Лекція 5. Аерозолі

(4 год)

Аерозолем називається мікрогетерогенна система, в якій частинки твердої речовини або крапельки рідини зважені в газі. Умовне позначення аерозолів: Т/Г або Р/Г.

Аерозолі досить важливий вид дисперсних систем. Наприклад: космічний простір, атмосфера Землі, повітря, яким ми дихаємо, - все це аерозолі. Аерозолі виникають природним шляхом, утворюються штучно і супроводжують промислове виробництво.

Вода, що випаровується з водної поверхні Землі, утворює аерозолі, руйнування яких призводить до виникнення дощу, снігу, граду. До 30% усіх природних аерозолів дає космічний пил. Все це - аерозолі, які виникають природним шляхом, без участі людини.

Близько 10 % всіх аерозолів утворюються штучно: це розпорошення отрутохімікатів і добрив, зрошення, побутові аерозолі і т. д.

І, нарешті, третя група аерозолів - це промислові аерозолі. У шахтах, кар'єрах для видобутку корисних копалин, близько металургійних і хімічних комбінатів, при роботі різних агрегатів (дробарок, млинів, численних котелень) утворюються аерозолі, що забруднюють повітря. Всі види наземного, повітряного і водного транспорту є джерелами аерозолів за рахунок згорання палива. Виробництво ядерного палива, експлуатація атомних електростанцій, випробування ядерної зброї призводять до утворення радіоактивних аерозолів.

Такі основні джерела утворення аерозолів. Щорічно в середньому 1 км² земної поверхні викидає в атмосферу 20т роздробленої маси, яка перетворюється в атмосферні аерозолі.

Класифікація аерозолів

1. За агрегатним станом дисперсної фази:

• туман (Р/Г);

• дим, пил (Т/Г);

• смог (Р + Т) / Г[Smog] = Smoke (дим ) + fog (туман).

2. За дисперсністю:

• туман (Р/Г), 10^-5 ≤ d ≤ 10^-3 см;

• дим (T/Г) 10^-7 ≤ d ≤ 10^-3 см;

• пил (Т/Г), d > 10^-3 см.

3. За методами отримання:

• конденсаційні;

• диспергаційні.

Методи отримання аерозолів

Як і інші мікрогетерогенні системи, аерозолі можуть бути отримані двома різними шляхами: з грубодисперсних систем (диспергаційні методи) і з істинних розчинів (конденсаційні методи).

Конденсаційний методи

Ці методи пов'язані з утворенням в гомогенній системі нової фази. Обов'язковою умовою її утворення є наявність пересиченого пару, конденсація якого і призводить до утворення частинок дисперсної фази. Об'ємна конденсація пересиченого пару може відбуватися в трьох випадках:

• при адіабатичному розширенні;

• при змішуванні парів і газів, що мають різні температури;

• при охолодженні газової суміші.

Адіабатичне розширення газу. Таким шляхом утворюються хмари. Теплі маси вологого повітря піднімаються в більш високі шари атмрсфери. Оскільки там атмосферний тиск нижче, відбувається адиабатичне розширення, що супроводжується охолодженням повітря і конденсацією водяної пари. На відносно невеликій висоті утворюються купчасті хмари, в яких вода перебуває у вигляді рідких крапель, у верхніх же шарах атмосфери, де температура нижча, виникають пористі хмари, що містять кристали льоду.

Змішування газів і парів, що мають різні температури.

Так утворюються атмосферні тумани. Найчастіше туман з'являється при ясній погоді вночі, коли поверхня Землі, інтенсивно віддаючи тепло, сильно охолоджується. Тепле вологе повітря стикається й охолоджується Землею або холодним повітрям поблизу її поверхні і в ньому утворюються крапельки рідини. Те ж відбувається при змішуванні фронтів теплого і холодного повітря.

Охолодження газової суміші, що містить пар.

Цей випадок можна проілюструвати на прикладі чайника, в якому закипіла вода. З носика виривається водяна пара, яка невидима, оскільки не розсіює світло. Далі водяна пара швидко охолоджується, вода в ньому конденсується, і вже на невеликій відстані від носика чайника ми бачимо молочну хмарку - туман, що став видимим через здатність розсіювати світло. Аналогічне явище спостерігається, коли ми відкриваємо кватирку в морозний день.

Крім того, конденсаційний аерозоль може утворюватися в результаті газових реакцій, що ведуть до утворення нелетких продуктів:

• при згорянні палива утворюються димові гази, конденсація яких призводить до появи топкового диму;

• при згорянні фосфору на повітрі утворюється білий дим (Р₂О₅);

• при взаємодії газоподібних NН₃ і НСl утворюється дим NH₄Cl (тв);

• окислення металів на повітрі, що відбувається в різних металургійних і хімічних процесах, супроводжується утворенням димів, що складаються з частинок оксидів металів.

Діспергаційні методи

Діспергаційні аерозолі утворюються при подрібненні (розпиленні) твердих і рідких тіл в газовому середовищі, і при переході порошкоподібних речовин у зважених станах при дії повітряних потоків.

Розпилення твердих тіл відбувається у дві стадії: подрібнення, а потім розпорошення. Перехід речовини в стан аерозолю повинно бути здійснено в момент застосування аерозолю, так як на відміну від інших дисперсних систем - емульсій, суспензій, аерозолі не можна приготувати заздалегідь.

Загальна характеристика аерозолів

Властивості аерозолів визначаються:

• природою речовин дисперсної фази і дисперсійного середовища;

• частковою та масовою концентрацією аерозолю;

• розміром частинок і розподілом часток за розмірами;

• формою первинних (неагрегірованних) частинок;

• структурою аерозолю;

• зарядом частинок.

Для характеристики концентрації аерозолів, як і інших дисперсних систем, використовується масова концентрація і чисельна (часткова) концентрація.

Розміри частинок аерозолів

Мінімальний розмір часток визначений можливістю існування речовини в агрегатному стані. Так, одна молекула води не може утворити ні газу, ні рідини, ні твердого тіла. Для утворення фази необхідні агрегати принаймні з 20-30 молекул. Найменша частка твердої речовини або рідини не може мати розмір менше 1 • 10^-3 мкм.

Таблица1.

Розміри частинок деяких золів

Аерозолі	Умовне позначення	Разміри частинок
Туман (Н2О)	Р/Г	5∙10-7
Слоїсті хмари	Р/Г	1∙10-6 - 1∙10-5
Дощові хмари	Р/Г	1∙10-5 - 1∙10-4
Н2SO4 (туман)	Р/Г	1∙10-6 - 1∙10-5
ZnO (дим)	Т/Г	5∙10-3
Тютюновий дим	Т/Г	1∙10-7 - 1∙10-6
Топочний дим	Т/Г	1∙10-7 - 1∙10-4
Р2О5 (дим)	Т/Г	1∙10-6 - 1∙10-5

Верхня межа розмірів частинок строго не визначена, але частинки крупніше 100 мкм не здатні тривалий час залишатися зваженими в повітрі.

Форма частиноки аерозолів

Рідкі краплі в аерозолях завжди сферичні, тверді частинки можуть мати самі різні форми. Їх можна розділити на три класи.

Ізометричні частинки, для яких три розміри в першому наближенні збігаються. До цього класу належать кульки, правильні багатогранники або частинки, близькі до них за формою.

Пластинки - частинки, що мають два великих розміри і один малий: пелюстки, лусочки, диски.

Волокна - частинки, протяжні лише в одному напрямку і мають менші розміри в двох інших напрямках: голки, нитки або мінеральні волокна.

Форма частинок залежить від способу отримання та матеріалу.

Структура аерозолів

Частинки аерозолю можуть існувати самі по собі або об'єднуватися в ланцюжки, які називають агломератами або флокулами. Вони зазвичай утворюються з високозаряженних маленьких частинок, які знаходяться в щільних димах. Аерозолі можуть також складатися з порожнистих крапель, заповнених газом або порожнистих частинок, що містять речовину - наповнювач. Таким чином, щільність частинок в аерозолі може значно відрізнятися від щільності вихідної речовини.

Поверхневі властивості

Аерозольні частинки, маючи малі розміри, володіють розвиненою поверхнею, на якій можуть протікати адсорбція, горіння та інші хімічні реакції. Велика поверхня обумовлює такі фізичні властивості, як гігроскопічність або здатність взаємодіяти з електричними зарядами.

Оптичні властивості аерозолів

Оптичні властивості аерозолів підкоряються тим самим закономірностям, що й оптичні властивості ліозолів, але в аерозолях вони проявляються більш яскраво за рахунок великої різниці в щільності, а значить - в показниках заломлення аерозольної частинки і газового середовища. Характер взаємодії світла з аерозольною частинкою залежить від співвідношення між розміром частинки d і довжиною хвилі світла λ. Якщо d >> λ, то взаємодію можна розглядати з позиції геометричної оптики, якщо d << λ або d < λ, то необхідно грунтуватися на теорії електромагнітних коливань, тобто враховувати хвильову природу світла. Для аерозолів характерні розсіяння і поглинання світла.

Інтенсивність розсіяного світла І_p визначається вже відомим нам рівнянням Релея:

, ,

де

Оскільки показник заломлення частинки n₁ значно больше показника заломлення середовища n_о, для аерозолів величина К значно більше, ніж для ліозолей. З рівняння Релея видно, що червоне світло розсіюється набагато менше, ніж сине і жовте, і якщо врахувати той факт, що аерозольні частинки в нижніх шарах атмосфери набагато більші, ніж у верхніх, стає зрозумілим, чому на сході й заході небо забарвлюється в багряні тони, а опівдні сяє блакиттю.

Деякі, головним чином, металеві або вугільні частинки можуть поглинати світло. Чорний колір диму обумовлений тим, що димові частинки ефективно поглинають видимі промені всіх довжин хвиль. Білий колір диму викликаний інтенсивним розсіюванням його частинок всіх видимих довжин хвиль.

Завдяки великій здатності розсіювати світло аерозолі широко застосовуються для створення димових завіс. З усіх димів найбільшою здатністю розсіювати і відображати світло володіє дим Р₂О₅, його маскуюча здатність приймається за одиницю.

Молекулярно - кінетичні властивості аерозолів

Особливості молекулярно-кінетичних властивостей аерозолів обумовлені:

• малою концентрацією часток дисперсної фази - так, якщо в 1 см³ гідрозоля золота міститься 1016 частинок, то в такому ж обсязі аерозолю золота менше 107 частинок;

• малою в'язкістю дисперсійного середовища - повітря, отже, малим коефіцієнтом тертя (В), що виникає при русі частинок;

• малою щільністю дисперсійного середовища, отже ρ_част >> ρ_газа.

Все це призводить до того, що рух частинок в аерозолях відбувається значно інтенсивніше, ніж у ліозолях.

Для кількісної оцінки процесів дифузії і седиментації в аерозолях можна використовувати значення питомого потоку дифузії і_диф і питомого потоку седиментації і_сед величини:

Щоб з'ясувати, який потік переважатиме (і_диф або і_сед), розглядають їх співвідношення:

У цьому виразі (ρ - ρ₀) >> 0. Отже, величина дробу буде визначатися розміром частинок.

Якщо r > 1 мкм, то i_сед >> i_диф, тобто дифузією можна знехтувати - йде швидка седиментація і частинки осідають на дно посудини.

Якщо r < 0,01 мкм , то i_сед << і_диф. У цьому разі можна знехтувати седиментацією - йде інтенсивна дифузія, в результаті якої частинки досягають стінок посудини і прилипають до них. Якщо ж частинки стикаються між собою, то вони злипаються, що призводить до їх укрупнення і зменшення концентрації.

Таким чином, з аерозолю швидко зникають як дуже дрібні, так і дуже великі частки: перші внаслідок прилипання до стінок або злипання, другі - в результаті осідання на дно. Частинки проміжних розмірів володіють максимальною стійкістю.

Для частинок аерозолів характерний рух частинок в полі температурного градієнту в напрямку зміни температури. Цим обумовлені такі явища, як термофорез, термопреципітації, фотофорез.

Термофорез - мимовільний рух частинок в напрямку зниження температури. Він обумовлений тим, що з «гарячої» сторони на частинку налітають більш швидкі молекули газу і вона зміщується в «холодну» сторону. Термопреципітація - осадження частинок аерозолю переважно на холодних поверхнях, коли поблизу присутні гарячі тіла. Термопрецілітаціей обумовлено осідання пилу на стінах і стелі поблизу радіаторів, ламп, гарячих труб і т. д. Фотофорез - пересування частинок аерозолю при односторонньому освітленні, є окремим випадком термофорезу. Для непрозорих частинок спостерігається позитивний фотофорез, тобто частки рухаються в напрямку світлового променя. Для прозорих частинок має місце негативний фотофорез, причому при збільшенні розмірів часток він може переходити в позитивний.

Електричні властивості аерозолів

Електричні властивості частинок аерозолю значно відрізняються від електричних властивостей частинок в ліозолі.

На частинках аерозолю не виникає ДЕШ, так як через низьку діелектричної проникності газового середовища в ній практично не відбувається електролітична дисоціація.

Заряд на частинках виникає, головним чином, за рахунок невибіркової адсорбції іонів, які утворюються в газовій фазі в результаті іонізації газа космічними, ультрафіолетовими або радіоактивними променями.

Заряд частинок носить випадковий характер, і для частинок однієї природи і однакового розміру може бути різним як за величиною, так і за знаком.

Заряд частинки змінюється в часі як за величиною, так і за знаком.

Специфічна адсорбція характерна для аерозолів, частки яких "утворені сильно полярною речовиною, так як в цьому випадку на міжфазної поверхні виникає досить великий стрибок потенціалу, обумовлений поверхневою орієнтацією молекул.

З практики відомо, що частки аерозолів металів і їх оксидів зазвичай несуть негативний заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe₂О₃), а частки аерозолів неметалів та їх оксидів (SіO₂, Р₂О₅) заряджені позитивно. Позитивно заряджені частинки NaCl, крохмалю, а частки борошна несуть негативні заряди.

Агрегативной стійкості. Коагуляція

На відміну від інших дисперсних систем в аерозолях відсутня всяка взаємодія між поверхнею частинок і газовим середовищем, а значить, відсутні сили, що перешкоджають зчепленню частинок між собою і з макроскопічними тілами при зіткнені. Таким чином, аерозолі є агрегативно нестійкими системами. Коагуляція в них відбувається за типом швидкої коагуляції, тобто кожне зіткнення частинок призводить до їх злипання.

Швидкість коагуляції швидко зростає із збільшенням чисельної концентрації аерозолю (табл. 2).

Незалежно від початкової концентрації аерозолю через кілька хвилин в 1 см³ знаходиться 108-106 частинок (для порівняння - в ліозолі ~ 1015 частинок).

Таблиця 2

Залежність швидкості коагуляції від збільшення чисельності концентрації аерозолю

Початкова чисельна концентрація в 1 см3концентрация в 1 см3	Час, необхідний для зменшення концентрації аерозолю в 2 рази
1012	Долі секунди
1010	15-30 с
108	30 мин
106	Кілька діб

Коагуляції аерозолів також сприяють:

• нізодіаметрична форма частинок;

• полидисперсность;

• наявність протилежно заряджених частинок;

• конвекційні потоки, механічне перемішування, ультразвукові коливання, так як вони збільшують ймовірність зіткнення частинок.

Методи руйнування аерозолів

Незважаючи на те, що аерозолі є агрегативно нестійкими, проблема їх руйнування стоїть дуже гостро. Основні проблеми, при вирішенні яких виникає необхідність руйнування аерозолів:

• очистка атмосферного повітря від промислових аерозолів;

• уловлювання з промислового диму цінних продуктів;

• штучне дощування або розсіювання хмар і туману.

Руйнування аерозолів відбувається шляхом:

• розсіювання під дією повітряних течій або внаслідок однойменних зарядів частинок;

• седиментації;

• дифузії до стінок посудини;

• коагуляції;

• випаровування частинок дисперсної фази (у разі аерозолів летючих речовин).

Розроблено багато способів руйнування аерозолів, але будь-який з них складається з двох стадій: перша - уловлювання дисперсних частинок, відділення їх від газу, другий - запобігання повторного попадання частинок в газове середовище, це пов'язано з проблемою адгезії вловлених частинок, формуванням з них міцного осаду.

Пилоуловлювання, головним чином, засноване на інерційних або на електричних силах. Розглянемо ці способи більш докладно.

Інерційний осадження проводиться за допомогою відцентрових відокремлювачів, званих циклонами. Вони являють собою металеві циліндри, в яких аерозоль по спіралі рухається зверху вниз, при цьому частинки осідають на стінках циліндра, а очищений газ по спеціальній трубі виводиться з циклону. Високопродуктивний циклон може забезпечити практично повне уловлювання частинок більше 30 мкм, частинки розмірами 5 мкм уловлюються на 80% , а розмірами 2 мкм - менш ніж на 40 %. До інерційному осадженню можна віднести і мокре пиловловлювання. Мокре пиловловлювання здійснюється двома способами:

• для часток з d > 2-5 мкм використовують скрубери (порожнисті або з насадкою), мокрі циклони, барботажні або пінні пилеулавлювачі;

• для часток з d < 2 мкм використовуються швидкісні пилеулавлювачі.

Ультразвукові установки використовуються для руйнування туманів. Досить кількох секунд, щоб туман, рухомий в ультразвуковому полі, скоагулював на 90 %.

До недоліків цього методу слід віднести наступне : він не руйнує сильно розбавлені аерозолі, залишаючи нескоагулірованною саму шкідливу - високодисперсну частину аерозолю.

Електростатичне осадження з успіхом застосовують для уловлювання пилу і туманів в цементній, сернокислотній, металургійній промисловості і особливо для уловлювання летючого попелу з димових газів електростанцій. Принцип методу полягає в наступному. Аерозоль пропускають між електродами, що створюють поле високої напруги (70-100кВ), виникає коронний розряд, при якому катод випускає величезну кількість електронів. Електрони іонізують молекули газу. Утворені аніони адсорбуються частинками аерозолю, потім негативно заряджені частинки осідають на позитивно зарядженій стінці труби, після чого збираються в спеціальному бункері.

Пилоуловлювальний фільтр конденсаційного типу продуктивністю 30000 м³/год був випробуваний у рудничних умовах. Він показав ефективність, близьку до 99 % при середньому розмірі частинок 0,2 мкм. При цьому габарити фільтру були на порядок менші, ніж у рукавних фільтрів і електрофільтрів такої ж потужності.

Аерозольні балони

Фізико- хімічні основи диспергування речовин за допомогою аерозольних балонів

Принцип дії аерозольного балона полягає в тому, що поміщений в упаковку препарат змішується з евакуюючою рідиною, тиск насиченої пари якої в інтервалі температур, при яких експлуатується упаковка, вище атмосферного.

Викид суміші з балона відбувається під дією тиску насиченої пари, що знаходиться над рідиною.

Відомо, що тиск насиченої пари будь-якої стабільної речовини визначається тільки температурою і не залежить від об'єму. Тому протягом всього часу роботи балона тиск у ньому буде залишатися постійним, отже, практично постійною залишатиметься дальність польоту частинок і кут конуса розпилення.

Залежно від характеру взаємодії розпорошуючої речовини з евакуюючою рідиною і її агрегатного стану, системи в аерозольній упаковці складатимуться з різного числа фаз. У разі взаємної розчинності компонентів утворюється гомогенний рідкий розчин, в інших випадках - емульсія або суспензія і нарешті, гетерогенна система, коли препарат і евакуююча рідина утворюють макроскопічно неоднорідну систему. Очевидно, що в першому випадку в аерозольній упаковці знаходиться двофазна система - рідина і насичений пар. При випуску в атмосферу емульсії або суспензії відбувається дроблення тільки дисперсійного середовища - одержувані частинки в кращому випадку будуть мати розміри, які вони мали в рідкій фазі.

Характер системи, що утворюється при виході продукту з упаковки в атмосферу, залежить від того, яка з рідин є дисперсною фазою. Якщо дисперсна фаза - це препарат, то утворюється аерозоль. Якщо дисперсною фазою є евакуююча рідина, то виходить піна. Розмір часток, одержуваних за допомогою аерозольних балонів, залежить від фізико-хімічних властивостей речовин, що входять до складу препарату, співвідношення компонентів, конструктивних особливостей балона і температурних умов його експлуатації.

Ступінь дисперсності можна регулювати:

• змінюючи розміри вихідного отвору;

• змінюючи тиск насиченої пари евакуюючої рідини;

• змінюючи кількісне співвідношення препарату і евакуюючого агента.

Евакуюючі речовини

Найважливішим допоміжним компонентом є речовина, яка забезпечує викид препарату в атмосферу і подальше його диспергування. Ці речовини одержали назву пропеллентов. Пропеллент повинен виконувати дві функції:

• створювати необхідний тиск для викиду препарату;

• диспергувати продукт, випущений в атмосферу.

В якості пропеллентов використовують фреони і стислі гази. Фреони - це низькомолекулярні фторорганічні сполуки аліфатичного ряду [C_n(H_mСl_kF)_2n+2].

Прийнята наступна система позначень фреонів: остання цифра (число одиниць) означає число атомів фтору в молекулі, що передує цифра (число десятків) - число атомів водню, збільшене на одиницю, і третя (число сотень) - число атомів вуглецю, зменшене на одиницю. Наприклад: F- 22 - це CHC1F₂, F- 114 - це C₂Cl₂F₄.

Речовини, що складаються з молекул циклічної будови, також мають цифрове позначення, але перед цифрами ставиться літера «C», наприклад: С318 - C₄F₈ (октафторціклобутан).

В якості стислих газів застосовують N₂ , N₂O, СO₂ та ін.

Практичне застосування аерозолів

Широке використання аерозолів обумовлено їх високою ефективністю. Відомо, що збільшення поверхні речовини супроводжується збільшенням його активності. Незначна кількість речовини, розпорошену у вигляді аерозолю, займає великий обсяг і володіє великою реакційною здатністю. У цьому полягають переваги аерозолів перед іншими дисперсними системами.

Аерозолі застосовуються:

• в різних областях техніки, в тому числі у військовій і космічній;

• в сільському господарстві;

• в охороні здоров'я;

• в метеорології;

• в побуті і т. д.

В даний час налічується більше 300 видів товарів в аерозольних упаковках.

Перша група: засоби побутової хімії.

• Інсектициди - препарати для знищення комах.

• Засоби проти молі.

• Інсектициди для обробки домашніх тварин.

• Засоби захисту кімнатних рослин і плодово-ягідних культур від грибкових хвороб і шкідників.

• Лаки і фарби.

• Освіжувачі повітря.

• Поліруючі і чистячі склади.

Друга група: парфюмерно-косметичні засоби.

• Засоби догляду за волоссям (лаки, шампуні і т. д.)

• Піни та гелі для гоління.

• Креми для рук і ніг.

• Масло для і від засмаги.

• Дезодоранти.

• Духи, одеколони, туалетна вода.

Третя група: медичні аерозолі.

Четверта група: технічні аерозолі.

• Мастильні масла.

• Антикорозійні покриття.

• Захисні плівки.

• Сухі мастила.

• Емульсії для охолодження різців на свердлильних верстатах.

П'ята група: харчові аерозолі.

Харчові аерозолі

Аерозольні упаковки харчових продуктів можна розділити на три основних групи:

• упаковки, що вимагають зберігання при низькій температурі;

• упаковки з подальшою тепловою обробкою;

• упаковки без наступної теплової обробки.

У аерозольних упаковках випускаються харчові продукти трьох видів: креми, рідини, пасти. У аерозольних упаковках можна купити приправи для салатів, плавлений сир, соки, корицю, майонез, томатний сік, 30 %-ні збиті вершки і т. д.

Зростання виробництва харчових аерозолів пояснюється наступним:

• перевагами перед звичайними видами тари;

• розробкою нових пропеллентов;

• удосконаленням технології заповнення.

Переваги аерозольної упаковки харчових продуктів:

• зручність використання;

• економія часу;

• їжа упаковується в підготовленому до вживання стані і видається з упаковки в однорідному вигляді;

• немає витоку продуктів;

• волога не втрачається і не проникає в упаковку;

• не губиться аромат;

Якість видачі вмісту з балона залежить від наступних факторів:

• технології приготування продукту;

• стабілізатора (широко використовується мікрокристалічна целюлоза);

• правильного вибору балона і клапана.