростях течения аэрозоля. С целью повышения производительности волокнистых фильтров их часто изготавливают с «развернутой» (увеличенной) поверхностью.

Характер течения аэрозоля в волокнистом фильтре очень сложен, поскольку поток, огибая отдельные, беспорядочно расположенные волокна, все время изменяет свое направление. Действие волокнистых фильтров сводится к инерционному осаждению, прилипанию движущейся частицы к какому-либо выступу на поверхности волокна с последующей фиксацией. Различные факторы действуют неодинаково на разные явления, на которых основано  выделение дисперсной фазы при фильтрации аэрозоля.

В замкнутом объеме, например, в поре диаметром d, разрушение аэрозоля может происходить вследствие седиментации (более крупных) и диффузии (мелких) частиц к стенкам поры и последующего оседания на них. Время разрушения аэрозолей в результате седиментации составляет tсед~d/U (где U = mg/6πηr - скорость движения частицы радиуса r в среде с вязкостью η), а в результате диффузии - tдиф~d2/D (где D ≈ kT/6πηr – коэффициент диффузии частиц). Конкуренция этих двух факторов приводит к тому, что в фильтрах с порами радиуса 10-5 - 10-4 м наиболее устойчивыми оказываются частицы средних размеров 10-7 – 10-6 м, для которых tсед≈ tдиф, т.е. mgd равно нескольким kT. Улавливание таких частиц представляет достаточно сложную задачу. Эффективность улавливания существенно улучшается за счет использования фильтров с очень извилистыми порами (фильтры Петрянова).

Разрушение аэрозоля под действием ультразвука известно давно, но только в 80-е годы ХХ –го  столетия оно начало приобретать практическое значение. Согласно одной из теорий, действие ультразвука на аэрозоли, так же, как и на лиозоли, объясняется тем, что во всех реальных полидисперсных системах разные по размеру частицы в различной степени увлекаются колебаниями среды. В результате этого мелкие частицы, обладающие большой амплитудой колебаний, как бы «прочесывают» аэрозоль. Это способствует тому, что они скорее сталкиваются с более крупными, почти неподвижными частицами. Однако против этой теории говорит то обстоятельство, что самые мелкие, наиболее энергично колеблющиеся частицы остаются в звуковом поле нескоагулированными.

Согласно другой теории ультразвуковая коагуляция обусловливается притяжением между частицами, движущимися, в ультразвуковом поле. Такое притяжение может возникнуть между частицами аэрозоля, если они совершают быстрое, параллельное и одинаково направленное движение. Нужны всего секунды для того, чтобы туман, движущийся в ультразвуковом поле, скоагулировал на 90%. Полученные в результате коалесценции крупные капли легко отделяются от газа в обычных циклонах.

Ультразвук применяют для разрушения сернокислотных и других производственных туманов. В настоящее время для осаждения аэрозолей ультразвуком разработаны промышленные установки производительностью до 1000 м3/мин. К сожалению, в ультразвуковом поле остается нескоагулированной обычно самая высокодисперсная часть тумана. Другой недостаток заключается в том, что ультразвук малоэффективен при разрушении сильно разбавленных систем.

Широко применяются мокрые уловители – скрубберы. В таких аппаратах частицы смачиваются и оседают на дно. Однако улавливаются в основном крупные частицы (более 3÷5 мкм); для мелких частиц, находящихся в пузырьках газа, вероятность взаимодействия с жидкостью меньше.

В промышленности для разрушения аэрозолей с целью очистки газовых смесей широко используют действие электрического поля (метод Коттреля). В электрофильтре Коттреля при пропускании дыма или тумана через электрическое поле высокого напряжения частицам аэрозоля сообщается заряд. Заряжение частиц, вызванное адсорбцией ионов, (преимущественно отрицательных), возникающих в результате ионизации воздуха при коронном разряде (напряжение 70-100 тыс. вольт), обеспечивает электрофорез и осаждение частиц на аноде. Электрофильтры эффективно задерживают частицы размером более 1 мкм.

Схематическое устройство одного из элементов батареи обычного электрофильтра показано на рис. 2.3.          

 Электрическое поле возникает между отрицательным коронирующим электродом А и положительным электродом, которым служит металлическая труба Б. На электроды подается постоянный ток высокого напряжения. Аэрозоль поступает в элемент через патрубок В. Под действием электрического поля и ионного ветра получившие отрицательный электрический заряд частицы аэрозоля направляются к аноду, ударяются об него и оседают. Осевшие и потерявшие заряд частицы осыпаются в низ трубы и удаляются из нее через бункер Г. Очищенный газ уходит из фильтра через патрубок Д.

Имеются электрофильтры, в которых процессы заряжения и осаждения частиц пространственно разделены. В таких электрофильтрах образуется гораздо меньше продуктов окисления воздуха (оксидов азота, озона и др.), поэтому их применяют для кондиционирования воздуха.

Ряд методов разрушения аэрозолей основан на их коагуляции. Практическое значение этих методов очень велико для сельского хозяйства, т.к. процесс коагуляции обычно сопровождается отделением дисперсной фазы атмосферных аэрозолей в виде дождя и снега. Большое значение методы коагуляции имеют и в авиации для искусственного рассеивания облаков над аэродромами.

Коагуляция атмосферных аэрозолей может быть вызвана разбрасыванием с самолета высокодисперсного песка, частицы которого несут электрический заряд, по знаку обратный заряду частиц аэрозоля. Другой метод искусственного рассеивания облаков и туманов с помощью коагуляции заключается в распылении в аэрозоль растворов гигроскопичных веществ, например, концентрированных растворов хлорида кальция. Капельки этой жидкости захватывают капельки воды, укрупняются и выпадают в виде дождя. Для разрушения переохлажденных атмосферных аэрозолей можно применять также порошки йодида серебра  или свинца, частицы которых являются зародышами и вызывают в облаках образование кристалликов льда.

Эффективным методом искусственного рассеивания облаков и туманов, вполне оправдывающим себя на практике, является метод с использованием твердого диоксида углерода. Этот метод применим при температуре воздуха ниже 0оС и при капельной структуре облаков или тумана, т.е. для переохлажденного аэрозоля. Разбрасываемый в таком аэрозоле твердый диоксид углерода с температурой – 79.8о С вызывает быстрое охлаждение прилежащего к ней слоя воздуха и в нем образуется огромное число ледяных кристалликов, служащих далее центрами кристаллизации. Кристаллики быстро растут, продолжая рост и после выхода из зоны искусственного охлаждения, поскольку давление насыщенных паров воды надо льдом меньше, чем над водой. Достигнув критического размера, кристаллики выпадают из аэрозоля в виде снежинок. Опыт показал, что образование снега при таком методе рассеивания облаков происходит через 5-7 мин., а через 15-30 мин. зона, в которую был введен диоксид углерода, полностью освобождается от тумана. Следует отметить, что при слишком больших количествах СО2, а также малом содержании воды в аэрозоле, или малом переохлаждении, процесс рассеивания не идет или идет очень медленно.