Аэрозоли
Friday, November 25, 2005 Sunday, March 06, 2005 2004 Sunday, February 20, 2005
10.6. Системы с газообразной дисперсионной средой
(аэрозоли и порошки)
Системы с газообразной дисперсионной средой представляют обширный класс дисперсных систем, многие из которых являются продуктами питания или широко используются в быту и промышленности. Классификация этих систем, соответствующие определения, часто используемые способы получения и примеры аэрозолей и порошков приведены в таблице 10.6.
Таблица 10.6
Определения, способы получения и примеры аэрозолей и порошков
Определение | Способ получения | Примеры |
Дым, | ||
Седиментационно устойчивая двухфазная система Т/ Г с частицами дисперсной фазы коллоидной степени дисперсности | конденсация, химические реакции | продукты сгорания |
Пыль | ||
Седиментационно неустойчивая двухфазная система, Т/Г с частицами дисперсной фазы микрогетерогенной степени дисперсности | диспергирование, осаждение дыма | мука, крахмал, сахарная пудра, микроорганизмы |
Порошки | ||
Седиментационно неустойчивая грубодисперсная двухфазная система Т/Г, у которой между частицами твердой дисперсной фазы могут возникать силы аутогезии | диспергирование, осаждение дыма и пыли | молотые пищевые продукты: сахар, специи |
Туман | ||
Седиментационно неустойчивая двухфазная система Ж/Г с частицами дисперсной фазы микрогетерогенной степени дисперсности | конденсация, диспергирование, распыление | бытовые и пищевые аэрозоли (спреи) |
Смог | ||
Седиментационно устойчивая система Ж+Т/Г, с твердыми и жидкими частицами дисперсной фазы переменной степени дисперсности (от коллоидной до микрогетерогенной). | диспергирование, конденсация | продукты, возникающие при жарке жиров, городской смог[*] |
Жидкая аэрозольная пена, Г+Ж/Г | ||
Седиментационно устойчивая система Г+Ж/Г, дисперсная фаза которой представлена ячейками пены микрогетерогенной степени дисперсности | диспергирование распылением | бытовые аэрозоли |
Представленные в таблице системы методически удобно рассматривать, выделив аэрозоли и порошки, что и сделано в настоящем пособии.
10.6.1. Аэрозоли
Аэрозоли - системы с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой подвижной дисперсной фазой.
Аэрозоли объединяют седиментационно-устойчивые дымы и туманы коллоидной степени дисперсности (поперечник частиц дисперсной фазы примерно равен 100 мкм и меньше, а также седиментационно неустойчивые микрогетерогенные системы с газовой дисперсионной средой, включая пыль.
Классификация аэрозолей по размеру частиц дисперсной фазы
Место разных видов аэрозолей в общей классификации дисперсных систем по размеру поперечника а частиц дисперсной фазы показано на рисунке 10.13.
Рис. 10.13. Классификация аэрозолей по размеру
поперечника а частиц дисперсной фазы.
Аэрозоли следует отличать от порошков. Последние являются грубодисперсными седиментационно неустойчивыми системами типа Т/Г с частицами твердой дисперсной фазы, между которыми возникают силы аутогезии.
Специфические свойства аэрозолей
Специфические свойства аэрозолей связаны, прежде всего, с особенностями дисперсионной среды газа: его низкой вязкостью и малой электропроводностью. Малая вязкость дисперсионной среды способствует быстрой седиментации частиц и разрушению аэрозоля.
Характер движения частиц зависит от их плотности и размеров. Частицы коллоидных размеров и отчасти более крупные частицы находятся в постоянном хаотическом броуновском движении. Это определяет их седиментационную устойчивость. Тяжелые частицы не могут длительное время находиться во взвешенном состоянии и седиментируют.
Концентрация и размеры частиц аэрозолей меняются в некоторых пределах. В реальных аэрозолях концентрация дисперсной фазы обычно составляет не более 10-6 - 10-8 частиц/см3. Размер частиц аэрозолей, как правило, находится в пределах 10-3 - 10-5 см. Более мелкие частицы исчезают в результате изотермической перегонки, а более крупные оседают.
В зависимости от соотношения интенсивности броуновского движения и седиментации любой аэрозоль характеризует распределение частиц по высоте. Это распределение описывается уравнением гипсометрического закона (3.29), которое для аэрозолей можно представить в следующем виде[1]:
( 10. 13)
где h - перреновская высота; k - постоянная Больцмана; no и nh - частичные концентрации, соответствующие высотами h=0 и h; g - ускорение силы тяжести; m - масса частицы.
Для малых частиц величина h значительно превышает их радиус.
Любые частицы легко вовлекаются в транспортные потоки, которые могут быть организованы конвекцией газа, наличием в дисперсной системе градиентов температуры или концентрации. Градиенты температуры и концентрации вызывают транспортные явления известные под названием термо - и диффузиофорез. Эти явления аналогичны подобным явлениям в системах с жидкой дисперсионной средой, но характеризуются более высокими скоростями транспорта частиц, что связано с малой вязкостью газовой среды. Аэрозоли хорошо рассеивают свет. Поэтому измерения светорассеяния и поляризации рассеянного света используют для определения размеров частиц и их распределения по размерам.
Характерной особенностью частиц аэрозолей является наличие у них слабого заряда при отсутствии двойного электрического слоя. В отличие от лиозолей заряд на частицах аэрозоля является случайной величиной, поскольку определяется случайными столкновениями частиц с ионами в газах. Средний заряд на частице намного ниже, чем на частицах гидрозоля. Как правило, у частиц одного золя величина и знак заряда различаются. Поэтому в одной системе всегда присутствуют как отрицательные, так и положительные, а также нейтральные частицы.
Факторы устойчивости аэрозолей
Аэрозоли обладают чрезвычайно малой агрегативной и некоторой кинетической устойчивостью, от которой в основном и зависит длительность их существования.
Агрегативную устойчивость определяют преимущественно такие факторы, как: электрические заряды на частицах дисперсной фазы, воздушные оболочки, адсорбционные слои посторонних веществ. Действие этих факторов очень мало.
Кинетическую устойчивость обуславливает интенсивное броуновское движение частиц дисперсной фазы. Броуновское движение частиц в аэрозоле, описывают те же законы, которые известны для остальных коллоидных систем. Но при определенных условиях на броуновское движение накладываются некоторые специфические для аэрозолей эффекты, связанные с большой подвижностью газовой среды. В ней легко возникают конвекционные потоки. Поэтому наблюдать броуновское движение в аэрозолях в чистом виде практически невозможно. Вместе с тем столкновения частиц между собой при броуновском движении приводит к их коагуляции.
Порошки
Традиционно к порошкам относят сыпучие материалы с размером частиц дисперсной фазы 1-100 мкм. Высокодисперсные порошки образуют аэрозоли. Поэтому четкой границы между этими классами дисперсных систем нет. Между частицами дисперсной фазы в порошках возникают силы аутогезии. В том случае, когда эти силы настолько велики, что образуется некоторая структура, порошки относят к "связанным". В противном случае говорят о "несвязанных" порошках. Напряжение сдвига в связанных порошках определяется суммарным действием аутогезии и трения между частицами, а в несвязанных – только трением. На практике связанные порошки легко отличить от несвязанных по хорошей слеживаемости и комкованию. Причинами слеживаемости могут явиться различные факторы. В том числе: увлажнение с последующим высушиванием продукта, повышенное давление верхних слоев порошка, температурный режим и другие.
Структурно- реологические свойства порошков можно регулировать в широких пределах, меняя межфазную поверхность физическими, физико-химическими методами или добавками ПАВ. Например, под действием воздушного потока порошки легко перевести в состояние аэрозоля или, повышая степень дисперсности механическим истиранием, нетрудно превратить несвязанные порошки в связанные.
Практическое значение аэрозолей и порошков
С одной стороны в промышленности, в быту в виде аэрозолей и порошков перерабатывают и используют различное сырье или пищевые продукты, с другой стороны – это вредные, опасные для окружающей среды и здоровья агенты. В частности большую опасность представляют взрывы пылей в сахарном и мукомольном производствах.
В сельском хозяйстве аэрозолями выполняют искусственное дождевание и опрыскивание ядохимикатами. В медицине и быту нашли распространение аэрозольные формы лекарственных препаратов и препаратов бытовой химии.
В пищевой промышленности аэрозоли широко используют при распылительной сушке продуктов. Способ заключается в распылении жидкости, например молока, в потоке горячего газа. При копчении мясных и рыбных продуктов используют дым.
В природе аэрозоли обуславливают практически все метеорологические явления. С конвективными потоками воздушных масс аэрозоли могут быть перенесены на значительные расстояния. Считается естественным, например, перемещение пылевых вихрей, движение туч. Серьезные проблемы, создают аэрозольные выбросы промышленных предприятий в атмосферу Земли. Не являются исключением предприятия пищевой промышленности. Так строения и местность вблизи мукомольных предприятий обычно покрыты мучной пылью. Поэтому защита от аэрозолей и порошков часто необходима для решения вопросов экологии.
Контрольные вопросы
1. Что такое аэрозоли? Какие факторы определяют агрегативную устойчивость аэрозолей?
2. Какие факторы определяют седиментационное равновесие в аэрозолях? Что такое гипсометрическая высота?
3. Определите средний квадратичный сдвиг частиц мучной пыли радиусом 10-7 м при 20 оС за 10 с. Вязкость воздуха примите равной 1,7×10-5 Па×с.
4. Определите скорость осаждения частиц аэрозоля, имеющих плотность 1,4×103 кг/м3 и радиус 5×10-7 м. Вязкость воздуха примите равной 1,7×10-5 Па×с. Плотность воздуха можно не учитывать.
5. Охарактеризуйте основные транспортные явления, возникающие в аэрозолях.
[*] Городской смог состоит из влажных испарений, пасыщенных вредными твердыми, газообразными и жидкими отходами промышленного производства, продуктами выхлопа транспортных средств, мельчайшими частицами дорожной пыли и других веществ.
[1] Формула применима для расчетов высоты, на которую надо подняться, чтобы численная или массовая концентрация уменьшилась в nо/nh раз. Оценки можно выполнять для любой свободнодисперсной системы.
