9.4. Аэрозоли

Аэрозоли  дисперсные системы, состоящие из мелких частиц, взвешенных в воздухе или другом газе.

Аэрозоли играют исключительно важную роль в метеорологии (атмосферные явления), в геологии (образование и разрушение почв из пыли, переносимой ветром  лёссовых почв, выветривание горных пород), в сельском хозяйстве (искусственное дождевание, борьба с вредителями), в экологии (проблемы очистки воздушной среды от загрязнений, как естественных – в результате пыльных бурь, извержений вулканов, - так и антропогенных), в авиации, а также во многих других областях деятельности.

В медицине аэрозоли используются для аэрозольной терапии, которая имеет ряд преимуществ перед традиционными формами применения лекарств. Главное из них заключается в высокой дисперсности и легкой подвижности частиц дисперсной фазы  факторов, значительно повышающих фармакологическую активность лекарств. К ним относятся средства для лечения простудных и других заболеваний дыхательных путей, симптоматические средства, облегчающие приступы бронхиальной астмы, эмфиземы легких и т. п.

Согласно принятой классификации аэрозоли подразделяют на следующие классы:

	Обозначение	Размеры частиц, м
Туманы	Ж/Г	0,1106  10106
Дым (конденсационные аэрозоли)	Т/Г	0,001106  10106
Пыль (диспергационные аэрозоли)	Т/Г	10106

Туманы имеют жидкие частицы сферической формы, тогда как твёрдые частицы пылей и дымов могут иметь самые различные формы. Искусственно получаемые аэрозоли с жидкими частицами иногда называют английским термином «спрей». Часто, особенно вблизи промышленных предприятий – химических заводов, тепловых электростанций и др., - в воздухе образуется аэрозоль, содержащий одновременно и твёрдые, и жидкие частицы – смог (от англ. smoke – дым и fog – туман).

Подобно многим дисперсным системам, аэрозоли могут образовываться как путём конденсации, так и путём диспергирования.

Конденсационное образование аэрозолей является основным природным и техническим процессом образования высокодисперсных систем. В первую очередь следует упомянуть возникновение таких атмосферных аэрозолей, как туман и облака. Главным механизмом их образования является физическая конденсация водяного пара в результате пересыщения, которое происходит при значительном охлаждении воздуха. К природным конденсационным аэрозолям относятся и высокодисперсные дымы от лесных пожаров и от извержений вулканов. Следует помнить, что в чистом виде природные конденсационные дымы получаются редко, так как в большинстве случаев они находятся в смеси с пылями, образующимися при диспергировании различных веществ – горных пород, золы и т. п. Антропогенными конденсационными аэрозолями являются промышленные дымы, автомобильные, тракторные и др. выхлопы, дымы от костров и пожаров и др.

Аэрозоли, образующиеся в процессах диспергирования, как правило, имеют сравнительно крупные частицы и обладают большей полидисперсностью, чем аэрозоли, образующиеся в процессах конденсации. Тем не менее, диспергационные методы получения аэрозолей, в особенности с жидкими частицами, используются достаточно широко. Это, например, разбрызгивание форсунками, распылителями и пульверизаторами жидкого топлива, ядохимикатов, лаков и красок, парфюмерных и косметических средств, лекарственных веществ в ингаляториях и т. п. Примером аэрозоля, образующегося природным распылением, может служить тончайшая водяная пыль, стоящая над водопадами, или возникающая при разбивании морских волн о берег, а также при уносе ветром брызг с гребней штормовых волн. Капли этой пыли при этом из-за испарения быстро теряют воду и в результате в морском воздухе присутствует аэрозоль с твёрдыми частичками морской соли. Именно этот аэрозоль придаёт целебные свойства приморским местностям. Аналогичный солевой аэрозоль имеется в воздухе соляных копей. По этой причине во многих местах мира в соляных шахтах устраиваются подземные санатории для лечения лёгочных заболеваний. Диспергационные аэрозоли могут возникать и как побочный продукт различных процессов, например, истирания дорожных покрытий и шин автомобилей, дробления твёрдых материалов, пересыпания порошков. Сюда же можно отнести пыли, образующиеся при военных и мирных взрывах, пожарах и т. п.

В настоящее время в большинстве областей народного хозяйства, в том числе и в медицине, широко используются специальные устройства для быстрого приготовления аэрозолей  аэрозольные упаковки (баллоны).

Аэрозольная упаковка состоит из баллона (металлического, стеклянного или пластмассового), клапана, сифонной трубки и распылительной головки, поверх которой обычно надевается предохранительный колпачок. Клапаны бывают постоянного действия и дозирующие; распылительные головки могут давать крупно- или мелкокапельные аэрозоли, а также пены. Баллон заполняется жидкой смесью, содержащей активные вещества (применительно к фармации  лекарственные), вспомогательные вещества и растворители. Вспомогательные вещества помогают получать распылённые смеси в виде аэрозоля, пены, плёнки и др. Как правило, это ПАВ различной природы. Кроме этой смеси в баллон под давлением закачиваются газыраспылители (пропелленты).

В качестве пропеллентов применяются азот, N₂O, СО₂, легко сжижающиеся углеводороды, например, пропан и бутан и др. Длительное время во всём мире в подавляющее большинство аэрозольных баллонов в качестве пропеллентов вводились фреоны (хладоны).

Фреоны  это полностью или частично фторированные газообразные или жидкие производные углеводородов, часто содержащие также атомы Сl, реже Br. Они негорючи, взрывобезопасны, химически мало активны, практически безопасны для здоровья. Применяемый в каждой данной упаковке фреон обозначается шифром, представляющим собой трёхзначное число, соответствующее его брутто-формуле. Если первая цифра равна нулю, её обычно опускают. В этом шифре 1-я слева цифра  число атомов углерода минус 1; 2-я  число атомов водорода плюс 1; 3-я  число атомов фтора. Если фреон содержит атомы Cl, то их наличие в формуле не отражается, но при написании химической формулы оставшиеся свободными связи «насыщаются» хлором. Например, дифтордихлорметан CF₂Cl₂ называется фреоном12, тетрафтордихлорэтан C₂F₄Cl₂  фреоном-114. Названия циклических фреонов включают букву С, например, перфторциклобутан C₄F₈  фреон-С318. Для получения медицинских аэрозолей наиболее часто применялись фреоны 11, 12, 114.

Фреоны являются хорошими пропеллентами, дающими очень тонкодисперсные аэрозоли. К тому же из-за лёгкости сжижения они очень технологичны. Однако из-за возможного разрушающего действия на озоновый слой атмосферы принята международная конвенция, запрещающая их применение. Поэтому принимаются меры для постепенного перехода от фреонов к другим, менее вредным для атмосферы пропеллентам.

Газовая дисперсионная среда вносит ряд своеобразных черт в свойства аэрозолей. Прежде всего, это их принципиальная лиофобность и отсутствие эффективных путей стабилизации. На поверхности аэрозольных частиц не образуется двойной электрический слой, служащий одним из главных факторов устойчивости в лиозолях. Поэтому аэрозоли агрегативно неустойчивы. Коагуляции или коалесценции в них препятствует, главным образом, малая частичная концентрация, а также энтропийный фактор и рассеяние частиц в пространстве воздушными потоками. При больших концентрациях, как, например. В дождевых облаках, капли тумана из-за частых столкновений коалесцируют, что приводят к пролитию дождя.

Вследствие большой разницы в плотностях дисперсной фазы и газовой среды аэрозоли седиментационно неустойчивы. Однако и в этом случае воздушные потоки – ветер, сквозняки, - препятствуют оседанию частиц или вновь поднимают в воздух уже осевшие пылевые частицы. В неподвижном воздухе оседание пылей происходит достаточно быстро. Самые мелкие, ультрамикрогетерогенные, частицы дымов из-за броуновского движения не оседают, и длительное время находятся в воздухе, пока не встретятся с какой-либо твёрдой либо жидкой поверхностью или не скоагулируют при столкновении с другой частицей.

В различных областях практической деятельности задача управления устойчивостью аэрозолей стоит очень остро. В одних случаях необходимо поддерживать стабильность аэрозольных систем, в других требуется обеспечить их эффективное разрушение. Например, необходимо разрушать (осаждать) тонкие, зависающие в воздухе пыли, образование которых почти всегда сопутствует процессу дробления, размола, пересыпания твёрдых материалов. Нередко такие аэрозоли представляют значительную опасность для здоровья людей, так как, проникая в лёгкие, вызывают лёгочные (силикоз, антракоз) и аллергические заболевания. Это относится и к лекарственному аэрозолю, возникающему в воздухе аптек при развешивании и фасовке порошков. Многие органические вещества, находящиеся в состоянии высокодисперсных аэрозолей, оказываются взрывоопасными, поскольку горение мгновенно захватывает огромную поверхность и сопровождается резким увеличением объёма. В частности, в аэрозольном состоянии становятся взрывоопасными даже такие обычные вещества, как мука, сахар, угольная пыль, пылевидные отходы обработки полимерных материалов, лекарственные вещества и т. п.

Значительное увеличение количества техногенных аэрозолей может заметно изменить условия образования облаков и за счёт этого  климат планеты. Содержащиеся в промышленных и выхлопных дымах оксиды серы и азота при попадании в облака образуют соответствующие кислоты, что приводят к выпадению так называемых кислотных дождей. Эти дожди являются причиной закисления почв и вод в озёрах и других водоёмах, болезней и гибели растений и животных как наземных, так и обитающих в воде. Отрицательно сказываются эти дымы и на здоровье человека, в особенности в крупных промышленных городах, где в воздухе постоянно висит более или менее концентрированный смог. Ещё одна область, где смог и кислотные дожди приносят большой, часто невосполнимый вред – это коррозия металлов и строительных материалов, от скорости которой зависит сохранность жилых и промышленных зданий, мостов и в особенности памятников архитектуры и скульптуры. За последние 100 – 150 лет состояние последних ухудшилось больше, чем за сотни и тысячи лет, прошедшие со времени их создания.

Концентрация аэрозолей в атмосфере увеличивается и после крупных извержений вулканов. Так, при катастрофическом извержении вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 г. в атмосферу было выброшено около 18 км³ твёрдых частиц всех размеров, наиболее мелкие из которых оставались во взвешенном состоянии более года. Вызванное этим потемнение атмосферы привело к тому, что в течение нескольких лет на всей Земле наблюдалось заметное похолодание, увеличилось число гроз и др. Аналогичные явления наблюдались в конце 1970-х гг. после извержения мексиканского вулкана Эль Чичон и после поджога нефтяных промыслов в Кувейте во время «войны в Заливе».

Большинство методов разрушения аэрозолей связано с интенсификацией процессов коагуляции, коалесценции и прилипания их частиц к различным поверхностям, а также процессов седиментации (путем изменения скорости и направления потока аэрозоля при инерционном осаждении в аппаратах типа «циклон»). Увлажнение воздуха в помещениях, например, с помощью декоративных фонтанчиков или пульверизаторов приводит к ускоренному слипанию аэрозольных и пылевых частиц с последующим выпадением в осадок. Аналогичный эффект наблюдается в атмосфере после дождя, когда воздух бывает наиболее чистым. Эффективным способом управления устойчивостью атмосферных аэрозолей является распыление в них концентрированных растворов гигроскопических веществ (например, CaCl₂) или твёрдых частиц (СO₂, КJ). Вызванная этим конденсация водяного пара и рост капелек воды приводят к выпадению осадков. Очистка воздуха в помещениях производится обычно его увлажнением.

Аэрозоли обладают радом свойств, которые не наблюдаются в других дисперсных системах. К ним относятся термофорез, термопреципитация и фотофорез, а также особые электрические свойства.

Термофорез  движение частиц в поле температурного градиента, например, вблизи сильно нагретого металлического стержня или другого предмета. Причиной термофореза в случае крупных частиц является поток воздуха, обтекающий и закручивающий частицу, а в случае мелких  разность числа импульсов молекул, падающих на горячую и холодную сторону частицы, т. е. увеличение интенсивности броуновского движения. В результате термофореза частицы аэрозолей движутся в сторону от нагретого предмета и накапливаются в холодных участках системы, где может происходить их оседание на холодных поверхностях - термопреципитация.

Фотофорез  перемещение аэрозольных частиц под действием света. Различают положительный (движение от источника света) и отрицательный (движение к источнику света) фотофорез. Причины его во многом неясны, но есть предположение, что фотофорез вызывается неравномерным нагревом поверхности частиц, обусловленным различными прозрачностью, коэффициентом преломления и т. п. Возможно также местное нагревание задней стенки прозрачной частицы лучами, испытывающими полное внутреннее отражение.

Как уже упоминалось, двойной электрический слой на поверхности аэрозольных частиц не образуется. Однако вследствие адсорбции ионов из воздуха или электризации при трении о него частицы могут приобрести электрический заряд. В отличие от лиозолей он является случайной величиной и поэтому частицы одинаковых размеров и одного состава могут иметь различные по величине и даже по знаку заряды, к тому же изменяющиеся во времени, и характеризовать электрическое состояние частиц аэрозолей можно только статистическими методами. Заряд частиц обычно весьма мал и составляет всего несколько элементарных зарядов. Это обстоятельство позволило Р. Милликену в начале века измерить заряд электрона в опыте по седиментации капель масляного аэрозоля в вертикальном электрическом поле.

В электрическом поле аэрозоли способны к электрофорезу, что используется для разрушения их в электрофильтрах Коттрелла, действующих по принципу электрофореза. Частицам дыма иди тумана в постоянном электрическом поле высокого напряжения сообщается заряд при адсорбции на них ионов (обычно отрицательных), возникающих в коронном разряде. Приобретшие заряд частицы движутся к аноду, которым обычно является стенка электрофильтра, и разряжаются на нём, после чего осыпаются или стекают в специальный приёмник.

Явления, связанные с электрическими свойствами атмосферных аэрозолей, являются причиной грозовых явлений, а также помех в работе различных радиоустройств. При адсорбции ионов из воздуха капельки тумана в облаках приобретают заряд, который из-за большого числа капель и неравномерности распределения зарядов создаёт электрические поля напряжённостью до 100 В/см и более. В результате происходит пробой изолирующего слоя атмосферы между отдельными частями грозового облака или между облаком и землёй – молния. В сильно запылённых помещениях, например, в плохо проветриваемых шахтах или на мельницах возможна электризация угольных или мучных пылинок, которая усиливается трением этих диэлектрических частиц о воздух. Проскакивание искры в таких помещениях может явиться причиной взрыва.