Даниловская Л. П. / Лекция 20. Аэрозоли
.docx
ЛЕКЦИЯ 20 КХ21
Тема лекции: «Микро-гетерогенные системы. Свойства аэрозолей»
Содержание темы: «Классификация и источники возникновения аэрозолей. Их свойства и значение для людей. Методы получения и разрушения аэрозолей».
Аэрозоли - это дисперсные микро-гетерогенные системы, в которых частички твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газовой дисперсионной среде.
К системам типа т/г относятся дым и пыль. Они состоят часто из одних и тех же частиц – золы, сажи, песка, серы и др.
Пылинки крупнее, чем частицы дыма. Пыль – это грубодисперсная, а дым – это высокодисперсная системы.
Системы типа ж/г называют туманами или облаками, т.е. это взвешенные в воздухе капельки воды.
Система, дисперсная фаза которой состоит одновременно из твердых и жидких частиц, называется «смог» - (т+ж/г).
В жизни людей большое значение имеют аэрозоли, находящиеся в атмосфере. Их источниками являются: космическая пыль; почва (пыльные бури из-за ветра); поверхность воды (в атмосферу переходит водяной пар, образующий облака). Это - естественные источники, которые возникают без участия человека.
Искусственными источниками являются выбросы промышленных предприятий и транспорт (за счет неполного сгорания топлива и за счет движения) и др.
За один год 1км2 Земной поверхности выбрасывает в атмосферу около 20 тонн раздробленной массы, которая превращается в аэрозоль. Такое количество частиц не может накапливаться в воздухе, т.к. аэрозоли седиментационно неустойчивы – частицы дисперсной фазы оседают в воздухе гораздо быстрее, чем в воде.
В атмосфере в результате седиментации укрупненных капель воды или кристалликов льда из облаков возникают осадки в виде дождя, снега, града. При оседании капли дождя захватывают более мелкие твердые частицы и образуют «смог». Так происходит процесс пылеподавления и разрушения атмосферных аэрозолей.
Примеры аэрозолей и их значение для людей:
военная техника – маскировочные дымы, отравляющие дымы и туманы;
промышленность – окраска изделий методом распыления лакокрасочных материалов; металлизация: распыление расплавленного металла на защищаемой от коррозии поверхности; распыление топлива с целью интенсификации процессов горения и др.;
в шахтах, при бурении горных пород, содержащих диоксид кремния, образуется пыль, вызывающая при дыхании «силикоз» легких;
угольная, сахарная, мучная и многие другие виды пыли весьма взрывоопасны;
«живые» аэрозоли – это бактерии, вирусы, споры, пыльца растений. Они вызывают аллергию, способствуют распространению инфекционных заболеваний. Для борьбы с ними используют ингаляцию лекарственных препаратов, диспергируемых при помощи аэрозольных упаковок.
Методы получения аэрозолей
Аэрозоли, как и другие микро-гетерогенные системы, получают двумя разными путями.
Конденсационные методы связаны с наличием пересыщенного пара, из которого конденсируются частицы дисперсной фазы. Один из примеров – видимое облачко тумана недалеко от носика кипящего чайника. Капельки тумана рассеивают свет, поэтому видимы глазом.
Кроме того, аэрозоли образуются в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих твердых продуктов:
- при сгорании топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к образованию топочного дыма;
- окисление металлов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химических процессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидов металлов.
Диспергационные методы. Аэрозоли образуются при измельчении, а затем распылении твердых и жидких тел в газовой среде. Такие аэрозоли нельзя приготовить заранее, их получают только в момент применения. В «аэрозольном баллоне» вещество упаковывается под давлением и распыляется при помощи сжиженных или сжатых газов.
Размер и форма частиц аэрозолей
Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 нанометра. Частицы коллоидной степени дисперсности имеют диаметр от 1 до 100 нм. Размеры частиц дисперсной фазы микро-гетерогенных систем (в тумане, облаках, дыме) находятся в интервале от 102 – 104 нм. Верхний предел размеров частиц аэрозолей строго не определен, но крупные частицы размером более 105 нм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.
Жидкие капли в аэрозолях всегда сферичны. Твердые частицы могут иметь самые различные формы:
- шарики и частицы, близкие к ним по форме;
- пластинки;
- волокна.
Молекулярно – кинетические свойства аэрозолей
Частицы аэрозолей находятся в броуновском движении, следствием которого является диффузия. Движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в растворах с жидкой дисперсионной средой (лиозолях). Сравнение диффузионного и седиментационного потоков приводит к следующим выводам. Из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы: первые вследствие прилипания к стенкам сосуда или слипания друг с другом (коагуляции), вторые – в результате оседания (седиментации) на дно.
Аэрозоли с частицами промежуточных размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не превышает 103 частиц в кубическом сантиметре.
Движение частиц аэрозолей в поле температурного градиента называется термофорезом, а осаждение частиц на твердых поверхностях в результате термофореза – термопреципитацией. Это явление наблюдается в тех случаях, когда вблизи горячих тел находятся холодные тела. Например, оседание пыли их воздуха на стенах и потолках вблизи радиаторов, ламп, труб, печей, а также работающих электроприборов. Термофорез - самопроизвольное движение частиц, оно происходит в направлении снижения температуры. Это обусловлено тем, что с «горячей» стороны на частицу налетают более быстрые молекулы газа и она смещается в «холодную» сторону.
С явлением термофореза связано перемещение космических частиц в мировом пространстве. В космогонических гипотезах термофорез – одна из возможных причин образования планет.
Методы разрушения аэрозолей
Механический метод:
а) если частицы крупные, то базовым процессом является седиментационное осаждение;
б) аэрозоли с более мелкими частицами фильтруют через войлок, бумагу и другие пористые материалы (например, дым от табака – через фильтр сигареты);
в) пыльный воздух и дым можно барботировать через слой жидкости;
г) примеси аэрозолей могут адсорбироваться встречным потоком распыленной жидкости. Для мокрого пылеулавливания используют скрубберы и др.
Пылеулавливание, основанное на действии инерционных сил, проводится с помощью центробежных отделителей, называемых циклонами.
Разрушение движущихся туманов происходит в результате коагуляции капелек под действием ультразвука.
Туманы представляют собой большой вред для автомобилей, самолетов и судов. Это связано с движением заряженных частиц аэрозолей, которое приводит к возникновению высоких напряжений и электрических разрядов. Последние создают серьезные помехи в работе управляющих и следящих устройств для транспорта. Пока нет эффективного решения проблемы разрушения туманов, возникающих в природных атмосферных условиях.
Электрический метод разрушения аэрозолей
Электрогазоочистка дымовых газов или устройство фильтра Коттреля.
Этот электростатический метод, основанный на явлении электрофореза, с успехом применяют для улавливания туманов и пыли во многих отраслях промышленности, но особенно - для улавливания частичек летучей золы из дымовых газов электростанций. Принцип метода состоит в следующем.
Аэрозоль (дым) пропускают между электродами, создающими электрическое поле поле высокого напряжения – порядка десятков тысяч вольт. Возникает коронный разряд, при котором катод (см. рисунок ниже) испускает огромное количество электронов. Они ионизируют молекулы газа. Образующиеся в результате анионы адсорбируются частицами золы. Далее отрицательно заряженные частицы золы быстро переносятся к аноду – стенке трубы с положительным зарядом. Со стенок камеры масса золы оседает на дно и собирается в специальном бункере.
В некоторых химических производствах так же производится улавливание распылённых в газе химических продуктов и ценных соединений, буквально улетающих в трубу, если не принять соответствующих мер очистки.
В технике такие приборы впервые применил Коттрель, поэтому часто электрофильтры называют коттрелями.
Вопросы 1 – 8 для самоконтроля к лекции 20 КХ по теме: «Микро-гетерогенные системы. Свойства аэрозолей»
Какие системы называют аэрозолями, как они обозначаются?
Назовите процессы, связанные с естественными и искусственными источниками возникновения аэрозолей.
Какие частицы образуют дисперсную фазу «живых» аэрозолей. Как подавляют их активность?
Приведите примеры получения аэрозолей двумя противоположными методами.
Укажите примерный размер частиц аэрозолей, обладающих максимальной устойчивостью. Что происходит с другими частицами?
Поясните, какие последствия термофореза можно наблюдать на потолке, над люстрой в обычной жилой квартире.
Какие методы разрушения аэрозолей используют в технике?
Изложите принцип устройства фильтра Коттреля.