химический каталог




АЭРОЗОЛИ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

АЭРОЗОЛИ [от греческого аёг- воздух и лат. sol(utio)-раствор], дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Классификация. По способу образования различают конденсационные и диспергационные АЭРОЗОЛИ Первые возникают в результате присоединения друг к другу молекул вещества в пересыш. паре (так называемой гомог. нуклеация) или конденсации пара на присутствующих в нем ионах или мельчайших частицах др. вещества - ядрах конденсации (гетерог. нуклеация). Конденсац. АЭРОЗОЛИ с жидкой дисперсной фазой называют туманами, с твердой - дымами.

К конденсационным относятся и АЭРОЗОЛИ, образующиеся при горении, химический и фотохимический реакциях в газовой фазе, например при получении оксидов Si и Ti термодинамически гидролизом их хлоридов в пламени. Важнейший из таких АЭРОЗОЛИ - смог, возникающий в атмосфере в результате фотохимический реакций между газообразными примесями под действием интенсивного солнечного освещения. Особенность конденсации продуктов химический реакций - возможность каталитических действия конденсиров. частиц на превращаются исходных веществ. Конденсац. АЭРОЗОЛИ могут образоваться также вследствие испарения тел, в том числе в результате воздействия плазмы и лазерного излучения, с последующей конденсацией паров.

Диспергационные АЭРОЗОЛИ с твердыми частицами (пыли) образуются в атмосфере в природные условиях, а также при измельчении твердых тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т.п. АЭРОЗОЛИ с жидкой дисперсной фазой (иногда их называют спреями) возникают при распаде струй или пленок жидкости, например при распылении жидкого топлива в двигателях внутр. сгорания. Важные практическое случаи образования жидких АЭРОЗОЛИ-распыление жидкости под воздействием расположенного в ней источника акустич. колебаний, разрушение струй при воздействии поля электрич. потенциала.

Часто возникают смешанные АЭРОЗОЛИ, состоящие из частиц различные происхождения. Так, при взрывном разрушении твердых тел происходит, как правило, диспергирование в-ва и его испарение с последующей конденсацией паров и образованием АЭРОЗОЛИ

Основные характеристики. Дисперсионную среду характеризуют химический составом, температурой, давлением, степенью ионизации, параметрами внешний физических полей, полем скоростей течения, наличием турбулентности и ее параметрами, наличием и величиной градиентов температуры и концентрации компонентов. Важнейшие параметры дисперсной фазы АЭРОЗОЛИ - объемная доля частиц и их массовая доля, число частиц в единице объема (счетная концентрация) nр, средний размер частицы dp и ее электрич. заряд. Параметры дисперсной фазы атм. АЭРОЗОЛИ при нормальных температуре и давлении составляют: dp 5*108-10-2 см, пр 1-108 см-3, 10-18-10-1, 10-19 В верх. слоях атмосферы пр = 105-1014 см-3, 10-19 -10-33. Наряду с усредненными величинами дисперсную фазу характеризуют распределением частиц по размерам и по величине электрич. заряда (последнее даже для монодисперсных АЭРОЗОЛИ). Если вещество дисперсной фазы радиоактивно, необходимо знать также удельная активность частиц.

Взаимод. между дисперсной фазой и дисперсионной средой определяется процессами переноса массы, энергии, импульса, электрич. заряда и др., а также явлениями на границе раздела фаз. Процессы переноса описываются уравениями, конечный вид которых зависит от числа Кнудсена Кп =, где-длина свободный пробега газовых молекул, dp-диаметр частицы АЭРОЗОЛИ При Кп1 и, следовательно, dp дисперсионная среда может рассматриваться как сплошная; в этом случае говорят о континуальном режиме процессов переноса. Если Кп1, А. можно рассматривать как смесь двух газов, молекулы одного из которых - частицы АЭРОЗОЛИ - намного тяжелее молекул дисперсионной среды. В такой системе процессы переноса описываются с помощью уравений газокинетическая теории (т. называют свободномолекулярный режим). Наконец, при Кп 1 (диаметр частиц при атм. давл. 0,01-1,0 мкм) процессы переноса рассчитываются приближенными методами динамики разреженных газов (переходный режим). Точность уравений, описывающих процессы переноса в свободномолекулярном и континуальном режимах на границах указанного интервала размера частиц, определяющего значения Кп, составляет ок. 10%. На процессы переноса в АЭРОЗОЛИ влияет движение частиц относительно среды под действием внешний сил или по инерции; оно характеризуется числом Маха Ма=, где ир -скорость частиц относительно среды,-скорость теплового движения молекул среды. При анализе характера переноса импульса вместо числа Маха часто используют число Рейнольдса Re = 4Ma/Kn.

Свойства. Важнейшие свойства АЭРОЗОЛИ - способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преимущественно как единое целое и при столкновении прилипать друг к другу или к к.-л. поверхности с вероятностью, равной единице. В покоящейся среде частицы АЭРОЗОЛИ поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собств. тепловому движению, энергия которого для частиц любой массы равна 3/2kT, где k - постоянная Больцмана, T - абс. температура, и вследствие обмена энергией с молекулами среды. Распределение концентрации частиц по высоте обычно характеризуют параметром (перреновской высотой), где

-ускорение силы тяжести,-масса частицы. Для достаточно малых частиц, когда Нр намного превосходит их линейный размер, энергии теплового движения достаточно для поддержания частиц во взвешенном состоянии даже в отсутствие дисперсионной среды. Если же размер частиц сравним с Нр или больше него, то для поддержания частиц во взвешенном состоянии необходима дополнительной энергия, получаемая при соударениях с молекулами среды. Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта , где-концентрация газовых молекул,-длина их свободный пробега. При Sc < 107 существен лишь вклад собств. теплового движения частиц; при атм. давлении этому условию соответствуют частицы единичной плотности размером ~2 мкм. При So > 105 имеет значение лишь обмен энергией между частицами и средой. При 107 < Sc < 105 оба вклада соизмеримы. В турбулентной среде частицам А. присущи две основные формы движения - увлечение дисперсионной средой и смещение относительно нее. Поддержание частиц во взвешенном состоянии определяется их инерционностью и характеризуется так называемой турбулентным числом Шмидта ScT, равным отношению коэффициентов турбулентной диффузии частиц DpT и молекул соеды DT . Величинаназывают степенью обтекания, -степенью увлечения частиц. Способность частиц АЭРОЗОЛИ сохраняться во взвешенном состоянии без приложения возмущающего воздействия к дисперсионной среде отличает АЭРОЗОЛИ от псевдоожиженного (кипящего) слоя, который также является двухфазной системой с газовой дисперсионной средой.

Частицы АЭРОЗОЛИ могут смещаться относительно среды, главным образом под действием внешний полей, например поля силы тяжести, в котором частицы оседают, а также сил инерции (если среда движется ускоренно), градиентов температур и концентраций. Скорость движения частиц определяется внешний силой и силой сопротивления среды движению частиц. В большинстве случаев эти силы уравновешивают друг друга, и частицы движутся с постоянной скоростью; лишь в средах с сильной турбулентностью и в акустич. полях движение ускоренное. Отношение скорости v стационарного движения частицы к действующей на нее силе называют подвижностью частицы В. В континуальном режиме , где -вязкость среды (формула Стокса). Эта формула позволяет рассчитывать В с точностью до 10% при Кп > 0,1 и Re < 0,6. При больших Re вводят поправочные множители, являющиеся функциями Re. В области 1 < Кп < 0,1 в формулу Стокса вводят поправочный множитель Кеннингема, равный (1 + А1Кп), где A1 - эмпирическая постоянная. В свободномолекулярном режиме при Кп > 10 В = (Ai + Q/3) (формула Эпштейна), где Q - др. эмпирическая постоянная. В переходном режиме для расчета В предложен ряд эмпирическая формул, из которых наиболее распространена формула Милликена: , где b- эмпирическая постоянная. Для капель масляного тумана, например, в формуле Эпштейна (А1 + Q) = 1,154, в формуле Милликена A1 = 1,246, Q = 0,42, b = 0,87. Значение В определяет коэффициент тепловой диффузии частиц D = kTB, называют иногда коэффициентом броуновской диффузии.

При наличии в дисперсионной среде градиентов температуры или концентрации частицы А. движутся даже при отсутствии внешний сил; соответствующие явления называют термо- и диффузиофорезом. В свободномолекулярном режиме термофорез аналогичен термодиффузии (см. Диффузия); в континуальном режиме он обусловлен тангенциальной силой, действующей на частицу вследствие возникновения потока газа (термодинамически скольжения) вблизи неоднородно нагретой поверхности частицы. Частный случай термофореза - фотофорез: движение частиц под действием светового облучения. Этот эффект обусловлен неравномерным нагревом частиц и среды, главным образом из-за различной их способности отражать и поглощать свет. Диффузиофорез, обусловленный градиентом концентрации при постоянном полном давлении, происходит, например, вблизи поверхностей испарения или конденсации.

Частицы АЭРОЗОЛИ размером менее 1 мкм всегда прилипают к твердым поверхностям при столкновении с ними. Столкновение частиц друг с другом при броуновском движении приводит к коагуляции АЭРОЗОЛИ Для монодисперсных АЭРОЗОЛИ со сферич. частицами скорость коагуляции dn/dt= — Кп2, где n - число частиц в единице объема, К -так называемой коэффициент броуновской коагуляции. В континуальном режиме К рассчитывают по формуле Смолуховского , в свободномолекулярном - по формуле, где ир-средняя скорость теплового движения аэрозольных частиц,-коэффициент, учитывающий влияние межмолекулярных сил и для различные веществ имеющий значение от 1,5 до 4. Для переходного режима точных формул для вычисления К не существует. Помимо броуновского движения коагуляция АЭРОЗОЛИ может иметь и др. причины. Т. называют градиентная коагуляция обусловлена разностью скоростей частиц в сдвиговом потоке; кинематическая - различные скоростью движения частиц относительно среды (например, в поле гравитации); турбулентная и акустическая - тем, что частицы разного размера сближаются и сталкиваются, будучи в разной степени увлечены пульсациями или звуковыми колебаниями среды (последние две причины существенны для инерц. частиц размером не менее 10-6 м). На скорость коагуляции влияет наличие электрич. заряда на частицах и внешний электрич. поля.

Аэрозольные частицы способны приобретать электрич. заряд, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые ионы, направленно движущиеся к частицам во внешний поле или диффундирующие в среде. Диспергационные частицы могут приобретать заряд и в процессе образования -при разбрызгивании жидкостей (баллоэлектрич. эффект) или распылении порошков (трибоэлектрич. эффект), при освещении (фотоэффект), радиоактивном распаде и т.п. В АЭРОЗОЛИ, образующихся при высокой температуре, например при испарении и последующей конденсации паров, заряды на частицах возникают также в результате термоэлектронной или термоионной эмиссии. АЭРОЗОЛИ обладают ярко выраженным рассеянием света, закономерность которого определяется диапазоном значений параметра , где-длина волны излучения. При> 1 сечение светорассеяния возрастает с уменьшением размера частиц. С уменьшением сечение становится пропорциональным. Поэтому высокодисперсные частицы рассеивают видимое, а тем более ИК-излучение слабо. При фиксиров. размере частицы сечение светорассеяния убывает пропорционально. При рассеянии света частицами АЭРОЗОЛИ меняется состояние поляризации излучения. Измерения светорассеяния и состояния поляризации рассеянного света используют для определения размеров частиц и распределения по размерам. См. также Дисперсные системы.

В технике образование АЭРОЗОЛИ часто нежелательно, т. к. приводит к загрязнению атмосферы (в т.ч. производственной) и технол. потоков. Кроме того, большую опасность представляют взрывы пылей в сахарном, мукомольном и некоторых др. производствах. Все это вызвало к жизни развитие методов пылеулавливания и туманоулавливания. Вместе с тем химический промышленость либо непосредственно использует аэрозольное состояние вещества в технол. процессах, либо производит продукты в аэрозольной форме для последующей их использования. Через аэрозольное состояние получают многие высокодисперсные продукты - наполнители, пигменты, катализаторы, компоненты высокоэнергетич. топлив. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значительной часть твердого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине и ветеринарии, для защиты посевов от с.-х. вредителей, обработки складских помещений, предотвращения выпадения града. Широкое применение в быту нашли аэрозольные баллончики - устройства, в которых жидкий препарат или суспензия выдавливается из резервуара и распыляется давлением хладона (см. Бытовая химия).

Термин "А." был впервые использован англ. химиком Ф. Дж. Доннаном в конце 1-й мировой войны для обозначения облаков, состоящих из частиц мышьяковистых соединение, применявшихся как отравляющие вещества немецкими войсками.

Химическая энциклопедия. Том 1 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
производство ручек из латуни
участки с домом на новой риге недорого
сколько стоит выпрямить вмятину на крыле
магазины кухонной утвари в спб

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(07.12.2016)