Образование и свойства аэрозолей
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 покидает ее, что компенсируется за счет притока новых частиц. Образование, особенности и процессы, протекающие внутри аэрозольной системы, схематически представлены на рис. 17.1. Получение частиц дисперсной фазы аэрозолей диспергированием и конденсационным способом было рассмотрено ранее (см. параграфы 12.2 и 12.3).
Газовая среда аэрозолей обусловливает отличия их свойств от свойств систем с жидкой дисперсионной 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 (см. рис. 7.2—7.4). При этом образуется двойной электрический слой, происходит компенсация заряда частиц, а между сблизившимися частицами возникает электростатическая сила отталкивания (см. рис. 10.5, а).
|
|
|
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.
Так, при распыливании спиртового раствора сахара образуются частицы диаметром 0,8—1,5 мкм, 40% этих частиц несут положительный заряд, 39% — отрицательный заряд, а 21% частиц остаются нейтральными. Взвешенные в воздухе частицы крахмала имеют преимущественно положительные заряды, а частицы муки — отрицательные.
В обычных условиях аэрозольные частицы в воздухе заряжены слабо — они несут до 100 элементарных зарядов (1,6∙10-17 Кл). В результате трения и главным образом под действием электрического поля заряд частиц резко возрастает и может составлять 107 элементарных зарядов (или 1,6∙10–12 Кл), т.е. электрические заряды частиц могут различаться на пять порядков.
Агрегативная устойчивость аэрозолей также в значительной степени обусловлена особенностями газовой дисперсионной среды. Подвижность частиц в газовой среде и отсутствие электростатических сил отталкивания (см. рис. 10.5, а) приводят к тому, что вероятность ε, которая, согласно формуле (10.17), 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. 17.1).
|
|
|
В отношении аэрозолей, находящихся в атмосфере, в полной мере проявляются оптические свойства дисперсных систем, которые были рассмотрены в гл. 8.
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.
Поэтому характеризуют оптические свойства не отдельных аэрозольных частиц, а их массы. К таким обобщенным характеристикам аэрозольных систем, находящихся в воздухе, относятся интенсивность рассеяния света [см. уравнения (8.2)—(8.5)], коэффициент поглощения и оптическая плотность (экстинкция) [см. уравнения (8.8) и (8.9)]. В зависимости от практических целей определяют значение этих параметров в требуемом диапазоне длин волн (в том числе и в видимой области) электромагнитного излучения.
|
|
|
Интенсивность рэлеевского рассеяния света высокодисперсными атмосферными аэрозолями зависит от показателя преломления дисперсионной 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. Если скорость оседания в воздухе сферических частиц диаметром 50 мкм (при плотности материала частиц 1,2.103 кг/м3) составляет примерно 0,2 м/с, то в воде скорость оседания этих частиц уменьшается до 2.10–4 м/с.
Для высокодисперсных аэрозолей характерны более интенсивное броуновское движение и диффузия, чем для золей. В табл. 17.2 приведены соотношения между скоростью седиментации (оседания) и скоростью броуновского движения для частиц различного размера плотностью 1.103 кг/м3 при температуре воздуха 293 К. Для частиц диаметром > 0,5 мкм скорость броуновского движения не может конкурировать со скоростью седиментации. Для частиц диаметром менее 0,05 мкм (50 нм) скорость броуновского движения превышает скорость седиментации, что означает установление седиментационно-диффузионного равновесия — высокодисперсная система становится седиментационно-устойчивой (см. рис. 10.1 и 10.2).
|
|
|
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 разреженной 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 (см. гл. 9).
Перевести частицы в аэрозольное состояние можно с помощью механических процессов или взрыва, при этом одновременно может протекать процесс диспергирования. Во время Чернобыльской катастрофы в результате взрыва диспергированию с одновременным переводом в аэрозольное состояние подверглись ядерное топливо, продукты распада, графитовые стержни и элементы конструкции; образовались радиоактивные аэрозоли.
В атмосфере Земли возникновение аэрозолей происходит под воздействием воздушного потока.
На частицу (рис. 17.2) со стороны воздушного потока действует аэродинамическая сила, зависящая от скорости этого потока и направленная вертикально. Необходимым условием перехода частиц в воздушную среду является превышение горизонтально-направленной аэродинамической силы F гаэ над суммарным действием сил аутогезии Fаут и веса частиц Р
(17.1)
где μв — коэффициент внутреннего трения, учитывающий различное направление действия сил.
Если сила аутогезии намного превышает вес частиц, то условие (17.1) упрощается:
(17.2)
При турбулентном течении перемещение воздуха сопровождается интенсивным перемешиванием. Аэродинамическая сила, действующая на частицы, будет определяться по формуле
(17.3)
где cх — коэффициент сопротивления частиц; ρ — плотность воздуха; Вч — площадь сечения частиц (для шарообразных частиц — площадь круга); v — скорость воздушного потока.
После отрыва частиц под действием воздушного потока возникает вертикальная составляющая аэродинамической силы F ваэ. Горизонтально и вертикально направленные аэродинамические силы и обусловливают переход частиц в аэрозольное состояние; движение частиц в этих условиях на рис. 17.2 показано пунктиром.
Учитывая условие (17.2) и формулу (17.3), можно оценить скорость воздушного потока, необходимую для перевода частиц в аэрозольное состояние:
(17.4)
Следует отметить, что при рассмотрении схемы перевода частиц в аэрозольное состояние мы не учитывали образование пограничного слоя, в котором скорость воздушного потока уменьшается от определенного значения до нуля (на поверхности твердого тела).
По этой причине формулы (17.1)—(17.4) могут служить лишь для ориентировочной оценки перевода частиц в аэрозольное состояние и скорости воздушного потока, необходимой для осуществления этого процесса.
Механика аэрозолей
Газовая дисперсионная среда определяет ряд характерных особенностей аэрозолей. Перемещение аэрозольных частиц отражает механика аэрозолей. Механика аэрозолей рассматривает седиментацию (оседание) аэрозольных частиц, их способность находиться во взвешенном состоянии длительное время (витание даже относительно крупных частиц), осаждение на препятствия и другие возможные перемещения частиц.
Перемещение частиц в газовой среде на значительные расстояния характерно не только для высокодисперсных, но и для средне- и даже грубодисперсных частиц, которые должны были бы оседать вблизи источников их образования.
Приведем несколько характерных примеров. Оборудование и помещения некоторых мукомольных и комбикормовых предприятий, а также строения и местность, расположенные далеко от этих предприятий, покрыты слоем мучной и комбикормовой пыли, частицы которых имеют значительные размеры, намного превышающие размеры высокодисперсных систем.
Радиоактивные аэрозоли, образовавшиеся после Чернобыльской катастрофы, были обнаружены за сотни километров от места катастрофы. В этом и других случаях перемещались на значительные расстояния не только седиментационно-устойчивые частицы (см. параграф 10.2), но и частицы, размер которых соответствовал средне- и даже грубодисперсным системам. Показательны в этом отношении пыльные бури, когда воздушные потоки поднимают и перемещают относительно крупные частицы. Так, например, в юго-восточной части Европы были обнаружены крупные частицы песка пустыни Сахары. Все эти и многие другие перемещения частиц связаны с механикой аэрозолей.
Подвижность дисперсионной среды обусловливает перемещение самих аэрозольных частиц, которое может происходить под действием аэродинамической силы, по инерции, в результате действия турбулентных потоков, градиента температуры, что в обобщенном виде показано на рис. 17.3. Движущиеся с определенной скоростью частицы вызывают горизонтальные (Fги) и вертикальные (Fви) инерционные силы (см. рис. 17.3).
На частицу, взвешенную в воздушном потоке, которая движется со скоростью v, действует аэродинамическая сила, которая в случае турбулентного потока будет определяться уравнением (17.3). В случае ламинарного режима движения воздушного потока можно воспользоваться следующей формулой:
F гаэ = 6πηv r. 17.5)
где r — радиус частиц; η — вязкость газовой среды.
Формула (17.5) справедлива для относительно небольших скоростей газового потока при ламинарном течении, когда отсутствует перемешивание соседних слоев газа.
Кроме горизонтально направленной аэродинамической силы Fгаэ возникает подъемная аэродинамическая сила Fваэ, действующая вертикально и препятствующая оседанию частиц. По аналогии с формулой (17.3) для турбулентного газового потока эта сила определится по формуле
F ваэ = cУBч(v2/2), (17.6)
где су — коэффициент сопротивления частиц, перемещающихся вертикально.
При увеличении скорости воздушного (газового) потока ламинарное течение переходит в турбулентное; образуются вихри различного размера (от единиц до десятков сантиметров), которые приводят к возникновению хаотических флуктуаций. В результате скорость движения частиц резко увеличивается и изменяется направление движения воздушного потока, а следовательно, и частиц. При турбулентном течении, как и в случае ламинарного, будут действовать горизонтально - и вертикально-направленные силы F гтур и F втур.
Препятствовать оседанию частиц будет сила трения, точнее ее вертикальная компонента F втр. В результате нагревания и меньшей плотности нижних слоев воздуха образуются конвективные потоки, которые также воздействуют на частицы (F вкон) и предотвращают их оседание.
Таким образом, отличительной особенностью механики аэрозолей является действие на частицы ряда сил, которые вызваны перемещением газовой среды и частиц, находящихся в ней.
Соотношение сил, действующих на частицы, может быть различным и изменяться во времени, в результате чего частицы приобретают способность находиться длительное время во взвешенном состоянии и перемещаться на далекие расстояния.
Наибольшее значение в жизни людей имеют атмосферные аэрозоли, которые возникают естественным путем или образуются искусственно, в том числе в результате работы промышленных предприятий. В последнем случае говорят о промышленной пыли.
Большая часть атмосферных аэрозолей образуется естественным путем: почвы и растительный мир дают 50—80%, водная поверхность — 10—20%, космическая пыль — до 30% всех аэрозолей. Искусственным путем получается до 10% аэрозолей: из них 5—45% — за счет выбросов промышленных предприятий и 10% — за счет выбросов транспорта. Конечно, приведенные цифры являются усредненными: в разных районах доля аэрозолей различного происхождения может отличаться.
Переход почвы в аэрозольное состояние происходит под действием ветра. Аэрозоли образуются также при выветривании горных пород. На Земле насчитывается свыше 600 действующих вулканов. Извержение только одного вулкана сопровождается выбросом в атмосферу нескольких десятков тонн грунта и лавы, значительная часть которых переходит в аэрозольное состояние. Микроорганизмы, вирусы, пыльца и споры растений подхватываются потоком воздуха и образуют аэрозоли.
Мировой океан, моря и многочисленные водоемы Земли поставляют в атмосферу воду в виде капель и пара. В результате конденсации пара возникают облака, которые являются аэрозолями и состоят из капель и кристалликов воды. В облаках воды всего 10-7% от общего количества воды на Земле, но и этого достаточно для того, чтобы определять климат и погоду, влиять на урожай, определять условия труда и жизни людей.
Атмосферные аэрозоли могут быть образованы искусственным путем. При помощи самолетов и наземных средств распыливаются огромные массы различных ядохимикатов, которые превращаются в аэрозоли. В шахтах, на вскрытых карьерах по добыче полезных ископаемых, около различных заводов, в том числе комбикормовых, мельниц, тепловых электростанций и других промышленных предприятий образуются аэрозоли, загрязняющие воздух.
Все виды наземного, воздушного и морского транспорта являются генераторами аэрозолей за счет неполного сгорания топлива.
Таким образом, источников образования аэрозолей более чем достаточно. Ежегодно в среднем один квадратный километр земной поверхности посылает в атмосферу 20 т раздробленной массы, которая превращается в атмосферные аэрозоли. Значительная часть этой массы затем в результате разрушения аэрозолей возвращается на Землю.
Устойчивость аэрозольных систем может быть нарушена естественным путем за счет процессов осаждения, оседания (седиментации), а также принудительно. Разрушению природных аэрозолей способствуют осадки в виде дождя, снега, града, которые возникают в результате укрупнения капель или кристалликов льда.
В облаках капли воды имеют диаметр в пределах от 2 до 20 мкм, а диаметр дождевых капель в сотни раз больше (до 3 мм). При падении капли дождя захватывают более мелкие твердые частицы, и образуется дисперсная система Т, Ж/Г. Происходят процессы пылеподавления и разрушения атмосферных аэрозолей. Влага атмосферы в среднем обновляется 42 раза в год, т.е. ежегодно воздух фильтруется атмосферными осадками 42 раза.
Воздушный (газовый) поток, несущий аэрозольные частицы, встречается с различными преградами. Это могут быть деревья, складки местности, здания и строения, различные предметы. На поверхности этих препятствий могут осаждаться аэрозольные частицы. Оседание частиц под действием гравитации (седиментация) способствует разрушению аэрозолей, которое при необходимости можно осуществлять искусственно.
Сыпучие материалы (порошки)
Сыпучие материалы относятся к дисперсным системам Т/Г. Их можно рассматривать в качестве осадка аэрозолей или как системы, полученные в результате диспергирования. Влияние таких факторов, как адгезия, аутогезия и трение на структурно-механические свойства сыпучих материалов были рассмотрены в гл. 11.
Для частиц, находящихся в воздухе, наступает такое состояние, когда вертикальная составляющая скорости vв не может удержать частицы, и они оседают.
Закономерности оседания (седиментации) частиц были рассмотрены в параграфе 10.2. Для формирования из массы осевших частиц сыпучего материала необходимо, чтобы концентрация частиц vч аэрозолей была значительной, а сами частицы имели относительно большие размеры.
Сыпучие материалы вновь могут быть переведены в аэрозольное состояние под действием воздушного (газового) потока над поверхностью сыпучего материала (см. рис. 17.2) в процессе пневмотранспорта и псевдоожижения (рис. 17.4).
Интенсифицировать процесс перехода в аэрозольное состояние можно в том случае, когда сыпучий материал находится в замкнутом объеме, например в трубопроводе (см. рис. 17.4, а). Под действием воздушного потока сыпучий материал разрыхляется, нарушается аутогезионное взаимодействие между частицами и адгезия между частицами и внутренней поверхностью трубопровода. Аэродинамическая сила, действующая на частицы, создает дополнительное давление на сыпучий материал. В результате частицы переходят во взвешенное состояние и образуют высококонцентрированную аэрозольную систему, а сыпучий материал приобретает способность течь. Этот процесс в соответствии с уравнением (17.2) происходит при условии
vв /vос > (Fаут + Р)/Р. (17.8)
Это условие означает, что вертикальная компонента скорости воздушного потока vв должна настолько превышать скорость оседания частиц vос, насколько суммарная сила аутогезии и веса частиц превышает вес частиц.
Условие (17.8) справедливо и для процесса псевдоожижения (см. рис. 17.4, б). Псевдоожижение широко применяют на практике. В результате псевдоожижения частицы сыпучих материалов переходят в аэрозольное состояние, а значительная часть поверхности частиц, которая ранее находилась в контакте с другими частицами, становится свободной. Иначе говоря, поверхность частиц «оголяется». Это обстоятельство позволяет осуществлять адсорбцию, различные химические реакции, и в значительной степени повышать эффективность физико-химических процессов. Пневмотранспорт и псевдоожижение являются основными при наполнении и опорожнении муковозов в процессе бестарной перевозки муки.
В заключение отметим, что без аэрозолей невозможна не только производственная деятельность людей, но и сама жизнь.
Г л а в а 18
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 523; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!