27.5.3. Аэрозоли

Аэрозоли широко распространены в природе. Облака и ту­чи, цветочная пыльца, семена и споры растений, а также оби­тающие в воздухе микроорганизмы и вирусы - все это аэрозо­ли, наполняющие воздушную среду, окружающую человека. Строго говоря, атмосфера Земли представляет собой огромную разнообразную аэродисперсную систему.

Аэрозолями называются дисперсные системы, в кото­рых дисперсионной средой является газ (воздух), а дис­персная фаза представлена твердыми или жидкими частицами с размерами 10^-7-10^-4 м.

Аэрозоли с жидкой дисперсной фазой называются туманами, а с твердой дисперсной фазой - дымами (размер частиц 10^-7-10^-6 м) или пылями (10^-6-10^-4 м).

Основные источники образования аэрозолей:

• природные аэрозоли - туманы, различные дымы и пыли;

• выбросы мелкодисперсных частиц промышленными пред­приятиями, авто- и авиатранспортом, а также новые аэрозольные частицы, образующиеся за счет взаимодействия выбрасываемых в воздух веществ между собой, с компонентами атмосферы и под действием солнечной радиации. К последним относятся различ­ные смоги: токсический, фотохимический (разд. 14.1.1, 14.1.2);

• биологические аэрозоли - сложные системы, в состав ко­торых входят вирусы и бактерии, адсорбированные на поверх­ности твердых или жидких частиц дисперсной фазы;

- аэрозоли, получаемые искусственным путем для практи­ческого использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

Аэрозоли, как и другие виды дисперсных систем, могут быть получены методами диспергации и конденсации. Соответственно различают диспергационные и конденсационные аэрозоли.

Конденсационный способ образования аэрозольных частиц может осуществляться двумя путями: гомогенной или гетеро­генной конденсацией.

В основе гомогенной конденсации лежит образование твердых или жидких частиц из одинаковых молекул. В процессе теплового движения за счет межмолекулярных сил из нескольких молекул могут образоваться ассоциаты, называемые кластерами.

Кластерами называются строго упорядоченные молеку­лярные ассоциаты, возникающие в гомогенной системе и включающие от нескольких до сотен и тысяч молекул.

Другими словами, кластеры - это надмолекулярные струк­туры. Время жизни малых кластеров очень мало. Вероятность их распада обычно больше, чем вероятность роста. Такие кла­стеры принято называть "мерцающими". Понижение темпера­туры создает условия для увеличения размера кластеров. С уве­личением же размера кластеров растет и их стабильность, по­скольку суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия внутри кластера при этом становится больше.

Размер кластера, при котором вероятность его роста становится равной вероятности распада, называется критическим.

Если размер кластера превысит критический, то кластер ста­новится стабильным образованием, характеризующимся опреде­ленным фазовым состоянием, т. е. жидкой или твердой аэро­зольной частицей.

Кластеры могут возникать и существовать не только в газо­образной среде, но и в жидкостях, и в твердых телах, а также на их поверхности. Кластерное состояние вещества по физико-химическим параметрам отличается как от газообразного со­стояния, так и от конденсированного. Его можно рассматривать как переходную стадию при гомогенной конденсации с образо­ванием аэрозолей в виде облаков и туманов.

В основе гетерогенной конденсации аэрозольных частиц ле­жит межмолекулярное взаимодействие молекул газа или жид­кости с поверхностью уже существующих твердых или жидких микрочастиц. Такая микрочастица играет роль ядра, на по­верхности которого адсорбируются молекулы газа (пара). В ре­зультате гетерогенной конденсации обычно образуются аэро­зольные частицы, более сложные по химическому составу, чем при гомогенной конденсации. Примером может служить обра­зование токсического смога из молекул SO2, паров воды (тума­на) и мельчайших твердых частиц несгоревшего углерода или оксидов металлов (дыма).

Диспергационные методы получения аэрозолей связаны с из­мельчением твердых тел или распылением жидкостей. В природ­ных условиях диспергационные аэрозоли образуются в результа­те вулканических и других взрывов.

Среди искусственных методов наиболее распространен способ пневмораспыления жидкостей, при котором жидкость под не­большим давлением продавливается через отверстия малого диа­метра, например на выходе из пульверизатора. При этом образу­ются мельчайшие частицы жидкости, взвешенные в газообразной среде. Если распылять суспензии или растворы и одновременно подвергать их сушке, то получаются твердые аэрозольные части­цы. Такой способ широко используется в промышленности, на­пример для получения молочного порошка, растворимого кофе, стирального порошка и др.

Свойства аэрозолей в большой степени определяются свой­ствами газообразной дисперсионной среды.

По оптическим свойствам аэрозоли похожи на коллоидные растворы (лиозоли): для них также характерно светорассеяние. Но из-за большой разницы в показателях преломления света дисперс­ной фазы и дисперсионной среды светорассеяние в аэрозолях про­является значительно ярче, и они дают более четкий конус Тиндаля, чем лиозоли. Благодаря способности рассеивать свет аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, уменьшают интенсив­ность солнечной радиации, попадающей на поверхность Земли.

Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей имеют ряд осо­бенностей, которые также связаны с сильноразреженной газовой фазой, представляющей дисперсионную среду. Для них характерны явления термофореза, фотофореза, термопреципитации. Термофорезом называется движение частиц аэрозоля в направлении от теплового источника. Термофорез можно объяснить тем, что с более нагретой сто­роны твердой или жидкой частицы молекулы газа приобретают большую скорость, так как обладают большей кинетической энергией, сообщая при этом аэрозольной частице импульс в на­правлении понижения температуры.

Фотофорезом называется направленное движение аэро­зольных частиц под действием светового излучения. Фотофорез является частным случаем термофореза. Он обу­словлен неравномерным нагревом частиц дисперсной фазы и дис­персионной среды, главным образом из-за различной их способ­ности поглощать свет.

Термофорез и фотофорез имеют большое значение в процессе движения атмосферных аэрозолей, например при образовании облаков, токсического и фотохимического смога.

Термопреципитацией называется осаждение аэрозоль­ных частиц на холодных поверхностях вследствие по­тери ими кинетической энергии при соприкосновении с такими поверхностями. Осаждение пыли на стенах и потолке вблизи печей, радиато­ров отопления, электронагревателей объясняется явлением тер­мопреципитации. В газовой среде частицы дисперсной фазы, как правило, не имеют заряда и сольватных оболочек. В то же время в естествен­ных условиях под действием космических лучей и радиоактив­ного излучения Земли происходит ионизация газообразных мо­лекул, главным образом молекул кислорода, в результате чего образуются положительные (O2(+)) либо отрицательные (О2(-)) ионы, так называемые легкие ионы. Эти ионы могут адсорбироваться на поверхности аэрозольных частиц, сообщая им заряд.

Легкие ионы и заряженные аэрозольные частицы, попадая в организм человека, оказывают определенное физиологическое воздействие на него. При этом важное значение имеют химическая природа носителя заряда, количество заряженных частиц в воздухе и знак заряда этих частиц. Считается, что отрица­тельно заряженные ионы полезны для организма, а положительно заряженные, наоборот, вредны, что, по-видимому, объ­ясняется отрицательным зарядом поверхности многих клеток и тканей организма, например эритроцитов крови.

Аэрозоли - системы, в принципе, нестабильные. Частицы не только могут осаждаться под действием сил гравитации, но и способны к коагуляции. Как и в коллоидных растворах, в аэрозолях различают два вида устойчивости: седиментационную и агрегативную. Седиментационная устойчивость, несмотря на от­носительно крупные размеры аэрозольных частиц, обеспечивает­ся высокой интенсивностью броуновского движения этих частиц в газовой среде. Вместе с тем агрегативная устойчивость аэрозо­лей гораздо меньше, чем коллоидных растворов, что связано с отсутствием сольватных оболочек на поверхности аэрозольных частиц, которые могли бы создавать расклинивающее давление между частицами при их сближении. Поэтому столкновение частиц, как правило, приводит к их слипанию - коагуляции.

Скорость коагуляции зависит от заряда аэрозольных час­тиц. При разноименных электрических зарядах она резко воз­растает, в то время как одноименные заряды препятствуют коа­гуляции. Сильное электрическое поле способствует коагуляции незаряженных аэрозольных частиц, так как под действием по­ля частицы поляризуются, в результате чего увеличивается вероятность их столкновения и слипания.

В основе очистки окружающего нас воздуха от загрязняющих его аэрозолей лежат главным образом явления адсорбции, коагу­ляции и седиментации. Для этого используют различные способы, в зависимости от размеров аэрозольных частиц и их заряда.

1. Если частицы достаточно крупны, то очищаемый воздух пропускают через центрифуги, циклоны и фильтры, где под дей­ствием центробежных и гравитационных сил частицы оседают.

2. Для очистки воздуха от мелких частиц, несущих электри­ческий заряд, используют электрофильтры. Очищаемый воздух пропускается сквозь сетчатые фильтры, на которые подаются по­очередно положительный и отрицательный заряды. При этом частицы аэрозоля теряют свой заряд, их агрегативная устойчи­вость уменьшается, что приводит к слипанию частиц и оседанию на фильтре.

3. Чтобы очистить воздух от мелких частиц, не имеющих электрического заряда, необходимо предварительно провести ио­низацию воздуха, а затем пропустить его через электрофильтры.

Различные промышленные производства и современные виды транспорта выбрасывают в атмосферу громадные количества вред­ных веществ в виде дымов, пыли и туманов, которые загрязняют окружающую человека среду, уничтожают растительность и на­носят вред здоровью людей и животных. Некоторые аэрозоли, со­держащие даже инертные в химическом отношении вещества в виде мельчайших твердых и жидких частиц, попадая в дыха­тельные пути, вызывают легочные заболевания, а также раз­личные виды аллергии. Грубые частицы пыли, размером свыше 5 • 10^-6 м, при дыхании через нос в легкие не попадают, осаж­даясь в каналах носоглотки. Частицы размером (2-5) • 10^-6 м задерживаются в носоглотке на 90 %, частично попадая в верх­ние дыхательные пути и в бронхи, где осаждаются, обволакива­ются слизью, а затем удаляются через верхние дыхательные пу­ти. Частицы же меньших размеров, менее (1-2) • 10^-6 м, прони­кают в альвеолы легких, где могут осаждаться. Более 50 % частиц, попавших в альвеолы, выстилают их поверхность, бло­кируя кислородный обмен и нарушая дыхательную функцию легких. Когда частицы, микроорганизмы или вирусы попадают в альвеолы, их растворимые части всасываются в кровь, оказы­вая вредное воздействие на организм в случае поступления в него токсичных веществ. Вредное действие могут оказывать также и нерастворимые нетоксичные частицы.

Болезни, вызываемые действием различных пылей на легкие, называются пневмокониозами. В зависимости от природы пыли различают много видов пневмокониозов: силикоз (кварцевая пыль, Si0₂), антракоз (угольная пыль, С), асбестоз (асбестовая пыль, Mg3[Si₂0₅](OH)4) и др. Пыли, вызывающие пневмокониозы, как правило, относятся к диспергационным аэрозолям. Не меньшую опасность для здоровья людей представляют и кон­денсационные аэрозоли, особенно аэрозоли металлов и оксидов металлов, образующиеся в металлургии при обогащении руд и разливке расплавленных металлов. Установлено, что кластеры металлов, образующиеся при их горячей разливке, подобно ви­русам способны проникать сквозь клеточные мембраны и на­рушать жизнедеятельность клеток.

В последнее время особое внимание медиков привлекают аэрозоли, содержащие цветочную пыльцу, вирусы, различные микроорганизмы, поскольку они являются источником острых аллергических заболеваний у людей. Вместе с тем в современ­ной медицине специально получаемые аэрозоли широко ис­пользуют для дезинфекции помещений и лечения многих заболеваний: ингаляция антибиотиков и других лекарственных средств, аэрозольная вакцинация, обработка ран, ожогов, эро­зий, мелких травм.