аэрозоли

АЭРОЗОЛИ [от греч. aer — 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 вещества в пересыш. паре (т. наз. гомог. нуклеация) или конденсации пара на присутствующих в нем ионах или мельчайших частицах др. вещества — 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. реакциях 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. реакций между газообразными примесями под действием интенсивного солнечного освещения. Особенность конденсации продуктов хим. реакций — возможность каталитич. действия конденсиров. частиц на превращ. исходных веществ. 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 вещества и его испарение с послед. конденсацией паров и образованием А.

Основные характеристики. Дисперсионную среду характеризуют хим. составом, температурой, давлением, степенью ионизации, параметрами внеш. физ. полей, полем скоростей течения, наличием турбулентности и ее параметрами, наличием и величиной градиентов температуры 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 температуре 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 вещество 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 уравнениями, конечный вид которых 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 которых — частицы А. — намного тяжелее молекул дисперсионной среды. В такой системе процессы переноса описываются с помощью уравнений 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 уравнений, 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 свойства А. — способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преим. как единое целое и при столкновении прилипать друг к другу или к к.-л. поверхности с вероятностью, равной единице. В покоящейся среде частицы А. поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собств. тепловому движению, энергия которого для частиц любой массы равна ³/₂kT, где k — постоянная Больцмана, T — абс. температура, 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 H_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, который 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 котором частицы оседают, а также сил инерции (если среда движется ускоренно), градиентов температур 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 (формула Стокса). Эта формула позволяет рассчитывать В с точностью до 10% при Кп > 0,1 и Re < 0,6. При больших Re вводят поправочные множители, являющиеся функциями Re. В области 1 < Кп < 0,1 в формулу Стокса вводят поправочный множитель Кеннингема, равный (1 + А₁Кп), где A₁ — эмпирич. постоянная. В свободномолекулярном режиме при Кп > 10 В = (Ai + Q/3) (формула Эпштейна), где Q — др. эмпирич. постоянная. В переходном режиме для расчета В предложен ряд эмпирич. формул, из которых наиб. распространена формула Милликена: , где b- эмпирич. постоянная. Для капель масляного тумана, напр., в формуле Эпштейна (А₁ + Q) = 1,154, в формуле 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 температуры 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 поверхности 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 поверхностей испарения или конденсации.

Частицы А. размером менее 1 мкм всегда прилипают к твердым поверхностям 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 формуле Смолуховского , в свободномолекулярном — по формуле, где и_р-средняя скорость теплового движения аэрозольных частиц, -коэф., учитывающий влияние межмол. сил и для разл. веществ имеющий значение от 1,5 до 4. Для переходного режима точных формул 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 температуре, 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 которого 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 некоторых др. производствах. Все это вызвало к жизни развитие методов пылеулавливания и туманоулавливания. Вместе с тем хим. промышленность либо непосредственно использует аэрозольное состояние вещества 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 которых 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 вещества 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. Сутгин}