Физико-химия аэрозолей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме:

«Физико-химия аэрозолей»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

 

Введение

Аэрозоли встречаются  в природе, например, в виде туманов  – очень мелких капель воды во взвешенном состоянии в воздухе, и дымов – мелких твердых частиц различных веществ, диспергированных в воздухе. Помимо природных аэрозолей выделяют группу искусственных.

Они являются продуктом  как ненаправленной деятельности человека, например, при добыче полезных ископаемых, в производстве цемента и в других отраслях производства – тогда образуются вредные вещества в виде туманов или дымов, так и сознательной деятельности, когда они создаются с определенной целью.

Аэрозоли различных  веществ нашли широкое применение в медицине, где путем распыления в воздухе антибиотиков и других лекарственных препаратов осуществляется эффективное лечение легочных и других заболеваний; при дезинфекции и дезинсекции, где аэрозольный метод дает не только быстрый эффект, но и значительную экономию активных веществ, так как последние расходуются в значительно меньшем количестве. Важную роль играют аэрозоли в защите сельскохозяйственных и лесных культур от вредителей, а также в защите скота и птиц от паразитов и болезней. Аэрозольный способ применения экономически очень выгоден, так как он сокращает удельный расход химиката (в 5-10 раз), повышает эффект его действия и сокращает затраты труда на обработку.  
Определение и классификация аэрозолей

Аэрозолями называют свободнодисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и дисперсной фазой, состоящей из твердых или жидких частиц. Отличие аэрозолей от лиозолей обусловлено, прежде всего, разреженностью и меньшей вязкостью дисперсионной газовой среды. Поэтому броуновское движение в аэрозолях происходит гораздо более интенсивно, а седиментация частиц идет значительно быстрее, чем в лиозолях. Другое существенное отличие аэрозолей от лиозолей заключается в том, что в газовой среде не может происходить электролитическая диссоциация и, следовательно, невозможно образование двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов вокруг частиц. В связи с этими особенностями учение об аэрозолях развивалось в значительной мере самостоятельно своими собственными путями.

Классификация аэрозолей

Аэрозоли классифицируют по агрегатному  состоянию дисперсной фазы, по дисперсности и методам получения. Исходя из этого принципа, аэрозоли делят на туманы (Ж/Г) – дисперсная фаза состоит из капелек жидкости, дымы (Т/Г) - системы с твердыми частицами и пыли (Т/Г) - системы с твердыми, но более крупными частицами.

Следует иметь в виду, что часто  на практике «дым» означает систему, возникающую при сгорании топлива  и содержащую как твердые частицы  сажи и золы, так и жидкие частицы  продуктов перегонки топлива  и капли воды, образовавшиеся в  результате конденсации паров воды. Дымы, в которых частицы дисперсной фазы адсорбировали значительное количество влаги из атмосферы, очевидно, являются одновременно и дымами, и туманами. Такие системы, особенно часто образующиеся при большом содержании влаги в задымленной атмосфере над большими промышленными городами, называются английским термином «смог» (smog – smoke (дым) + fog (туман)).

По дисперсности аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяют на дымы с частицами от 10^-9 до10^-5 м и пыли, размер частиц которых обычно больше 10^-5 м. Туманы, как правило, состоят из довольно крупных капелек размером от 10^-7 до 10^-5 м. 

По происхождению системы с газовой дисперсионной средой разделяют, как и все дисперсные системы, на диспергационные и конденсационные. Диспергационные аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых тел или распылении жидкостей, как и лиозоли, полученные путем диспергирования, имеют довольно крупные частицы и, как правило, полидисперсны. Аэрозоли, полученные методом конденсации из пересыщенных паров или в результате химических реакций, наоборот, обычно являются высокодисперсными системами с более однородными по размерами частицами.

Различают аэрозоли, образующиеся в  земной атмосфере в результате протекания различных природных процессов  и получаемые в результате производственной деятельности человека. Первые называются естественными, вторые – техническими. Технические аэрозоли образуются в процессе добычи и переработки руд, угля, измельчения материалов, производства цемента, сжигания топлива и других технологических процессов.

По химическому происхождению  различают органические и неорганические, по токсичности - токсичные и нетоксичные  аэрозоли. Для оценки опасности и  вредности для здоровья человека наряду со степенью дисперсности аэрозолей  основным показателем служит весовая концентрация (число миллиграммов распыленного вещества в 1 м³ воздуха).

Размер и форма частиц

Аэрозоли охватывают большой диапазон дисперсности, однако высоко - и грубодисперсные  аэрозоли неустойчивы. Первые - вследствие частого столкновения частиц между собой и в замкнутой системе со стенками, вторые – в связи с большой скоростью седиментации. Поэтому практически аэрозоли занимают область 10^-4 – 10^-7 м, как видно из приведенных ниже данных (табл.1).

 

 

Таблица 1: Размеры частиц некоторых типичных аэрозолей

Название системы	Размер частиц, м
Туман (Н2О)	5·10-7
Пыль природная	1·10-6 - 1·10-4
Споры и пыльца растений	1·10-6 -1·10-5
Слоистые облака	1·10-6 -1·10-5
Дождевые облака	1·10-5 - 1·10-4
Туман (Н2SО4)	1·10-6 - 1·10-5
Табачный дым	1·10-7 - 1·10-6
Дым (Р2О5)	5·10-6 - 1·10-6

 

Кривая распределения частиц в  аэрозоле, т.е. содержание в нем частиц различных радиусов, зависит от происхождения  аэрозоля и процессов, происходящих в аэрозоле после его получения (агрегация, коалесценция, изотермическая перегонка).

Форма частиц аэрозолей зависит  от агрегатного  состояния вещества дисперсной фазы. В туманах капельки жидкости шарообразны. В дымах частицы  могут иметь самую разнообразную  форму, например, игольчатую, пластинчатую, звездообразную. В дымах частицы могут представлять собой и сложные агрегаты, тогда как в туманах столкновение капелек обычно приводит к коалесценции и образованию капелек большего размера.

В результате рыхлости (пористости) частиц аэрозоля кажущаяся плотность этих частиц, определенная обычно принятыми способами, часто значительно меньше плотности вещества, из которого они состоят. Это можно видеть по значениям плотностей частиц некоторых дымов, полученных различными методами.

Размер и форму частиц определяют с помощью обычной микроскопии, ультра- или электронной микроскопии.

 

Образование аэрозолей

Конденсационные методы

Конденсация паров —  наиболее распространенный способ образования  аэрозолей. Пар высокой концентрации, находящийся в воздухе или  инертном газе, охлаждается при разбавлении его холодным воздухом или быстром расширении до тех пор, пока не станет пересыщенным и не начнет конденсироваться, образуя аэрозоль из жидких или твердых частиц. Примером образования конденсационных аэрозолей может служить возникновение облаков при подъеме теплого влажного воздуха в холодные верхние слои атмосферы. В лаборатории получают конденсационные аэрозоли путем возгонки многих неорганических и органических веществ.

Конденсационный способ образования аэрозольных частиц может осуществляться двумя путями: гомогенной или гетерогенной конденсацией.

Гомогенная конденсация  происходит в три стадии: 1) пар  при расширении должен стать настолько  пересыщенным, чтобы происходила  его конденсация; 2) должны образоваться малые молекулярные кластеры; 3) пар должен конденсироваться на кластерах, которые при этом растут, превращаясь в капли. В случае гетерогенной конденсации наблюдаются только стадии 1 и 3.

В основе гомогенной конденсации  лежит образование твердых или жидких частиц из одинаковых молекул. В процессе теплового движения за счет межмолекулярных сил из нескольких молекул могут образовываться ассоциаты, называемые кластерами.

Кластерами называются строго упорядоченные молекулярные ассоциаты, возникающие в гомогенной системе и включающие от нескольких до сотен и тысяч молекул.

Другими словами, кластеры – это надмолекулярные структуры. Время жизни малых кластеров  очень мало. Вероятность их распада  обычно больше, чем вероятность роста. Такие кластеры принято называть «мерцающими». Понижение температуры создает условия для увеличения размера кластеров. С увеличением же размера кластеров растет и их стабильность, поскольку суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия внутри кластера при этом становится больше

Размер кластера, при  котором вероятность его роста становится равной вероятности его распада, называется критическим.

Если размер кластера превысит критический, то кластер становится стабильным образованием, характеризующимся  определенным фазовым состоянием, т.е. жидкой или твердой аэрозольной частицей.

Кластеры могут возникать  и  существовать не только в газообразной среде, но и в жидкостях, и в твердых телах, а также вместе на их поверхности. Кластерное состояние вещества по физико-химическим параметрам отличается как от газообразного состояния, так и от конденсированного. Его можно рассматривать, как переходную стадию при гомогенной конденсации с образованием аэрозолей в виде облаков и туманов.

В основе гетерогенной конденсации  аэрозольных частиц лежит межмолекулярное  взаимодействие молекул газа или жидкости с поверхностью уже существующих твердых или жидких микрочастиц. В большинстве практических случаев пар конденсируется на мелких частицах пыли, и для протекания такого процесса не требуется такого высокого пересыщения, как при гомогенной конденсации. Этим частицам дано название ядра конденсации, и они могут иметь размеры от молекулярного до 1 мкм и более. Такая микрочастица играет роль ядра, на поверхности которого адсорбируются молекулы газа (пара). Основным естественным источником ядер конденсации может служить процесс фотоокисления органического вещества. К другим источникам относят подъем частиц пыли ветром, образование ядер NaCl при распылении морской соли, а также лесные пожары, взрывы и извержения вулканов. В результате гетерогенной конденсации обычно образуются аэрозольные частицы, более сложные по химическому составу, чем при гомогенной конденсации. Примером может служить образование токсического смога из молекул SO₂, паров воды (тумана) и мельчайших твердых частиц несгоревшего углерода или оксидов металлов (дыма).

Диспергационные методы

Диспергационные методы получения аэрозолей связаны  с измельчением твердых тел или  распылением жидкостей. В природных  условиях диспергационные аэрозоли образуются в результате вулканических  и других взрывов.

Среди искусственных  методов наиболее распространен  способ пневмораспыления жидкостей, при  котором жидкость под небольшим  давлением продавливается через  отверстия малого диаметра, например на выходе из пульверизатора, при этом образуются мельчайшие частицы жидкости, взвешенные в газообразной среде. Если распылять суспензии или растворы и одновременно подвергать их сушке, то получаются твердые аэрозольные частица. Такой способ широко используется в промышленности, например, для получения молочного порошка, растворимого кофе, стирального порошка и др.

Применяемые при получении  туманов диспергационными методами распылители жидкостей можно  разделить на три основные группы.

К первой, имеющей особенное значение для тонкого распыления жидкостей, относятся пневматические или аэродинамические распылители, в которых вытекающая из сопла жидкость дробится движущимся с большой скоростью воздухом или иным газом. С этим методом распыления мы встречаемся в обычных краскораспылнтельных пистолетах, форсунках Вентури и многочисленных распылителях, служащих для получения инсектицидных, дезинфицирующих и лекарственных туманов. Для этих распылителей характерен очень широкий диапазон размеров капель, который в некоторых случаях можно сузить, улавливая более крупные капли в самом распылителе.

В распылителях второй группы жидкость подается на центр вращающегося диска или опрокинутого конуса и сбрасывается в распыленном состоянии с его краев под действием центробежных сил. Получаемый при этом туман характеризуется значительно большей монодисперсностью, чем при других методах распыления жидкостей.

В третьем, гидравлическом или гидродинамическом, методе жидкость продавливается под большим давлением через сопло. Здесь дисперсность получаемых капелек в большей степени зависит от физических свойств жидкости и условий ее течения через сопло, чем от взаимодействия между жидкостью, и окружающим газом. По-видимому, наиболее удачным распылителем гидравлического типа и, пожалуй, единственным, нашедшим применение для тонкого распыления жидкостей, является центробежная форсунка с вихревой камерой, применяющаяся в сельскохозяйственных опрыскивателях, при распыления жидкого топлива и в двигателях внутреннего сгорания. Здесь жидкость вводится в камеру тангенциально, закручивается в ней и выпускается через небольшое центральное отверстие.