Физико-химия аэрозолей

Помимо этих трех главных  типов имеются еще два менее  известных типа распылителей специального назначения. Это — распылители, диспергирующие жидкость при помощи электростатических сил, и акустические распылители, в которых распыление происходит под действием высокоинтенсивных звуковых или ультразвуковых колебаний.

Оптические свойства

Оптические свойства аэрозолей  подчиняются, в общем, тем же законам, что и оптические свойства лиозолей. Так, светорассеяние аэрозолей  описывается уравнением Рэлея

                                        

,                                  (2.1)

где I₀ и I_p – интенсивности падающего и рассеянного света соответственно; n₀ и n₁ – показатели преломления дисперсионной среды и дисперсной  фазы; ν - частичная концентрация дисперсной системы; v– объем частицы, λ- длина волны падающего света.

Следует, однако, отметить, что вследствие большой разницы в плотностях, а, значит, и в показателях преломления  дисперсионной среды и дисперсной фазы оптические свойства аэрозолей и, прежде всего светорассеяние проявляется весьма заметно. Благодаря большой способности рассеивать свет аэрозоли широко применяются для создания дымовых завес. Из всех дымов наибольшей способностью рассеивать и отражать свет обладает дым  Р₂О₅ – его маскирующая способность принимается обычно за единицу.

Концентрацию  трудно доступных для исследования аэрозолей, например, концентрацию воды в облаке, можно определить с помощью  радиолокаторов. «Прощупывающий» пространство направленный радиолуч пропускается источником в виде импульсов через определенные промежутки времени и регистрируется на экране осциллографа. С помощью осциллографа регистрируется и излучение, возвращающееся обратно в результате рассеяния объектом (облаком). По интервалу времени, прошедшему, от подачи радиосигнала до приема рассеянного луча, можно определить расстояние до объекта, а по интенсивности отраженного луча можно судить о концентрации дисперсной фазы в объекте.

При опалесценции под действием белого света бесцветные дисперсные системы обнаруживают голубоватую окраску. Поскольку величина I_p обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света, то  рассеиваются, главным образом, короткие волны. Наоборот, в проходящем свете эти системы окрашены в красноватый цвет, т.к. при прохождении через дисперсную систему из спектра в результате рассеяния исчезают лучи синего цвета.

Преимущественным  рассеянием света с малой длиной волны объясняется цвет неба в  различное время дня. Причина голубого цвета неба днем заключается в рассеивании коротких волн солнечного света атмосферой Земли. Абсолютное значение интенсивности света, рассеянного 1 м³ воздуха, ничтожно, но оно становится заметным благодаря огромной толщине земной атмосферы и флуктуаций молекул газа. Оранжевый или красный цвет неба  при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу.

На зависимости светорассеяния от длины световой волны основано также применение синего света для светомаскировки и красного света для сигнализации. Лампы синего цвета применяют, когда хотят, чтобы они остались незамеченными с самолетов, т.к. синие лучи при прохождении через достаточно толстый слой воздуха, особенно, если в нем содержатся частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются. Наоборот, когда хотят, чтобы свет не рассеивался и был заметен в тумане, применяют фонари, светящиеся красным цветом. 

Молекулярно-кинетические свойства

Принципиальное отличие аэрозолей от систем с жидкой дисперсионной средой заключается в том, что длина свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего) в газе может быть больше размеров частиц дисперсной фазы. Согласно молекулярно-кинетической теории газов длину свободного пробега молекулы, равную среднему пути между столкновением ее с другими молекулами, вычисляют по уравнению

                                                                                       (1)

где d –диаметр молекул, V – объем системы, n = p/kT – число молекул в единице объема. Следовательно,

                                     

.                                                                  (2)

По порядку величины при атмосферном  давлении длина свободного пробега  молекулы газа составляет около 10^-7 м. Длина свободного пробега молекулы жидкости примерно равна ее радиусу, т.е. по порядку величины близка к 10^-10м.

При изучении молекулярно-кинетических свойств аэрозолей целесообразно  разделить их на два класса:

1 – аэрозоли с достаточно  крупными частицами (r>>λ), для которых закономерности носят гидродинамический (точнее аэродинамический характер). Движение частиц в непрерывной вязкой среде описывается законом Стокса:

                                                     f = 6πrηU,                                                          (3)

где η – вязкость среды, U – скорость движения частицы.

2 – высокодисперсные аэрозоли (r<<λ), для которых уравнение Стокса не выполняется. Закономерности движения частиц приобретают молекулярно-кинетический характер. Частицы в этом случае следует рассматривать как большие молекулы, движущиеся среди малых. В этом случае сила трения f пропорциональна r² (а не r).

Уравнение Стокса не соблюдается не только для очень малых аэрозольных  частиц, но и для весьма крупных (r>20-30 мкм).

Вязкость газовой дисперсионной  среды на несколько порядков ниже вязкости жидкости, поэтому броуновское движение аэрозольных частиц более интенсивно. Экспериментальные исследования подтверждают применимость теории броуновского движения Эйнштейна-Смолуховского. Однако и в этом случае необходимо учитывать отношение длины свободного пробега молекулы к размерам частиц дисперсной фазы. При r>>λ формула Эйнштейна-Смолуховскго имеет вид

                                          .                                                          (4)

 

Явления термофореза, фотофореза и термопреципитации, связанные с молекулярно-кинетическими свойствами, характерны для дисперсных систем с газовой дисперсионной средой.

Явление термофореза заключается в движении частиц аэрозоля в направлении снижения температуры. При соблюдении условия λ/ r >>1 (т.е. когда частицы малы) термофорез возникает вследствие того, что на более нагретую сторону частицы молекулы газа налетают с большей скоростью, чем на менее нагретую, и, следовательно, сообщают частице импульс в направлении понижения температуры. Если λ/ r <<1, причина возникновения термофореза несколько более сложная. Однако  можно   показать, что и при λ/r<<1 движение частицы в поле температурного градиента должно также происходить в сторону понижения температуры.

Фотофорез, заключающийся в передвижении частиц аэрозоля при одностороннем их освещении, является частным случаем термофореза. Объяснение фотофореза более сложно, чем термофореза, поскольку распределение температуры внутри освещенной частицы зависит от ее размера, формы, прозрачности и коэффициента преломления и, следовательно, может быть весьма различным. Для непрозрачных частиц обычно наблюдается  положительный фотофорез, т.е. частицы движутся в направлении светового луча. Для прозрачных частиц может наблюдаться и отрицательный фотофорез в связи с тем, что задняя сторона частицы может быть нагрета преломившимися в частице лучами сильнее, чем передняя, обращенная к источнику света. Известны случаи, когда малые частицы некоторых веществ обнаруживают отрицательный фотофорез, а большие – положительный. Такое явление можно объяснить тем, что по мере увеличения частиц интенсивность света, прошедшего через частицу, ослабляется в большей степени, а значит, задняя часть частицы нагревается меньше.

Термофорез и фотофорез имеют  большое значение в движении атмосферных  аэрозолей, например, при образовании  облаков. Термофорез водяных капелек, взвешенных в воздухе, возникает  при соприкосновении холодных и теплых воздушных масс, а фотофорез происходит в результате освещения облаков солнечными лучами. Следует отметить, что кинетическая устойчивость атмосферных аэрозолей весьма своеобразна. Благодаря небольшому размеру капелек и малой скорости оседания (5×10^-4-7×10^-3м/с) они как бы взвешены в атмосфере, и поднимающихся от земли сравнительно слабых токов теплого воздуха достаточно для того, чтобы облака продолжали свой путь над землей, двигаясь при этом как единое целое. И только когда в результате коалесценции или конденсации капельки облаков или туманов становятся больше критического размера, они выпадают в виде дождя.

Под термопреципитацией подразумевают осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях, поскольку при соприкосновении с такими поверхностями частицы теряют кинетическую энергию. Именно преципитацией объясняется осаждение пыли на стенах и потолке возле печей, радиаторов, ламп, а также в трубах.

Электрические свойства аэрозолей

Явления, связанные с электрическими свойствами аэрозолей, имеют очень большое практическое значение. Так, движение и оседание частиц аэрозолей является причиной грозовых явлений, а также причиной серьезных помех в работе управляющих и следящих устройств. Изменение условий образования зародышей жидкой фазы весьма важно для метеорологии, для искусственного дождевания, во всех технологических процессах, связанных с конденсацией паров.

Аэрозольные частицы приобретают  заряд либо в процессе своего образования, либо находясь во взвешенном состоянии. Образование заряженных частиц наблюдается при разбрызгивании полярных жидкостей. Причина появления заряда у частиц, находящихся во взвешенном состоянии, - столкновение их друг с другом, а также захват газовых ионов. В атмосфере всегда присутствуют ионы, появление которых вызвано, в частности, действием естественной радиации. В отличие от золей, находящихся в растворе электролита, величина заряда на частицах аэрозоля является случайной величиной, определяемой, главным образом, столкновениями с ионами газов. Таким образом, частицы одинаковых размеров и одного состава могут иметь различные по величине (и даже по знаку) заряды, изменяющиеся во времени совершенно случайно. В обычных условиях газовых ионов очень мало и частицы аэрозоля сталкиваются с ними редко (одно столкновение за период от нескольких секунд до нескольких минут). При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может увеличиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы в аэрозолях постоянно меняется. Однако, в общем, все же можно полагать, что заряд частицы аэрозоля тем больше, чем больше ее размеры. На практике также установлено, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов несут отрицательный заряд, например, Fe₂O₃, MgO, Zn, ZnO, и. наоборот, частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов заряжены, как правило, положительно – SiO₂, P₂O₅ и т.д. Положительно заряжены также частицы NaCl, угля, крахмала; частицы муки несут отрицательный заряд.

Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe₂0₃), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO₂, P₂O₅) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.

Важным отличием аэрозолей от жидких дисперсных систем является отсутствие электронейтральности системы в целом. Суспензии, эмульсии, лиозоли в макроколичествах не имеют заряда, в них соблюдается закон электронейтральности. Аэрозоли же даже в больших количествах могут обладать значительным статическим зарядом, а седиментация приводит к его неравномерному распределению в системе, что создает серьезные трудности при рассмотрении закономерностей изменения свойств аэрозолей.  Однако оценочные расчеты, например, напряженности электрического поля в облаках, можно провести с помощью простых соотношений.

В облаках постоянно изменяется дисперсность капель воды, вследствие чего происходит седиментационное разделение частиц по размеру и соответственно по электрическому заряду. В результате нижний слой облака приобретает отрицательный заряд, а верхний слой остается положительно заряженным. При значительной полидисперсности капель облака, а также при конвекционных токах, обусловленных ветром, в облаке могут возникать и большие напряженности (Е>30 кВ/м), приводящие к грозовым явлениям.

 

 

Агрегативная устойчивость аэрозолей

Аэрозоли, обладая при высокой  дисперсности достаточно высокой седиментационной устойчивостью, обычно являются весьма агрегативно неустойчивыми системами, и в них всегда идет процесс  коагуляции. Этим объясняется сравнительно небольшой срок жизни любого аэрозоля. Существенно, что максимальную неустойчивость проявляют аэрозоли с наиболее крупными и с наиболее мелкими частицами. Первые системы неустойчивы из-за большой скорости оседания их частиц, вторые не могут долго существовать вследствие интенсивного броуновского движения, приводящего к столкновению частиц и образованию агрегатов.

Коагуляция аэрозолей, являющаяся, как правило, процессом быстрой  коагуляции, обычно протекает значительно  быстрее, чем коагуляция лиозолей.

На скорость разрушения систем с  газовой дисперсионной средой, помимо частоты столкновений, влияют и другие факторы. Так, коагуляции аэрозолей  способствует полидисперсность и анизодиаметрическая  форма частиц. Разрушение аэрозолей  ускоряется при наличии в них противоположно заряженных частиц. Наоборот, если частицы аэрозоля обладают одинаковым по знаку и достаточно большим по величине зарядом, то наблюдается рассеяние частиц. На скорость коагуляции аэрозоля, конечно, влияют конвекционные потоки, механическое перемешивание, ультразвуковые колебания, поскольку все эти воздействия увеличивают вероятность столкновения частиц друг с другом.

Необходимо отметить, что в аэрозолях, как и в лиозолях, могут изменяться размеры частиц не только за счет явлений коалесценции и агрегации, но и вследствие изотермической перегонки дисперсной фазы, что приводит к укрупнению больших частиц за счет испарения более мелких. В атмосфере больших промышленных городов при влажности, близкой к 100%, происходит конденсация паров воды на частицах дыма и пыли. Поэтому количество осадков над городами намного превышает средние для данной местности значения.