4 ТеорИя и техника средств и способов защиты от ингаляционных поражений аэрозолями физиологически активных веществ

4.1 Характеристика и свойства физиологически активных аэрозолей

4.1.1 Понятие об аэрозолях, их классификация и некоторые свойства

При нахождении человека в заражённой атмосфере необходима его защита от воздействия паров, газов и аэрозолей вредных примесей.

Токсичные химикаты и радиоактивные вещества могут присутствовать в воздухе в виде пара, газа или аэрозоля.

Понятие «аэрозоль» введено Гиббсом для названия коллоидных систем, представляющих собой взвешенные в воздухе или другой газообразной дисперсионной среде мельчайшие твердые или жидкие частицы.

К аэрозолям относятся пыли (dusts), дымы (smokes) и туманы (mists). Основные различия между паром и газом приведены в таблице 4.1. В таблице 4.2 указаны особенности различных аэрозолей.

Таблица 4.1 – Основные различия между паром и газом вещества

Пар	Газ
Газообразное состояние вещества при температуре ниже критической температуры	Газообразное состояние вещества при температуре выше критической температуры

Примечание - Для индивидуального вещества критическая температура является константой и определяется как температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и парами, находящимися в равновесии. Теплота парообразования обращается в нуль.

Таблица 4.2 – Особенности различных аэрозолей

Аэрозоль	Дисперсная система
	Агрегатное состояние дисперсной фазы	Дисперсная среда
Пыль	Твёрдое Частицы получены механическим измельчением (диспергированием) твёрдых веществ	Воздух
Дым	Твёрдое Частицы получены конденсацией паров веществ. Пары веществ образуются в результате возгонки твёрдых веществ	Воздух
Туман	Жидкое Частицы образуются в результате конденсации пара или распылении (диспергировании) жидкости	Воздух

Аэрозоли принято классифицировать:

- по агрегатному состоянию дисперсной фазы;

- по степени дисперсности;

- по методам получения.

Исходя из первого принципа классификации, аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из жидких частиц, называют туманами. Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из твердых частиц, называют дымами или пылями.

Дымы, в которых частицы дисперсной фазы адсорбировали значительное количество влаги из атмосферы, очевидно, являются одновременно и дымами и туманами. Такие системы, особенно часто образующиеся при большом содержании влаги в задымленной атмосфере над большими промышленными городами, называют особым термином «смог».

Свойства аэрозолей зависят от природы вещества, из которого состоят частицы, и состава газовой среды, концентрации аэрозолей по массе и числу частиц в единице объёма, размера, формы и заряда частиц.

По дисперсности аэрозоли можно подразделить на три группы:

- крупнодисперсные – частицы размером 10 мкм и более, быстро оседающие, поэтому находятся в воздухе непродолжительное время;

- средней дисперсности (относительно устойчивые) – частицы от 1 до 10 мкм, медленно оседающие в неподвижном воздухе, поэтому находятся во взвешенном состоянии различное время в зависимости от размера частиц и их конденсации;

- мелкодисперсные (устойчивые) частицы размером менее 1 мкм. При столкновении между собой мелкодисперсные аэрозоли укрупняются и оседают, как и аэрозоли средней дисперсности. Коагуляция мелкодисперсных (тонкодисперсных) аэрозолей происходит тем быстрее, чем меньше размеры частиц и чем больше их концентрация.

В зависимости от размера частиц различают грубодисперсные, тонкодисперсные и ультратонкие аэрозоли. К грубодисперсным относятся аэрозоли с диаметром частиц, превышающим 1 мкм. При этом следует отметить, что пылинки размером более 10 мкм недолго остаются взвешенными в спокойном воздухе и достаточно быстро оседают на подстилающую поверхность. Большинство аэрозолей отравляющих веществ, бактериальные аэрозоли, радиоактивная и грунтовая пыль – грубодисперсные аэрозоли. К тонкодисперсным условно относятся аэрозоли с частицами, диаметр которых менее 1 мкм. Примерами тонкодисперсных аэрозолей служат дым и туман. Ультратонкие аэрозоли содержат частицы от самых мельчайших, состоящих из небольшого числа атомов или молекул – фрактальных кластеров, до частиц, размер которых сравним с длиной свободного пробега молекул газа, т.е. от 1…2 до 10 нм. К ультратонким аэрозолям следует отнести взвешенные в воздухе вирусы и фрактальные кластеры радионуклидов.

По методам получения аэрозоли разделяют на диспергационные и конденсационные. Диспергационные аэрозоли, образующиеся при дроблении твердых тел или при распылении жидкостей, например потоком сжатого воздуха. Они имеют довольно крупные частицы и, как правило, полидисперсны, т.е. состоят из частиц различных размеров. Аэрозоли, полученные методом конденсации из пересыщенных паров или в результате химических реакций, наоборот, обычно являются высокодисперсными системами с более однородными по размеру частицами (относительно монодисперсны).

Часто в аэрозоле одновременно присутствуют частицы разных размеров. Такие аэрозоли называют полидисперсными. Монодисперсные аэрозоли имеют частицы одного размера. Монодисперсные аэрозоли чаще используются при испытаниях средств защиты в лаборатории.

Как правило, все реальные аэрозоли – полидисперсные, содержат частицы различных размеров. Однако в природе встречаются и монодисперсные аэрозоли с частицами практически одного размера. Такими частицами служат споры некоторых растений. Монодисперсные аэрозоли можно получить искусственным путем. Важной характеристикой аэрозоля служит его концентрация массовая или счетная. Первая измеряется суммарной массой, а вторая – числом частиц в единице объема воздуха. Концентрация радиоактивного аэрозоля определяется как активность частиц, находящихся в единичном объеме воздуха.

Конденсационные аэрозоли возникают при конденсации различных веществ. Механизмы возникновения радиоактивных аэрозолей могут быть точно такими же, как и у стабильных аэрозолей. Вместе с тем, помимо указанных процессов, радиоактивные аэрозоли могут возникать и в результате особых явлений. Так, возможна активация первоначально неактивных частиц под действием нейтронного облучения; при распаде некоторых радиоактивных газов (например, радона, торона) появляются короткоживущие радиоактивные изотопы висмута и полония, представляющие собой твёрдые частицы; процесс образования радиоактивных аэрозолей наблюдается у поверхности с альфа-активными веществами, когда в результате обратной отдачи из препарата в воздух могут вылетать атомы и увлекаемые ими агрегаты, состоящие из нескольких активных атомов.

Другой важной характеристикой аэрозоля принято считать функцию распределения числа частиц по их диаметрам. Графически функции распределения изображаются в виде кривых распределения с максимумом, приходящимся на наиболее вероятный размер частиц. При аппроксимации экспериментальных кривых распределения и анализе дисперсного состава различных аэрозолей широкое применение получил логарифмический нормальный закон распределения случайной величины.

От размера аэродисперсных частиц зависят основные свойства аэрозоля: скорость осаждения, способность к коагуляции, интенсивность рассеивания и поглощения света. При прочих равных условиях скорость осаждения аэрозоля на подстилающую поверхность прямо пропорциональна квадрату характерного линейного размера распыленных в неподвижном воздухе частиц. Например, шарообразные частички воды радиусом 100 мкм будут удалены при их естественном осаждении из неподвижного слоя атмосферы толщиной 1 м за 13 с. Для осаждения в подобных условиях частиц радиусом 1 мкм потребуется уже около 3 ч.

Частицы аэрозолей физиологически активных веществ перемещаются с окружающей их воздушной средой и могут переноситься на большие расстояния, достигающие для радиоактивной пыли сотен, а для аэрозолей ТХ и биологических аэрозолей – нескольких десятков километров. Двигаясь совместно со средой, аэрозольные частицы могут выпадать на землю под влиянием силы тяжести. Ориентировочный расчет скорости и времени осаждения частиц грунтовой (кварцевой) пыли шарообразной формы приведен в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Скорость и время осаждения аэрозольных частиц разных размеров

Характеристика осаждения	Диаметр аэрозольных частиц, мкм
	0,2	0,5	1	10	100
Скорость осаждения, см/с	3,4·10-4	2·10-3	8·10-3	0,8	8,0
Время осаждения на высоту 1м	46 ч	11 ч	3,5 ч	22 мин	13 с

Как следует из таблицы 4.3, скорости осаждения высокодисперсных аэрозолей ничтожно малы по сравнению со скоростями движения воздушных масс, достигающих 1 - 10 м/с и более. Это способствует их длительному нахождению в атмосфере и переносу на большие расстояния.

Аэрозоли с частицами свыше 30 мкм относят к оседающим, до 30 мкм – неоседающим. Частицы относительно небольших размеров (до 1 мкм) могут длительное время находиться в заражённом воздухе во взвешенном состоянии. Их перемещение в пространстве в значительной степени будет определяться движением воздушных потоков.

С уменьшением размеров частиц возрастает интенсивность их броуновского движения. Последнее при достаточно большой концентрации аэрозоля приводит к коагуляции, т. е. образованию более крупных частиц – агрегатов, которые быстро оседают под действием силы тяжести.

Основной закон броуновского движения аэрозольных частиц теоретически найден А.Эйнштейном и выражается следующим уравнением

, (4.1)

где  – среднее абсолютное тепловое смещение частицы в данном

направлении;

D – коэффициент диффузии;

t – время смещения аэрозольной частицы.

От концентрации и дисперсности аэрозоля также зависят его оптические свойства. С уменьшением размера частиц до десятых и сотых долей микрометра интенсивность рассеиваемого света уменьшается. С увеличением – возрастает интенсивность рассеивания света преимущественно длинноволновой части спектра, т.е. оранжевого и красного. Последнее отчетливо видно при закате солнца, когда его лучи проходят через приземный, запыленный слой атмосферы.

Кроме рассмотренных явлений, в аэрозольных системах протекают также процессы испарения и конденсации. Аэродисперсные частицы могут нести положительные или отрицательные электрические заряды, сопровождаться газообразной фазой (парами) вредного вещества, содержать радиоактивные изотопы.

В реальных условиях большинство аэрозолей относятся к полидисперсным. Поэтому при обеспечении защиты от аэрозолей необходима очистка заражённого воздуха от частиц различных размеров, а также снижение до необходимых (допустимых) значений их проникания (подсоса) в подмасочное и подкостюмное пространство СИЗ, а также в объекты коллективной защиты.

Жидкие аэрозольные частицы более крупных размеров, прежде всего, будут определять значения соответствующих характеристик лицевых частей, противогазов и защитной одежды, так как они оседают в виде капель на внешней поверхности защитных материалов. Пары и жидкая фаза веществ за счёт различных физико-химических процессов будут стремиться к проникновению сквозь эти материалы. По этой же причине частицы твёрдых и жидких веществ, осевшие из крупнодисперсных аэрозолей, будут определять степень заражённости СИЗ, а также необходимость их дегазации и/или дезактивации.

Токсичные химикаты могут оказывать токсическое воздействие на организм человека, действуя на кожу (кожно-нарывное действие) или через кожу (кожно-резорбтивное действие), а также, попадая в органы дыхания вместе с вдыхаемым заражённым воздухом (ингаляционное действие).

При решении вопросов защиты войск от оружия массового поражения приходится иметь дело с аэрозолями ТХ, радиоактивной пылью и бактериальными аэрозолями.