Физико-химия аэрозолей
Реферат по теме:
«Физико-химия аэрозолей»
Содержание:
Введение
Аэрозоли встречаются в природе, например, в виде туманов – очень мелких капель воды во взвешенном состоянии в воздухе, и дымов – мелких твердых частиц различных веществ, диспергированных в воздухе. Помимо природных аэрозолей выделяют группу искусственных.
Они являются продуктом как ненаправленной деятельности человека, например, при добыче полезных ископаемых, в производстве цемента и в других отраслях производства – тогда образуются вредные вещества в виде туманов или дымов, так и сознательной деятельности, когда они создаются с определенной целью.
Аэрозоли различных
веществ нашли широкое
Определение
и классификация аэрозолей
Аэрозолями называют свободнодисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и дисперсной фазой, состоящей из твердых или жидких частиц. Отличие аэрозолей от лиозолей обусловлено, прежде всего, разреженностью и меньшей вязкостью дисперсионной газовой среды. Поэтому броуновское движение в аэрозолях происходит гораздо более интенсивно, а седиментация частиц идет значительно быстрее, чем в лиозолях. Другое существенное отличие аэрозолей от лиозолей заключается в том, что в газовой среде не может происходить электролитическая диссоциация и, следовательно, невозможно образование двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов вокруг частиц. В связи с этими особенностями учение об аэрозолях развивалось в значительной мере самостоятельно своими собственными путями.
Классификация аэрозолей
Аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы, по дисперсности и методам получения. Исходя из этого принципа, аэрозоли делят на туманы (Ж/Г) – дисперсная фаза состоит из капелек жидкости, дымы (Т/Г) - системы с твердыми частицами и пыли (Т/Г) - системы с твердыми, но более крупными частицами.
Следует иметь в виду, что часто на практике «дым» означает систему, возникающую при сгорании топлива и содержащую как твердые частицы сажи и золы, так и жидкие частицы продуктов перегонки топлива и капли воды, образовавшиеся в результате конденсации паров воды. Дымы, в которых частицы дисперсной фазы адсорбировали значительное количество влаги из атмосферы, очевидно, являются одновременно и дымами, и туманами. Такие системы, особенно часто образующиеся при большом содержании влаги в задымленной атмосфере над большими промышленными городами, называются английским термином «смог» (smog – smoke (дым) + fog (туман)).
По дисперсности аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяют на дымы с частицами от 10-9 до10-5 м и пыли, размер частиц которых обычно больше 10-5 м. Туманы, как правило, состоят из довольно крупных капелек размером от 10-7 до 10-5 м.
По происхождению системы с газовой дисперсионной средой разделяют, как и все дисперсные системы, на диспергационные и конденсационные. Диспергационные аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых тел или распылении жидкостей, как и лиозоли, полученные путем диспергирования, имеют довольно крупные частицы и, как правило, полидисперсны. Аэрозоли, полученные методом конденсации из пересыщенных паров или в результате химических реакций, наоборот, обычно являются высокодисперсными системами с более однородными по размерами частицами.
Различают аэрозоли, образующиеся в земной атмосфере в результате протекания различных природных процессов и получаемые в результате производственной деятельности человека. Первые называются естественными, вторые – техническими. Технические аэрозоли образуются в процессе добычи и переработки руд, угля, измельчения материалов, производства цемента, сжигания топлива и других технологических процессов.
По химическому происхождению различают органические и неорганические, по токсичности - токсичные и нетоксичные аэрозоли. 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).
Размер и форма частиц
Аэрозоли охватывают большой диапазон дисперсности, однако высоко - и грубодисперсные аэрозоли неустойчивы. Первые - вследствие частого столкновения частиц между собой и в замкнутой системе со стенками, вторые – в связи с большой скоростью седиментации. Поэтому практически аэрозоли занимают область 10-4 – 10-7 м, как видно из приведенных ниже данных (табл.1).
Таблица 1: Размеры частиц некоторых типичных аэрозолей
Название системы |
Размер частиц, м |
Туман (Н2О) |
5·10-7 |
|
Пыль природная |
1·10-6 - 1·10-4 |
|
Споры и пыльца растений |
1·10-6 -1·10-5 |
|
Слоистые облака |
1·10-6 -1·10-5 |
|
Дождевые облака |
1·10-5 - 1·10-4 |
|
Туман (Н2SО4) |
1·10-6 - 1·10-5 |
|
Табачный дым |
1·10-7 - 1·10-6 |
|
Дым (Р2О5) |
5·10-6 - 1·10-6 |
Кривая распределения частиц в аэрозоле, т.е. содержание в нем частиц различных радиусов, зависит от происхождения аэрозоля и процессов, происходящих в аэрозоле после его получения (агрегация, коалесценция, изотермическая перегонка).
Форма частиц аэрозолей зависит
от агрегатного состояния вещества
дисперсной фазы. В туманах капельки
жидкости шарообразны. В дымах частицы
могут иметь самую
В результате рыхлости (пористости) частиц аэрозоля кажущаяся плотность этих частиц, определенная обычно принятыми способами, часто значительно меньше плотности вещества, из которого они состоят. Это можно видеть по значениям плотностей частиц некоторых дымов, полученных различными методами.
Размер и форму частиц определяют с помощью обычной микроскопии, ультра- или электронной микроскопии.
Образование аэрозолей
Конденсационные методы
Конденсация паров — наиболее распространенный способ образования аэрозолей. Пар высокой концентрации, находящийся в воздухе или инертном газе, охлаждается при разбавлении его холодным воздухом или быстром расширении до тех пор, пока не станет пересыщенным и не начнет конденсироваться, образуя аэрозоль из жидких или твердых частиц. Примером образования конденсационных аэрозолей может служить возникновение облаков при подъеме теплого влажного воздуха в холодные верхние слои атмосферы. В лаборатории получают конденсационные аэрозоли путем возгонки многих неорганических и органических веществ.
Конденсационный способ образования аэрозольных частиц может осуществляться двумя путями: гомогенной или гетерогенной конденсацией.
Гомогенная конденсация происходит в три стадии: 1) пар при расширении должен стать настолько пересыщенным, чтобы происходила его конденсация; 2) должны образоваться малые молекулярные кластеры; 3) пар должен конденсироваться на кластерах, которые при этом растут, превращаясь в капли. В случае гетерогенной конденсации наблюдаются только стадии 1 и 3.
В основе гомогенной конденсации лежит образование твердых или жидких частиц из одинаковых молекул. В процессе теплового движения за счет межмолекулярных сил из нескольких молекул могут образовываться ассоциаты, называемые кластерами.
Кластерами называются строго упорядоченные молекулярные ассоциаты, возникающие в гомогенной системе и включающие от нескольких до сотен и тысяч молекул.
Другими словами, кластеры
– это надмолекулярные
Размер кластера, при котором вероятность его роста становится равной вероятности его распада, называется критическим.
Если размер кластера превысит критический, то кластер становится стабильным образованием, характеризующимся определенным фазовым состоянием, т.е. жидкой или твердой аэрозольной частицей.
Кластеры могут возникать и существовать не только в газообразной среде, но и в жидкостях, и в твердых телах, а также вместе на их поверхности. Кластерное состояние вещества по физико-химическим параметрам отличается как от газообразного состояния, так и от конденсированного. Его можно рассматривать, как переходную стадию при гомогенной конденсации с образованием аэрозолей в виде облаков и туманов.
В основе гетерогенной конденсации аэрозольных частиц лежит межмолекулярное взаимодействие молекул газа или жидкости с поверхностью уже существующих твердых или жидких микрочастиц. В большинстве практических случаев пар конденсируется на мелких частицах пыли, и для протекания такого процесса не требуется такого высокого пересыщения, как при гомогенной конденсации. Этим частицам дано название ядра конденсации, и они могут иметь размеры от молекулярного до 1 мкм и более. Такая микрочастица играет роль ядра, на поверхности которого адсорбируются молекулы газа (пара). Основным естественным источником ядер конденсации может служить процесс фотоокисления органического вещества. К другим источникам относят подъем частиц пыли ветром, образование ядер NaCl при распылении морской соли, а также лесные пожары, взрывы и извержения вулканов. В результате гетерогенной конденсации обычно образуются аэрозольные частицы, более сложные по химическому составу, чем при гомогенной конденсации. Примером может служить образование токсического смога из молекул SO2, паров воды (тумана) и мельчайших твердых частиц несгоревшего углерода или оксидов металлов (дыма).
Диспергационные методы
Диспергационные методы получения аэрозолей связаны с измельчением твердых тел или распылением жидкостей. В природных условиях диспергационные аэрозоли образуются в результате вулканических и других взрывов.
Среди искусственных методов наиболее распространен способ пневмораспыления жидкостей, при котором жидкость под небольшим давлением продавливается через отверстия малого диаметра, например на выходе из пульверизатора, при этом образуются мельчайшие частицы жидкости, взвешенные в газообразной среде. Если распылять суспензии или растворы и одновременно подвергать их сушке, то получаются твердые аэрозольные частица. Такой способ широко используется в промышленности, например, для получения молочного порошка, растворимого кофе, стирального порошка и др.
Применяемые при получении туманов диспергационными методами распылители жидкостей можно разделить на три основные группы.
К первой, имеющей особенное значение для тонкого распыления жидкостей, относятся пневматические или аэродинамические распылители, в которых вытекающая из сопла жидкость дробится движущимся с большой скоростью воздухом или иным газом. С этим методом распыления мы встречаемся в обычных краскораспылнтельных пистолетах, форсунках Вентури и многочисленных распылителях, служащих для получения инсектицидных, дезинфицирующих и лекарственных туманов. Для этих распылителей характерен очень широкий диапазон размеров капель, который в некоторых случаях можно сузить, улавливая более крупные капли в самом распылителе.
В распылителях второй группы жидкость подается на центр вращающегося диска или опрокинутого конуса и сбрасывается в распыленном состоянии с его краев под действием центробежных сил. Получаемый при этом туман характеризуется значительно большей монодисперсностью, чем при других методах распыления жидкостей.
В третьем, гидравлическом или гидродинамическом, методе жидкость продавливается под большим давлением через сопло. Здесь дисперсность получаемых капелек в большей степени зависит от физических свойств жидкости и условий ее течения через сопло, чем от взаимодействия между жидкостью, и окружающим газом. По-видимому, наиболее удачным распылителем гидравлического типа и, пожалуй, единственным, нашедшим применение для тонкого распыления жидкостей, является центробежная форсунка с вихревой камерой, применяющаяся в сельскохозяйственных опрыскивателях, при распыления жидкого топлива и в двигателях внутреннего сгорания. Здесь жидкость вводится в камеру тангенциально, закручивается в ней и выпускается через небольшое центральное отверстие.
Помимо этих трех главных типов имеются еще два менее известных типа распылителей специального назначения. Это — распылители, диспергирующие жидкость при помощи электростатических сил, и акустические распылители, в которых распыление происходит под действием высокоинтенсивных звуковых или ультразвуковых колебаний.
Оптические свойства
Оптические свойства аэрозолей подчиняются, в общем, тем же законам, что и оптические свойства лиозолей. Так, светорассеяние аэрозолей описывается уравнением Рэлея
где I0 и Ip – интенсивности падающего и рассеянного света соответственно; n0 и n1 – показатели преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы; ν - частичная концентрация дисперсной системы; v– объем частицы, λ- длина волны падающего света.
Следует, однако, отметить, что вследствие большой разницы в плотностях, а, значит, и в показателях преломления дисперсионной среды и дисперсной фазы оптические свойства аэрозолей и, прежде всего светорассеяние проявляется весьма заметно. Благодаря большой способности рассеивать свет аэрозоли широко применяются для создания дымовых завес. Из всех дымов наибольшей способностью рассеивать и отражать свет обладает дым Р2О5 – его маскирующая способность принимается обычно за единицу.
Концентрацию трудно доступных для исследования аэрозолей, например, концентрацию воды в облаке, можно определить с помощью радиолокаторов. «Прощупывающий» пространство направленный радиолуч пропускается источником в виде импульсов через определенные промежутки времени и регистрируется на экране осциллографа. С помощью осциллографа регистрируется и излучение, возвращающееся обратно в результате рассеяния объектом (облаком). По интервалу времени, прошедшему, от подачи радиосигнала до приема рассеянного луча, можно определить расстояние до объекта, а по интенсивности отраженного луча можно судить о концентрации дисперсной фазы в объекте.
При опалесценции под действием белого света бесцветные дисперсные системы обнаруживают голубоватую окраску. Поскольку величина Ip обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света, то рассеиваются, главным образом, короткие волны. Наоборот, в проходящем свете эти системы окрашены в красноватый цвет, т.к. при прохождении через дисперсную систему из спектра в результате рассеяния исчезают лучи синего цвета.
Преимущественным рассеянием света с малой длиной волны объясняется цвет неба в различное время дня. Причина голубого цвета неба днем заключается в рассеивании коротких волн солнечного света атмосферой Земли. Абсолютное значение интенсивности света, рассеянного 1 м3 воздуха, ничтожно, но оно становится заметным благодаря огромной толщине земной атмосферы и флуктуаций молекул газа. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу.
На зависимости светорассеяния от длины световой волны основано также применение синего света для светомаскировки и красного света для сигнализации. Лампы синего цвета применяют, когда хотят, чтобы они остались незамеченными с самолетов, т.к. синие лучи при прохождении через достаточно толстый слой воздуха, особенно, если в нем содержатся частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются. Наоборот, когда хотят, чтобы свет не рассеивался и был заметен в тумане, применяют фонари, светящиеся красным цветом.
Молекулярно-кинетические свойства
Принципиальное отличие аэрозолей от систем с жидкой дисперсионной средой заключается в том, что длина свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего) в газе может быть больше размеров частиц дисперсной фазы. Согласно молекулярно-кинетической теории газов длину свободного пробега молекулы, равную среднему пути между столкновением ее с другими молекулами, вычисляют по уравнению
где d –диаметр молекул, V – объем системы, n = p/kT – число молекул в единице объема. Следовательно,
По порядку величины при атмосферном давлении длина свободного пробега молекулы газа составляет около 10-7 м. Длина свободного пробега молекулы жидкости примерно равна ее радиусу, т.е. по порядку величины близка к 10-10м.
При изучении молекулярно-кинетических
свойств аэрозолей
1 – аэрозоли с достаточно крупными частицами (r>>λ), для которых закономерности носят гидродинамический (точнее аэродинамический характер). Движение частиц в непрерывной вязкой среде описывается законом Стокса:
где η – вязкость среды, U – скорость движения частицы.
2 – высокодисперсные аэрозоли (r<<λ), для которых уравнение Стокса не выполняется. Закономерности движения частиц приобретают молекулярно-кинетический характер. Частицы в этом случае следует рассматривать как большие молекулы, движущиеся среди малых. В этом случае сила трения f пропорциональна r2 (а не r).
Уравнение Стокса не соблюдается не только для очень малых аэрозольных частиц, но и для весьма крупных (r>20-30 мкм).
Вязкость газовой
Явления термофореза, фотофореза и термопреципитации, связанные с молекулярно-кинетическими свойствами, характерны 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. Если λ/ r <<1, причина возникновения термофореза несколько более сложная. Однако можно показать, что и при λ/r<<1 движение частицы в поле температурного градиента должно также происходить в сторону понижения температуры.
Фотофорез, заключающийся в передвижении частиц аэрозоля при одностороннем их освещении, является частным случаем термофореза. Объяснение фотофореза более сложно, чем термофореза, поскольку распределение температуры внутри освещенной частицы зависит от ее размера, формы, прозрачности и коэффициента преломления и, следовательно, может быть весьма различным. Для непрозрачных частиц обычно наблюдается положительный фотофорез, т.е. частицы движутся в направлении светового луча. Для прозрачных частиц может наблюдаться и отрицательный фотофорез в связи с тем, что задняя сторона частицы может быть нагрета преломившимися в частице лучами сильнее, чем передняя, обращенная к источнику света. Известны случаи, когда малые частицы некоторых веществ обнаруживают отрицательный фотофорез, а большие – положительный. Такое явление можно объяснить тем, что по мере увеличения частиц интенсивность света, прошедшего через частицу, ослабляется в большей степени, а значит, задняя часть частицы нагревается меньше.
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. Благодаря небольшому размеру капелек и малой скорости оседания (5×10-4-7×10-3м/с) они как бы взвешены в атмосфере, и поднимающихся от земли сравнительно слабых токов теплого воздуха достаточно для того, чтобы облака продолжали свой путь над землей, двигаясь при этом как единое целое. И только когда в результате коалесценции или конденсации капельки облаков или туманов становятся больше критического размера, они выпадают в виде дождя.
Под термопреципитацией подразумевают осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях, поскольку при соприкосновении с такими поверхностями частицы теряют кинетическую энергию. Именно преципитацией объясняется осаждение пыли на стенах и потолке возле печей, радиаторов, ламп, а также в трубах.
Электрические свойства аэрозолей
Явления, связанные с электрическими свойствами аэрозолей, имеют очень большое практическое значение. Так, движение и оседание частиц аэрозолей является причиной грозовых явлений, а также причиной серьезных помех в работе управляющих и следящих устройств. Изменение условий образования зародышей жидкой фазы весьма важно для метеорологии, для искусственного дождевания, во всех технологических процессах, связанных с конденсацией паров.
Аэрозольные частицы приобретают заряд либо в процессе своего образования, либо находясь во взвешенном состоянии. Образование заряженных частиц наблюдается при разбрызгивании полярных жидкостей. Причина появления заряда у частиц, находящихся во взвешенном состоянии, - столкновение их друг с другом, а также захват газовых ионов. В атмосфере всегда присутствуют ионы, появление которых вызвано, в частности, действием естественной радиации. В отличие от золей, находящихся в растворе электролита, величина заряда на частицах аэрозоля является случайной величиной, определяемой, главным образом, столкновениями с ионами газов. Таким образом, частицы одинаковых размеров и одного состава могут иметь различные по величине (и даже по знаку) заряды, изменяющиеся во времени совершенно случайно. В обычных условиях газовых ионов очень мало и частицы аэрозоля сталкиваются с ними редко (одно столкновение за период от нескольких секунд до нескольких минут). При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может увеличиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы в аэрозолях постоянно меняется. Однако, в общем, все же можно полагать, что заряд частицы аэрозоля тем больше, чем больше ее размеры. На практике также установлено, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов несут отрицательный заряд, например, Fe2O3, MgO, Zn, ZnO, и. наоборот, частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов заряжены, как правило, положительно – SiO2, P2O5 и т.д. Положительно заряжены также частицы NaCl, угля, крахмала; частицы муки несут отрицательный заряд.
Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe203), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO2, P2O5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.
Важным отличием аэрозолей от жидких дисперсных систем является отсутствие электронейтральности системы в целом. Суспензии, эмульсии, лиозоли в макроколичествах не имеют заряда, в них соблюдается закон электронейтральности. Аэрозоли же даже в больших количествах могут обладать значительным статическим зарядом, а седиментация приводит к его неравномерному распределению в системе, что создает серьезные трудности при рассмотрении закономерностей изменения свойств аэрозолей. Однако оценочные расчеты, например, напряженности электрического поля в облаках, можно провести с помощью простых соотношений.
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. При значительной полидисперсности капель облака, а также при конвекционных токах, обусловленных ветром, в облаке могут возникать и большие напряженности (Е>30 кВ/м), приводящие к грозовым явлениям.
Агрегативная устойчивость аэрозолей
Аэрозоли, обладая при высокой
дисперсности достаточно высокой седиментационной
устойчивостью, обычно являются весьма
агрегативно неустойчивыми
Коагуляция аэрозолей, являющаяся, как правило, процессом быстрой коагуляции, обычно протекает значительно быстрее, чем коагуляция лиозолей.
На скорость разрушения систем с газовой дисперсионной средой, помимо частоты столкновений, влияют и другие факторы. Так, коагуляции аэрозолей способствует полидисперсность и анизодиаметрическая форма частиц. Разрушение аэрозолей ускоряется при наличии в них противоположно заряженных частиц. Наоборот, если частицы аэрозоля обладают одинаковым по знаку и достаточно большим по величине зарядом, то наблюдается рассеяние частиц. На скорость коагуляции аэрозоля, конечно, влияют конвекционные потоки, механическое перемешивание, ультразвуковые колебания, поскольку все эти воздействия увеличивают вероятность столкновения частиц друг с другом.
Необходимо отметить, что в аэрозолях, как и в лиозолях, могут изменяться размеры частиц не только за счет явлений коалесценции и агрегации, но и вследствие изотермической перегонки дисперсной фазы, что приводит к укрупнению больших частиц за счет испарения более мелких. В атмосфере больших промышленных городов при влажности, близкой к 100%, происходит конденсация паров воды на частицах дыма и пыли. Поэтому количество осадков над городами намного превышает средние для данной местности значения.

- Физиогномика
- Физиогномика: фантастика или реальность
- Физиогномика. Язык внешности
- Физиократия
- Физиократия и меркантилизм
- Физиократия. Экономическое учение Кенэ
- Физиократтар мен меркантелистердің салыстырмалы талдауы
- Физико-химические свойства средств по уходу за полостью рта на примере зубных паст
- Физико-химические свойства титана
- Физико - химические свойства тканей и загрязнений. Моющие средства
- Физико-химические свойства цитоплазмы. Гетерогенность цитоплазмы
- Физико - химические свойство воды
- Физико-химическое свойство белков. Методы обнаружения и выделения их
- Физико-химическое свойство газа