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 покидают ее, что

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.

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. 8.2) 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-направлен-ной аэродинамической силы F^r_аэ над суммарным действием сил аутогезии F_аут и веса частиц P

F^r_аэ>m(F_аут+P), (8.1)

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 (8.2)

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) (8.3)

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. 8.2 показано пунктиром.

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

(8.4)

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.

1. Получение аэрозолей

1. Адиабатическое расширение газа	Измельчение твердых и жидких тел в газовой среде
2. Смешение газов и паров с разными температурами
3. Охлаждение паро-газовой смеси

1. Характеристика аэрозолей

3.1. Свойства аэрозолей определяются

· Природой веществ фазы и среды;

· Частичной n () и массовой с () концентрацией аэрозоля;

· Размером частиц и распределением их по размерам. м;

· Формой первичных (неагрегированных) частиц (частицы либо сами по себе, либо агломераты и флокулы);

3.1.1. Изометрические частицы;
3.1.2. Волокна;
3.1.3. Пластины;

· Структурой аэрозоля;

· Зарядом частиц.

3.2. Оптические свойства (рассеяние и поглощение света);

3.3. Молекулярно-кинетические свойства обусловлены

· Малой частичной концентрацией n;

· Малой вязкостью среды (воздуха) h, малым коэффициентом трения В;

· Малой плотностью среды r.

3.4. Электрические свойства аэрозолей

· На частицах не возникает ДЭС;

· Заряд на частицах возникает за счет избирательной адсорбции ионов;

· Заряд носит случайный характер, и может быть различным по знаку и величине;

· Заряд частицы меняется во времени как по величине, так и по знаку;

· Заряды частиц малы в отсутствие специфической адсорбции;

· Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом (на межфазной поверхности возникает большой скачок потенциала).

4. Устойчивость аэрозолей.

Аэрозоли агрегативно неустойчивы – взаимодействие поверхности частиц с газовой средой отсутствует Þ отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой.

5. Методы разрушения аэрозолей.

; ;

Дата добавления: 2014-01-03