Аэрозоли

Характер течения аэрозоля в волокнистом фильтре очень сложен, поскольку поток, огибая отдельные, беспорядочно расположенные волокна, все время изменяет свое направление. Действие волокнистых фильтров сводится к инерционному осаждению, прилипанию движущейся частицы к какому-либо выступу на поверхности волокна с последующей фиксацией. Различные факторы действуют неодинаково на разные явления, на которых основано  выделение дисперсной фазы при фильтрации аэрозоля.

В замкнутом объеме, например, в поре диаметром d, разрушение аэрозоля может происходить вследствие седиментации (более крупных) и диффузии (мелких) частиц к стенкам поры и последующего оседания на них. Время разрушения аэрозолей в результате седиментации составляет tсед~d/U (где U = mg/6πηr - скорость движения частицы радиуса r в среде с вязкостью η), а в результате диффузии - tдиф~d2/D (где D ≈ kT/6πηr – коэффициент диффузии частиц). Конкуренция этих двух факторов приводит к тому, что в фильтрах с порами радиуса 10-5 - 10-4 м наиболее устойчивыми оказываются частицы средних размеров 10-7 – 10-6 м, для которых tсед≈ tдиф, т.е. mgd равно нескольким kT. Улавливание таких частиц представляет достаточно сложную задачу. Эффективность улавливания существенно улучшается за счет использования фильтров с очень извилистыми порами (фильтры Петрянова).

Разрушение аэрозоля под действием ультразвука известно давно, но только в 80-е годы ХХ –го  столетия оно начало приобретать практическое значение. Согласно одной из теорий, действие ультразвука на аэрозоли, так же, как и на лиозоли, объясняется тем, что во всех реальных полидисперсных системах разные по размеру частицы в различной степени увлекаются колебаниями среды. В результате этого мелкие частицы, обладающие большой амплитудой колебаний, как бы «прочесывают» аэрозоль. Это способствует тому, что они скорее сталкиваются с более крупными, почти неподвижными частицами. Однако против этой теории говорит то обстоятельство, что самые мелкие, наиболее энергично колеблющиеся частицы остаются в звуковом поле нескоагулированными.

Согласно другой теории ультразвуковая коагуляция обусловливается притяжением между частицами, движущимися, в ультразвуковом поле. Такое притяжение может возникнуть между частицами аэрозоля, если они совершают быстрое, параллельное и одинаково направленное движение. Нужны всего секунды для того, чтобы туман, движущийся в ультразвуковом поле, скоагулировал на 90%. Полученные в результате коалесценции крупные капли легко отделяются от газа в обычных циклонах.

Ультразвук применяют для разрушения сернокислотных и других производственных туманов. В настоящее время для осаждения аэрозолей ультразвуком разработаны промышленные установки производительностью до 1000 м3/мин. К сожалению, в ультразвуковом поле остается нескоагулированной обычно самая высокодисперсная часть тумана. Другой недостаток заключается в том, что ультразвук малоэффективен при разрушении сильно разбавленных систем.

Широко применяются мокрые уловители – скрубберы. В таких аппаратах частицы смачиваются и оседают на дно. Однако улавливаются в основном крупные частицы (более 3÷5 мкм); для мелких частиц, находящихся в пузырьках газа, вероятность взаимодействия с жидкостью меньше.

В промышленности для разрушения аэрозолей с целью очистки газовых смесей широко используют действие электрического поля (метод Коттреля). В электрофильтре Коттреля при пропускании дыма или тумана через электрическое поле высокого напряжения частицам аэрозоля сообщается заряд. Заряжение частиц, вызванное адсорбцией ионов, (преимущественно отрицательных), возникающих в результате ионизации воздуха при коронном разряде (напряжение 70-100 тыс. вольт), обеспечивает электрофорез и осаждение частиц на аноде. Электрофильтры эффективно задерживают частицы размером более 1 мкм.

Схематическое устройство одного из элементов батареи обычного электрофильтра показано на рис. 2.3.          

 Электрическое поле возникает между отрицательным коронирующим электродом А и положительным электродом, которым служит металлическая труба Б. На электроды подается постоянный ток высокого напряжения. Аэрозоль поступает в элемент через патрубок В. Под действием электрического поля и ионного ветра получившие отрицательный электрический заряд частицы аэрозоля направляются к аноду, ударяются об него и оседают. Осевшие и потерявшие заряд частицы осыпаются в низ трубы и удаляются из нее через бункер Г. Очищенный газ уходит из фильтра через патрубок Д.

Имеются электрофильтры, в которых процессы заряжения и осаждения частиц пространственно разделены. В таких электрофильтрах образуется гораздо меньше продуктов окисления воздуха (оксидов азота, озона и др.), поэтому их применяют для кондиционирования воздуха.

Ряд методов разрушения аэрозолей основан на их коагуляции. Практическое значение этих методов очень велико для сельского хозяйства, т.к. процесс коагуляции обычно сопровождается отделением дисперсной фазы атмосферных аэрозолей в виде дождя и снега. Большое значение методы коагуляции имеют и в авиации для искусственного рассеивания облаков над аэродромами.

Коагуляция атмосферных аэрозолей может быть вызвана разбрасыванием с самолета высокодисперсного песка, частицы которого несут электрический заряд, по знаку обратный заряду частиц аэрозоля. Другой метод искусственного рассеивания облаков и туманов с помощью коагуляции заключается в распылении в аэрозоль растворов гигроскопичных веществ, например, концентрированных растворов хлорида кальция. Капельки этой жидкости захватывают капельки воды, укрупняются и выпадают в виде дождя. Для разрушения переохлажденных атмосферных аэрозолей можно применять также порошки йодида серебра  или свинца, частицы которых являются зародышами и вызывают в облаках образование кристалликов льда.

Эффективным методом искусственного рассеивания облаков и туманов, вполне оправдывающим себя на практике, является метод с использованием твердого диоксида углерода. Этот метод применим при температуре воздуха ниже 0оС и при капельной структуре облаков или тумана, т.е. для переохлажденного аэрозоля. Разбрасываемый в таком аэрозоле твердый диоксид углерода с температурой – 79.8о С вызывает быстрое охлаждение прилежащего к ней слоя воздуха и в нем образуется огромное число ледяных кристалликов, служащих далее центрами кристаллизации. Кристаллики быстро растут, продолжая рост и после выхода из зоны искусственного охлаждения, поскольку давление насыщенных паров воды надо льдом меньше, чем над водой. Достигнув критического размера, кристаллики выпадают из аэрозоля в виде снежинок. Опыт показал, что образование снега при таком методе рассеивания облаков происходит через 5-7 мин., а через 15-30 мин. зона, в которую был введен диоксид углерода, полностью освобождается от тумана. Следует отметить, что при слишком больших количествах СО2, а также малом содержании воды в аэрозоле, или малом переохлаждении, процесс рассеивания не идет или идет очень медленно.