Густой дым как поток продуктов горения (стр. 5 из 8)
Крахмал C6H10O2
Глюкоза C6H12O6
C6H12O6 + 6О2 = 6СО2+6Н2О
C6H10O2 + Н2О = C6H12O6
Натуральный каучук (–СН2 – С = СН – СН2 -)CH3
Синтетический каучук (–СН2 – СН = СН – СН2 -)
Резина
Твердые жиры (состоят из триглицеридов предельных (твердых) кислот (искусственное сало)
СН2 – O– СO – С15H31
|
СН – O– СO – С17H35
|
СН2 – O– СO – С17H33
Жиры жидкие (масла), состоят из триглицеридов непредельных (жидких) кислот
СН2 – O – СO – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – С H3
|
СН – O – СO – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – С H3
|
СН2 – O – СO – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – С H3
Спирты С2Н5ОН
Целлюлоза [C6H7O2(OH)3] n, n ≈100000
5. Фильтрация дыма через воду
Одним из распространенных способов очищения воздуха, позволяющих извлекать и использовать задержанные вещества, – является фильтрование через жидкую среду. Способ достаточно эффективен как для улавливания значительно концентрированных газов, так и для конденсации паров, поглощения твердых частиц. Механизм очистки воздуха при прохождении через воду не является до конца изученным. Он представляет собой совокупность нескольких процессов, одним из которых является диффузия на границе соприкосновения сред, другим – циркуляция воздуха за счет омывания водой. Кроме того, воздушные загрязнения по признаку «поведения» в атмосфере и при перемешивании с жидкостью, можно разделить на 4 основных группы. Это «газы», пары растворимых в воде веществ, пары нерастворимых веществ и твердые частицы.
Здесь под «газами» подразумеваются соединения, не способные конденсироваться в жидкое состояние (сжижаться) при температурах, близких к комнатной (-5ºС и далее). К ним относятся сероводород, аммиак, азот, кислород, хлор, углекислый, угарный, сернистый и др. газы. Под парами будет подразумеваться взвесь микроскопических капелек или отдельных молекул веществ в воздухе, способных конденсироваться при температурах, близких к комнатной. Это пары воды, спиртов, жиров, карбоновых кислот и т.д. Твердые частицы – пыль, копоть и так далее. Рассмотрим перемешивание с водой каждой из этих групп.
Пузырек, проходя через слои воды, интенсивно омывается жидкостью. В результате слои воздуха, прилегающие к поверхности раздела воздух-вода постоянно двигаются. Находящиеся непосредственно у поверхности раздела слои этих сред интенсивно перемешиваются. Легкие молекулы газов значительно подвижнее многоатомных органических молекул примесей и уж тем более массивных по сравнению с ними твердых частиц. Поэтому при интенсивном движении молекулы, состоящие из малого количества атомов имеют большие шансы изменить направление при встрече с границей раздела и направиться обратно в пузырек. Более массивные же молекулы и частицы, приближаясь к поверхности раздела не могут быстро изменить направление, и в результате – уходят в более плотную и вязкую среду – воду. Пары ведут себя подобно твердым частицам. Находясь в пузыре, часть микроскопических капелек за счет движения слоев воздуха, сливается друг с другом. При столкновении с поверхностью воды происходит слияние с ней и растворение в жидкости капелек растворимых веществ. Для микрокапель нерасворимых в воде веществ, столкновение с поверхностью раздела приводит к конденсации. Конденсировашиеся капельки поднимаются с пузырем и объединяются вблизи поверхности воды, образуя маслянистые пятна и парафиновые «айсберги». Эффективность этой отчистки зависит от отношения объема пузырька к площади его поверхности, а так же времени подъема.
Поднимаясь все ближе к поверхности, пузырек увеличивается в объеме, так как с уменьшением глубины, давление окружающей воды падает. Иными словами, отношение объема пузырька к его площади – увеличивается. Однако, внутренняя энергия сжатого газа при прочих равных условиях, возрастает при увеличении давления. Следовательно, выше и энергия движения частиц газа. Таким образом, вероятность перехода частиц из газа в воду для пузырька под бо́льшим давлением будет выше. Поэтому желательно, чтобы пузырьков образовывалось больше, а вот их начальные объемы были предельно малы, глубина подъема была так же больше. Этого можно добиться, если конец трубки перекрыть, а в нижней ее части сделать множество маленьких дырок, находящихся друг от друга сравнительно далеко. Последнее условие необходимо, чтобы, приближаясь к поверхности, пузырьки не сливались.
Подобный способ очистки давно применяется азиатскими курильщиками в кальяне. Табачный дым через трубку попадает в сосуд, наполненный водой, проходит через воду, при этом частично очищается. Из горлышка сосуда идет еще одна трубка, с помощью которой и затягивается курильщик.
Прохождение дыма через воду сокращает количество смол, дегтя и других веществ потенциально канцерогенного характера. Исследования показали, что фильтрование дыма через воду в кальяне сокращает содержание: никотина, фенолов на 90%, мелких твердых частиц на 50%, бензопирена, ароматических углеводородов полицикликена. Отмечается сокращение канцерогенного потенциала дыма, который пересек воду по сравнению с тем, который не прошел такой фильтрации. Дым от кальяна, лишенный таких веществ как акролеин и альдегиды, в отличие от сигаретного, не раздражает слизистых оболочек горла или носа курильщиков и лиц, находящихся поблизости от кальяна
Однако, установлено, что содержание в крови котонина повышено, по сравнению с курильщиками сигарет. На этом основании исследователи сделали вывод о том, что дым, проходя через воду, теряет концентрацию лишь некоторых из своих компонентов, иные же остаются примерно в том же составе.
По мере насыщения примесями, способность воды растворять новые порции постепенно снижается. При фильтрации дыма в воде концентрируются вещества, являющиеся растворителями для некоторых органических соединений. Например, спирты и кислоты растворяют жиры, некоторые углеводороды растворяются альдегидами и кетонами. Однако, взаимное сочетание всех этих соединений может снижать растворимость соединений других классов. Поэтому, вне зависимости от формирующегося состава, залогом высокой эффективности водной фильтрации является периодическая замена воды.
5.1 Образование пузырьков и их размеры
Средний размер пузырьков зависит от давления (определяющего скорость) входящего потока и диаметра выходного отверстия. При подаче газов под большим давлением скорость выхода через отверстие выше, в результате чего имеет место слияние нескольких последовательно образующихся пузырей. В общем случае, диаметр пузырька, способного отделиться от поверхности примерно равен 1,5–2 диаметрам отверстия. Причем, сколь бы маленьким не был диаметр выходного отверстия, существует некоторый пороговый предел, лишь достигнув которого пузырек способен оторваться от поверхности трубки. Дело в том, что образующийся на плоской поверхности пузырь, прижимается давлением жидкости к поверхности (1–3), фактически исключая подток воды под него. Отсутствие подтока означает, что вода оказывает давление только сверху, не позволяя ему всплывать, а вязкость воды не позволяет ему принимать шарообразную форму.
По мере увеличения своего объема, пузырек приобретает овальную форму (4), что обеспечивает подток воды под пузырек. Теперь уже на пузырек действует 3 силы: давление воды на верхнюю часть
, давление воды снизу 
и сила Архимеда FA. То есть давление воды снизу больше, чем сверху за счет расстояния, равного половине высоты самого пузырька. Сила равна произведению давления на площадь, на которую оно действует: F= 
. С увеличением объема растет и площадь нижней половины пузырька, на которую снизу действует давление 
. Однако, существует площадь соприкосновения с поверхностью 
, на которую не действует давление воды снизу. Пузырек отрывается от поверхности, когда равнодействующая всех сил больше ноля и направлена вверх: 
. Такое наблюдается при закачивании газа под маленьким давлением, например, как в случае кальяна.Если газ, накапливающийся над поверхностью жидкости, находящейся в герметичном сосуде, откачивают с помощью трубки, и контролировать давление поступающего в воду газа, то давление, необходимое для образования пузырька, определяется только высотой столба воды. В таком случае, возможность образования пузырьков создается, как только давление над водой
становится меньшим, чем сумма давления воды 
и давления поступающего в воду газа 
, то есть: 
. В этом случае, изменяя давление поступающего газа легко контролировать среднее общее количество частиц газовой смеси в объеме образующегося пузырька. Меньше давление – меньше количество вещества в объеме пузыря, следовательно, – больше длина свободного пробега частицы. С другой стороны, уменьшается и среднее значение скоростей, что может привести к снижению процента газов, переходящих в водный раствор. По-видимому, существует некоторая минимальная скорость, обладая которой, частица имеет близкую к нулевой вероятность проникновения из газовой в водную среду.