Розміри частинок димів і туманів

Методи одержання аерозолів

Як і будь-які дисперсні системи, аерозолі можуть бути утворені двома методами – конденсаційним і диспергаційним. До конденсаційного метода відносяться виникнення туману при охолоджені насиченого пару. Процес конденсації пари залежить від ряду факторів. Перш за все - від ступеня пересиченості пари, тобто від відношення її пружності до пружності насиченої пари при тій же температурі. Чим вища ступінь пересиченості, тим менший час проходження конденсації. Другою необхідною умовою є наявність центрів конденсації, роль яких можуть відігравати дрібні тверді або рідкі частинки, навіть йони газів.

Хімічні процеси, що призводять до утворення аерозолів, різноманітні, але суть їх полягає в тому, що газоподібні речо­вини в результаті реакцій дають тверді або рідкі продукти, які мають дуже малу пружність пари.

Метод конденсації дає змогу створювати тонкодисперсні і відносно однорідні за ступенем дисперсності аерозолі. Так, аерозолі утворюються при конденсації перенасиченої пари або в результаті хімічних реакцій. Наприклад, при конденсації молекул хлористого амонію, продукту реакції:

NH₃ + HCl = NH₄Cl,

утворюється дим. При згорянні магнію утворюється дим, що складається з магній оксиду:

2Мg + 0₂ = 2МgО

Внаслідок конденсації парів води при охолодженні атмосферного повітря виникають хмари і тумани. Звичайно аерозолі, що утворилися конденсаційним методом, тонкодисперсні та однорідні за розмірами частинок.

При диспергаційних методах одержання аерозолів тверді або рідкі речовини подрібнюють механічним шляхом (подрібнення вибухом, розпилення рідин у фор­сунках, пульверізація та ін.), а потім тверді частинки або рідкі крапельки розподіляються в газі. Так утворюється пил з борошна на млинах, пил цукрової пудри і порошку какао на кондитерських підприємствах. Методами диспергування одержують полідисперсні і седиментаційно нестійкі дими і тумани (розмір частинок більше 10^-6м).

У природі аерозолі утворюються також диспергуванням твердих тіл при обвалах, виверженнях вулканів, вивітрюванні та ерозії ґрунтів.

Властивості аерозолів

Аерозолі – як правило агрегативно нестійкі системи, бо взаємодії між поверхнею твердих або рідких частинок і газовим середовищем практично немає. Але таким системам – з газоподібним дисперсійним середовищем, можна надати агрегативну стійкість, для чого необхідно штучно нада­ти їм високий електричний заряд, в результаті їх частинки не будуть з'єднуватись. Це єдиний шлях стабілізації дисперсних систем з газоподібним дисперсійним середовищем.

У частинок аерозолів немає ПЕШ, але в певних умовах вони мають електричний заряд (електризація тіл). Експериментально встановлено, що частинки аерозолів металів та їх оксидів несуть негативний заряд, частинки неметалів заряджені позитивно. Позитивно заряджені частинки аерозолю крохмалю, негативно – частинки борошна.

Електризація частинок може відбутися при одержанні аерозолів методом диспергування, причому крупні і дрібні частинки мають заряди протилежних знаків.

Від розмірів частинок суттєво залежать властивості аерозолів. Колоїднодисперсні аерозолі (з розмірами частинок менше 10^-7м) кінетично (седиментаційно) досить стійкі, бо швидкість дифузії і броунівський рух частинок перешкоджає їх осіданню.

Аерозолі з більшими розмірами частинок відносять до мікрогетерогенних систем – вони кінетично нестійкі і порівняно швидко осідають. Будь-які чинники, що збільшують частоту зіткнень частинок аерозолю (нагрівання, механічне перемішування, ультразвук, конвекційні потоки) сприяють прискоренню коагуляції.

В аерозолях великих об’ємів, наприклад в хмарах, поступово може відбутися розділення частинок по висоті. Більш важкі частинки концентруються в ніжній частині об’єму, більш дрібні – в верхній. Так як ці частинки несуть протилежні по знаку заряди, то виникає електричне поле високої напруженості. Якщо напруженість поля буде більше, ніж 300 В/см, то можливий пробій повітря, тобто блискавка. В результаті цього створюються перешкоди радіолокації та роботі радіоуправляючих пристроїв. Умови утворення зародків рідкої чи твердої фази важливі для метеорології, створення штучного дощу.

Аерозолі розсіюють світло і підпорядковуються рівнянню Реллея. В зв’язку з тим, що червоні промені розсіюються найменше в тумані, червоне світло вибране як аварійне. Для грубодисперсних аерозолів з розмірами частинок співрозмірними з довжиною хвилі світла, має місце накладання явищ відбивання і розсіювання світла, і інтенсивність розсіяного світла майже не залежить від довжини хвилі. Це означає, що хвилі різної довжини розсіюються більш-менш однаково, а тому такі дими і тумани виглядають білими.

Аерозолі органічних речовин – цукру, борошна – вибухонебезпечні. В кулінарному виробництві негативне значення має дим, що утворюється на кухні, так званий кухонний чад. Очищення повітря від таких аерозолів – одна з найважливіших задач техніки безпеки.

Аерозолі в народному господарстві, природі та техніці

Аерозолі в харчовій промисловості відіграють як позитив­ну, так і негативну роль. В одних процесах аерозолі сприяють більш повному використанню продуктів, в інших - їх утворен­ня призводить до втрати сировини.

Після розпилювання емульсій або суспензій, в утворений аерозоль вводять потік гарячого газу, здійснюючи так звану «розпилювальну сушку». Її застосовують для добування сухо­го молока, розчиненої кави та інших продуктів. При коптінні м'ясних та рибних продуктів використовують дим, який надає цим продуктам відповідний смак.

При виробництві продуктів харчування, їх зберіганні та транспортуванні утворюється пил. У залежності від джерела аерозолю цей пил може бути неорганічний, органічний або змішаний. До органічних відносяться: рослинний (крохмальний, борошняний, цукровий, чайний, тютюновий та ін.) і тва­ринний (кістковий, шерстяний та ін.) пил. Пил неорганічного походження утворюється, наприклад, при переробці насіння соняшника (в ньому міститься понад 20 хімічних елементів).

Борошно, крохмаль, цукор у вигляді пилу можуть вибухати (пірофорні властивості). Температура самозаймання борошна різних сортів лежить в межах 1023-1148К, а для аерозолів бу­рякового цукру вона складає 798К. Самозаймання зумовлене великим надлишком поверхневої енергії, швидким окисненням поверхні аерозольних частинок.

Таким чином, аерозолі, утворені із легкозаймистих речовин, поводять себе, як суміші горючого газу у повітрі. При певній концентрації вони сприяють розповсюдженню полум'я, а в замкнутому просторі можуть викликати вибух.

Мінімальну концентрацію пилу, яка може призвести до спалахування, визначають дослідним шляхом. Так, наприклад, для деяких харчових мас в аерозольному стані вона становить: борошна - 52г/м³, глюкози - 225г/м³, комбікормів - 272-300г/м³, пшеничних висівок - 150г/м³, крохмалю - 58-98г/м³, цукру - 66г/м³, какао-порошку- 03г/м³, сухого молока - 94-103г/м³, картопляного борошна - 225г/м³, соєвого борошна - 66г/м³.

Крім вибухонебезпечності, аерозолі харчових мас мають токсичну дію. Так, борошняний пил, особливо під час утворен­ня, може викликати такі хвороби, як астма та коньюктивіт.

Аерозолі широко застосовують у сільському господарстві, медицині, косметиці, техніці, в побуті.

Застосування аерозолів у сільському господарстві для захисту рослин від шкідників і хвороб, для знищення бур’янів забезпечує рівномірне нанесення препаратів, а отже більшу ефективність дії, що дозволяє істотно зменшити витрату отрутохімікатів. Димові завіси застосовують у садівництві для захисту квітучих плодових дерев від весняних заморозків.

Значну економію матеріалів і кращу якість покриття дає застосування аерозолів для фарбування та лакування споруд, деталей, виробів.

Аерозолі широко використовуються і в медицині: всім відома ефективність інгаляцій – вдихання розпилених у повітрі лікарських препаратів.

У воєнній справі димові завіси використовують для маскування переміщень воєнних підрозділів.