Аэрозоли и порошки (стр. 1 из 2)

Аэрозоли

Аэрозоли и сыпучие материалы (порошки) - системы с газовой дисперсионной средой. Аэрозоли - это дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии.

Сыпучие материалы можно рассматривать как осадок аэрозолей с твердой дисперсной фазой, т.е. как систему Т/Г.

Для аэрозолей сложилась своя классификация в зависимости от агрегатного состояния и размеров частиц дисперсной фазы. Эта классификация приведена в табл. 6.5.1.1. Простейшими являются аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит только из твердых частиц или из капель. Каждая из разновидностей аэрозольных систем имеет свое название. Высоко - и среднедисперсные системы типа Т/Г принято называть дымом, а грубодисперсные - пылью.

Кроме основных, существуют менее распространенные, но не менее важные аэрозольные системы. В аэрозольных жидких (система Т, Г/Г) и твердых (система Ж, Г/Г) пенах газовый пузырек окружен пленкой (жидкой и твердой). Жидкие аэрозольные пены, в которых газовый пузырек обрамлен жидкой пленкой, применяют для тушения пожаров. Пепел и извергаемая вулканами лава состоят из частиц, поры которых заполнены газом. Аэрозоли, сформированные из подобных частиц, можно рассматривать как твердые пены.

Таблица 6.5.1.1

Классификация аэрозолей

Дисперсная фаза	Обозначение	Название
ТвердаяЖидкаяТвердая и жидкаяПенаГазовые образования	Т/ГЖ/ГТ, Ж/ГЖ, Г/ГТ, Г/Г*Г/Г**	Дым, пыльТуман, каплиСмогЖидкая аэрозольная пенаТвердая аэрозольная пенаКлатраты, газовые гидраты

*Образование такой системы маловероятно.

Для аэрозолей, как и для других дисперсных систем, характерна агрегативная и седиментационная устойчивость и неустойчивость. В них протекают процессы коагуляции, коалесценции и оседания, что приводит к изменению состава и свойств этих систем.

Концентрация и размер частиц дисперсной фазы аэрозолей все время изменяются: частицы возникают и исчезают, укрупняются и дробятся на более мелкие, перемещаются - какая-то часть частиц аэрозольной системы покидают ее, что компенсируется за счет притока новых частиц (см. рис. 6.5.1.1).

Получить частицы дисперсной фазы аэрозолей возможно диспергированием и конденсационным способом.

Газовая среда аэрозолей обуславливает отличия их свойств от свойств систем с жидкой дисперсной средой. Одно из этих отличий связано с электрическим зарядом аэрозольных частиц. Электрические заряды возникают в результате трения твердых частиц при образовании аэрозолей, при дроблении жидкости, адсорбции ионов и вследствие ряда других причин.

Электрические свойства аэрозолей принципиально отличаются от электрических свойств золей и суспензий. Для систем типа Т/Ж электрический заряд возникает в результате взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. При этом образуется двойной электрический слой, происходит компенсация заряда частиц, а между сблизившимися частицами возникает электростатическая сила отталкивания.

Заряд частиц аэрозолей не компенсируется, является избыточным, частицы могут иметь заряды различного знака (отсутствует униполярность). Часть частиц может иметь заряд одного знака, а другая – противоположного, или даже быть нейтральной.

Агрегативная устойчивость аэрозолей также в значительной степени обусловлена особенностями газовой дисперсионной среды. Подвижность частиц в газовой среде и отсутствие электростатических сил отталкивания приводит к тому, что вероятность e, которая характеризует кинетику коагуляции, равна или близка к единице. Это означает, что процесс идет по механизму быстрой коагуляции. В результате коагуляции частицы укрупняются и образуют агрегаты (см. рис.6.5.1.1).

В отношении аэрозолей, находящихся в атмосфере, в полной мере проявляются оптические свойства дисперсных систем.

В воздухе находится множество частиц различных размеров, форм и происхождения; каждая из них рассеивает и поглощает свет. Причем на состав атмосферных аэрозолей оказывают влияние аэрозольные системы, пришедшие из космоса.

Характеризуют оптические свойства не отдельных аэрозольных частиц, а их массы. К таким обобщенным характеристикам аэрозольных систем, находящихся в воздухе, относятся интенсивность рассеяния света, коэффициент поглощения и оптическая плотность (экстинкция).

Интенсивность рэлеевского рассеяния света высокодисперсными атмосферными аэрозолями зависит от показателя преломления дисперсной среды (воздуха) и дисперсной фазы. Показатель преломления воздуха близок к единице, а показатель преломления дисперсной фазы атмосферных аэрозолей колеблется в пределах 1,34-1,54. Нижнее значение относится к каплям воды, а верхнее - к сульфатным частицам.

Вязкость воздуха примерно в 1000 раз меньше вязкости воды; поэтому седиментационная устойчивость аэрозолей ниже, чем суспензий. Для высокодисперсных аэрозолей характерны более интенсивное броуновское движение и диффузия, чем для золей.

Для частиц диаметром> 0,5 мкм скорость броуновского движения не может конкурировать со скоростью седиментации. Для частиц диаметром менее 0,5 мкм (50 нм) скорость броуновского движения превышает скорость седиментации, что означает установление седиментационно-диффузионного равновесия – высокодисперсная система становится седиментационно-устойчивой.

В результате броуновского движения и диффузии высокодисперсные частицы приобретают способность перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Коэффициент диффузии в жидкой среде может колебаться в пределах 10^-8-10^-10 м² /с. В воздушной среде он имеет более высокие значения и может достигать 10^-6 м²/с, а это означает, что движение высокодисперсных частиц одного и того же размера в воздухе будет интенсивнее, чем в жидкости.

В аэрозолях в сильно разряженной газовой атмосфере, а тем более в безгазовом пространстве отсутствует броуновское движение, т.е. самопроизвольное движение частиц под действием кинетической энергии молекул дисперсионной среды, и диффузия. Перевести частицы в аэрозольное состояние можно с помощью механических процессов или взрыва, при этом одновременно может протекать процесс диспергирования.

В атмосфере Земли возникновение аэрозолей происходит под действием воздушного потока.

На частицу (см. рис. 6.5.1.2) со стороны воздушного потока действует аэродинамическая сила, зависящая от скорости этого потока n и направленная вертикально. Необходимым условием перехода частиц в воздушную среду является превышение горизонтально-направленной аэродинамической силы F^r_аэ над суммарным действием сил аутогезии F_аут и веса частиц P

F^r_аэ>m(F_аут+P),

где m - коэффициент внутреннего трения, учитывающий различное направление действия сил.

Если сила аутогезии намного превышает вес, то условие упрощается:

F^r_аэ³m_в F_аут

При турбулентном течении перемещение воздуха сопровождается интенсивным перемешиванием, и аэродинамическая сила, действующая на частицу, определяется по формуле:

F^r_аэ = с_хrВ_ч(u²/2)

где с_х – коэффициент сопротивления частиц; r - плотность воздуха; В_ч – площадь сечения частиц; u - скорость воздушного потока.

После отрыва частиц под действием воздушного потока возникает вертикальная составляющая аэродинамической силы F_аэ^в. Горизонтально и вертикально направленные силы и обусловливают переход частиц в аэрозольное состояние; движение частиц в этих условиях на рис. 6.5.1.2 показано пунктиром.

Учитывая вышеизложенное, скорость воздушного потока, необходимая для перевода частиц в аэрозольное состояние:

.

В формуле не учтено образование пограничного слоя, в котором скорость воздушного потока уменьшается от определенного значения до нуля.

Для разрушения аэрозолей и улавливания дисперсной фазы применяют различные методы. Крупные частицы осаждаются в пылевых камерах. Широко применяются мокрые уловители – скрубберы, в которых частицы смачиваются и оседают на дно. Эффективна очистка в электрофильтрах (аппаратах Коттреля), в которых генерируются отрицательно заряженные газовые ионы и электроны на коронирующем электроде. Отрицательные ионы, двигаясь к положительному осадительному электроду, отдают частицам аэрозоля свой заряд, которые, заряжаясь, начинают перемещаться в том же направлении. На положительном электроде частицы теряют заряд и осаждаются. Однако эффективность всех методов уменьшается с увеличением дисперсности аэрозолей, поэтому для разрушения высокодисперсных аэрозолей используют методы предварительной коагуляции. Наиболее эффективен метод улавливания аэрозолей, основанный на конденсации паров жидкости (воды) в среде аэрозоля, где частицы аэрозоля выступают в роли центров конденсации, укрупняются и коагулируют из-за конденсации на них паров воды.

Порошки

Порошками называются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой – воздух или другой газ: Т/Г.

Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм. От аэрозолей порошки отличаются большей концентрацией твердых частиц.

Классификация осуществляется:

1. По форме частиц:

- равноосные (одинаковые размеры по трем осям);

- волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины);

- плоские (длина и ширина гораздо больше толщины).

2. По межчастичному взаимодействию:

- связнодисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладает некой структурой);