ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОЗОЛЕЙ

Свойства аэрозолей определяются:

• природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;

• частичной и массовой концентрацией аэрозоля;

• размером частиц и распределением частиц по размерам;

• формой первичных (неагрегированных) частиц;

• структурой аэрозоля;

• зарядом частиц.

Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются массовая концентрация и численная (частичная) концентрация.

Массовая концентрация – масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.

Численная концентрация – число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика была численная концентрация в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не может превышать 10³ частиц/см³.

РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

Минимальный размер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20–30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 • 10 ³ мкм. Чтобы рассматривать газ как

Размеры частиц некоторых золей Та6лица 18.1

Аэрозоли	Условное обозначение	Размеры частиц, м
Туман (Н₂О)	Ж/Г	5 • 10 ⁷
Слоистые облака	Ж/Г	1 • 10 ⁶–1 • 10 ⁵
Дождевые облака	Ж/Г	1 • 10 ⁵–1 • 10 ⁴
H₂SO₄ (туман)	Ж/Г	1 • 10 ⁶–1 • 10 ⁵
ZnO (дым)	Т/Г	5 • 10 ⁸
Табачный дым	Т/Г	1 • 10 ⁷–1 • 10 ⁶
Топочный дым	Т/Г	1 • 10 ⁷–1 • 10 ⁴
Р₂О₅ (дым)	Т/Г	1 • 10 ⁶–1 • 10 ⁵

непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чем свободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.

ФОРМА ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЯ

Жидкие капли в аэрозолях всегда сферичны, твердые частицы могут иметь самые различные формы. Их можно разделить на три класса.

1. Изометрические частицы, для которых три размера в первом приближении совпадают. К этому классу относятся шарики, правильные многогранники или частицы, близкие к ним по форме.

2. Пластинки – частицы, имеющие два больших размера и один малый: лепестки, чешуйки, диски.

3. Волокна – частицы, протяженные лишь в одном направлении и имеющие меньшие размеры в двух других направлениях: иглы, нити или минеральные волокна.

Форма частиц зависит от способа получения и материала. Так, например, частицы, возникающие при конденсации пара, имеют обычно сферическую форму,

СТРУКТУРА АЭРОЗОЛЯ

Частицы аэрозоля могут существовать сами по себе или объединяться в цепочки, которые называют агломератами или флоккулами. Они обычно образуются из высокозаряженных маленьких частиц, которые находятся в плотных дымах. Аэрозоли могут также состоять из полых капель, заполненных газом или полых частиц, содержащих вещество – наполнитель. Таким образом, плотность частиц в аэрозоле может значительно отличаться от плотности исходного вещества.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Аэрозольные частицы, имея малые размеры, обладают развитой поверхностью, на которой могут протекать адсорбция, горение и другие химические реакции. Большая поверхность обусловливает такие физические свойства, как гигроскопичность или способность взаимодействовать с электрическими зарядами.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

Оптические свойства аэрозолей подчиняются тем же закономерностям, что и оптические свойства лиозолей, но в аэрозолях они проявляются более ярко за счет большой разности в плотностях, а значит – в показателях преломления аэрозольной частицы и газовой среды. Характер взаимодействия света с аэрозольной частицей зависит от соотношения между размером частицы d и длиной волны света . Если d >> , то взаимодействие можно рассматривать с позиции геометрической оптики, если d<< или d< , то необходимо основываться на теории электромагнитных колебаний, т. е. учитывать волновую природу света. Для аэрозолей характерны рассеяние и поглощение света.

Интенсивность рассеянного света J_p определяется уже известным нам уравнением Рэлея:

J_p = где K =24

Поскольку показатель преломления частицы n₁значительно больше показателя преломления среды n₀, для аэрозолей величина К значительно больше, чем для лиозолей.

Из уравнения Рэлея видно, что красный свет рассеивается гораздо меньше, чем синий и желтый, и если учесть тот факт, что аэрозольных частиц в нижних слоях атмосферы намного больше, чем в верхних, становится ясным, почему на восходе и закате небо окрашивается в багровые тона, а в полдень сияет голубизной. Ведь когда Солнце приближается к горизонту, мы наблюдаем лучи, почти горизонтально расположенные, проходящие через запыленные нижние слои атмосферы, сильно рассеивающие свет, до нас доходит, главным образом, красный свет. Когда же Солнце стоит высоко, в вертикальном столбе атмосферного воздуха суммарное количество частиц относительно невелико и, следовательно, невелико рассеяние, поэтому солнечный свет мы наблюдаем неискаженным, незначительно рассеивается только коротковолновая (голубая) составляющая света, которая и придает небу голубой цвет.

Некоторые, главным образом, металлические или угольные частицы могут поглощать свет. Черный цвет дыма обусловлен тем, что дымовые частицы эффективно поглощают видимые лучи всех длин волн. Белый цвет дыма вызван интенсивным рассеянием его частицами всех видимых длин волн.

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 за единицу.

МОЛЕКУЛЯРНО – КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

АЭРОЗОЛЕЙ

Особенности молекулярно –кинетических свойств аэрозолей обусловлены:

• малой концентрацией частиц дисперсной фазы – так, если в 1 см³ гидрозоля золота содержится 10¹⁶ частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 10⁷ частиц;

• малой вязкостью дисперсионной среды – воздуха, следовательно, малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц;

• малой плотностью дисперсионной среды, следовательно _част >> _газа.

Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в лиозолях.

Рассмотрим самый простой случай, когда аэрозоль находится в закрытом сосуде (т. е. исключены внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом r и плотность . На такую частицу одновременно действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила трения прямо противоположного направления. Кроме того, частица находится в броуновском движении, следствием которого является диффузия.

Для количественной оценки процессов диффузии и седиментации в аэрозолях можно использовать значения удельного потока диффузии i_дифи удельного потока седиментации i_сед – величины, которые мы рассматривали в связи с седиментационной устойчивостью лиозолей (раздел 10.1):

i_диф= (уравнение 9.4),

i_сед = (уравнение 10.7).

Чтобы выяснить, какой поток будет преобладать (i_диф или i_сед), рассматривают их соотношение:

В этом выражении ( – ₀) >> 0. Следовательно, величина дроби будет определяться размером частиц.

Если r > 1 мкм, то i_сед >> i_диф, т. е. диффузией можно–пренебречь – идет быстрая седиментация и частицы оседают на дно сосуда.

Если r < 0,01 мкм, то i_сед << i_диф. В этом случае можно пренебречь седиментацией – идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации. Это иллюстрируется таблицей 18.2.

Таким образом, из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые – в результате оседания на дно. Частицы промежуточных размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не превышает 10³ част/см³.

Для частиц аэрозолей характерно движение частиц в поле температурного градиента в направлении изменения

Данные для водного тумана в закрытом помещении Таблица 18.2

Дисперсная система	d, мкм	Скорость оседания, см /с	Время оседания в помещении высотой 3 м
Высокодисперсная	0,5 5	0,00075 –0,075	4,65 сут – 1,1 час
Среднедисперсная	5 25	0,075 –1,9	1,1 час – 2,6 мин
Низкодисперсная	25 100	1,9 –27	2,6 мин –11,1 с
Мелкокапельная	100 250	27 –95	11,1с –3,2 с
Крупнокапельная	250 400	95 –162	3,2 с –1,9 с

температуры. Этим обусловлены такие явления, как термофорез, термопреципитация, фотофорез.

Термофорез – самопроизвольное движение частиц в направлении снижения температуры. Оно обусловлено тем, что с «горячей» стороны на частицу налетают более быстрые молекулы газа и она смещается в «холодную» сторону. Термопреципитация – осаждение частиц аэрозоля преимущественно на холодных поверхностях, когда вблизи присутствуют горячие тела. Термопреципитацией обусловлено оседание пыли на стенах и потолке вблизи радиаторов, ламп, горячих труб, печей и т. д. Фотофорез – передвижение частиц аэрозоля при одностороннем освещении, является частным случаем термофореза. Для непрозрачных частиц наблюдается положительный фотофорез, т. е. частицы движутся в направлении светового луча. Для прозрачных частиц имеет место отрицательный фотофорез, причем при увеличении размеров частиц он может переходить в положительный.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ

Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.

1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из–за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация.

2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.

3. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.

4. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.

5. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.

6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.

Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Ее₂О₃), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO₂, P₂O₅) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.

АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ.

КОАГУЛЯЦИЯ

В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.

Скорость коагуляции быстро возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля (табл. 18.3).

Независимо от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см³ находится 10³–10⁶ частиц (для сравнения – в лиозолях ~10¹⁵ частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами.

Таблица 18.3