1.2.3 Электрические свойства аэрозолей
Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле. На частицах аэрозоля не возникает двойной электрически слой, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами, а также при горении энергонасыщенных материалов. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул.
Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe203), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO2, P2O5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl.
При горении пиротехнических составов получать свой заряд частицы дыма могут: а) при трении о газовую среду; б) вследствие диссоциации частиц в момент образования дыма и в) путем захвата газовых ионов из дисперсионной среды. Способность дымов к коагуляции уменьшается при наличии на частицах одноименного электрического заряда или пленки адсорбированного газа; отсутствие же заряда или в особенности наличие разноименных зарядов на частицах облегчают коагуляцию дымов.
Заряженные аэрозольные частицы меняют свою траекторию движения зависимости от их размера, скорости потока аэрозоля, напряженности электрического поля. Зависимость между дифференциальной электрической подвижностью Z и размером частицы для сферических частиц описывают уравнением [6]:
где N – количество элементарных зарядов на частице; е – элементарный заряд; – динамическая вязкость газа; d – диаметр частицы; Sc – поправочный коэффициент (Каннингема) на скольжение (газа).
1.3 Методы исследования микроструктуры аэрозолей
1.3.1 Определение дисперсного состава и счетной концентрации
Все измерения основаны на точном знании зависимости той или иной характеристики частицы от ее размера. Универсального метода определения дисперсности во всем диапазоне размеров частиц аэрозоля (от нескольких нм до нескольких десятков мкм) не существует. Существуют прямые и косвенные методы определения размеров частиц. Общим для всех косвенных методов является однозначная зависимость функции отклика от размера частиц, причем чем сильнее зависимость – тем лучше метод может быть реализован практически.
1.3.1.1 Методы, основанные на аэродинамическом разделении частиц
Аэродинамическое разделение частиц возможно вследствие их седиментации или инерционном осаждении на препятствии. Плотность вещества аэрозольных частиц, как правило, колеблется в пределах 1-4 г/см3, что в несколько тысяч раз превосходит плотность воздуха. Несмотря на такое различие в плотностях среды и частицы, высокодисперсные аэрозоли отличаются сравнительной устойчивостью в поле тяготения, обусловленной большой удельной поверхностью частиц.
К группе прямых методов определения гранулометрического состава пылей относится ситовой анализ. Мерилом крупности частиц в этом случае является размер ячейки сита. При определении дисперсного состава пылей в широком диапазоне исследуют фракцию пыли, прошедшую через сито с наименьшими размерами ячеек (т. е. собранную на поддоне), и анализируют, применяя более тонкие методы фракционирования.
При исследовании пылей наибольшее распространение получили седиментометрический метод в жидких средах и способ воздушной сепарации. Седиментометрический анализ в жидкой среде основан на законе Стокса и позволяет разделять фракции от 2-3 до 63 мкм (при объемных массах вещества 2-3 г/см3). Из многочисленных вариантов аппаратуры для седиментометрического анализа получил практическое применение прибор с подъемной пипеткой. Продолжительность седиментации при анализе относительно высокодисперсных пылей достигает 5-6 ч, не считая затрат времени на многочисленные подготовительные операции. Недостатком седиментометрического способа является то, что для каждого ранее не изученного вида пыли необходимо подбирать подходящую жидкую среду, инертную по отношению к исследуемой дисперсной фазе.
Циклоны эффективно задерживают частицы пыли с размерами более 5-10 мкм, Широкое распространение нашел также метод центробежной воздушной сепарации. Воздушное центрифугирование позволяет разделять навеску исследуемой пыли около 10 г на восемь фракций в пределах от 1-2 до 60 мкм в течение примерно 2 ч.
Ротационный анализатор дисперсности представляет собой ротационную центрифугу и предназначен для определения фракционного состава пыли в потоке воздуха. Запыленный воздух просасывается по каналу вращающегося ротора, при этом под действием центробежных сил частицы пыли сепарируются из потока и оседают на стенке канала. Распределение массы осевшей пыли по длине канала зависит от размера частиц. Кривая накопления пыли, начерченная в осях «длина канала» и «масса пыли», позволяет рассчитать дисперсный состав взвешенной пыли [7].
Наиболее распространенным инерционным осадителем является импактор. Разделение на размерные фракции происходит непосредственно в пробоотборном устройстве. Импактор представляет собой ряд последовательно расположенных усеченных конусов с соплами, установленных в цилиндрическом корпусе. За каждым конусом по пути потока воздуха расположена пластинка (диск), служащая приемником пыли определенной фракции по крупности. Скорость воздуха поступающего в импактор, по мере прохождения через сопла с постепенно уменьшающимися сечениями, скачкообразно возрастает от ступени к ступени и достигает максимального значения при выходе из сопла последней ступени. Струя запыленного воздуха, встречая на своем пути пластину, обтекает ее; при этом частицы пыли, обладая значительно большей инерционностью, чем воздух, смещаются с линий тока и сортируются по размерам. Для того чтобы осевшая фракция пыли не сдувалась, пластину покрывают тонким слоем масла или на лобовую поверхность пластины устанавливают подложку из фильтра АФА. Размер частиц, осевших на пластине данной ступени, определяется скоростью движения частицы (воздуха), ее массой (размерами и плотностью). Количество дисперсной фазы аэрозоля, осевшей на пластине, определяют весовым способом или другими высокочувствительными методами химического анализа. Калибровку импактора производят с помощью полидисперсного масляного тумана осаждением его на стеклянные пластины и измерением размеров частиц под микроскопом (при этом учитывают величины краевого угла и коэффициент растекания для используемой марки масла).
Современные импакторы состоят из последовательно расположенных каскадов (общее их число составляет обычно 5-6), на каждом из которых происходит осаждение той или иной размерной фракции. В качестве препятствия используют плоские поверхности или калиброванные отверстия, а в заключительном каскаде всегда используется аэрозольный фильтр.
Каскадные импакторы эффективны для исследований в размерном диапазоне 1.10 мкм, но некоторые конструктивные доработки позволяют снизить минимальный размер до 0,4 мкм. В импакторах низкого давления возможен анализ в диапазоне 0,03-0,7 мкм [8]. Для разделения аэрозоля по размерным фракциям объемная скорость воздуха в импакторе должна быть фиксированной. Как правило, она составляет несколько десятков л/мин. Для отборов проб с низким содержанием аэрозольных примесей используют импакторы с гораздо большей производительностью (сотни л/мин), при этом вес и габариты таких моделей существенно возрастают, а для обеспечения представительности пробы применяют мощные воздуходувки.
Струйный сепаратор предназначен для анализа дисперсного состава пыли в потоке и дает возможность определять стоксовские размеры взвешенных в воздухе частиц в интервале от 1 до 15 мкм.
Другим препятствием, на котором можно разделить размерные фракции (хотя и в неявном виде), служит фильтр. Процесс разделения основан на зависимости эффективности улавливания частиц от размера. Захват частиц волокнами осуществляется за счет следующих процессов: 1) зацепление; 2) инерция; 3) диффузия; 4) электростатическое притяжение; 5) гравитационное осаждение. Эти эффекты действуют всегда, но их вклад неравнозначен. Превалирование того или иного процесса захвата частиц зависит от ряда параметров среды, частицы и фильтра. Получение количественных соотношений между этими параметрами, сопротивлением и эффективностью волокнистого материала составляет цель теории фильтрации аэрозолей. Для точного расчета эффективности улавливания фильтра необходимо решить уравнение Навье-Стокса и уравнение движения частицы (в общем случае несферической) с учетом ее инерции, диффузии и всех внешних сил в пространстве волокнистого фильтра, который представляет собой случайную волокнистую структуру. Предложены вычислительные алгоритмы и программные реализации поиска искомых параметров. Высоко дисперсные аэрозоли с размерами частиц менее 1 мкм можно эффективно улавливать только одним способом — фильтрацией через волокнистые фильтры с тонкими и сверхтонкими волокнами (материалы ФП, т. е. ткани Петрянова) . Используется разделение аэрозольных частиц по размерам путем их послойного избирательного осаждения в пакетах волокнистых фильтров [9]. Однако считается, что существующая фундаментальная, расчетная и инструментальная основа этого метода недостаточна. Модели волокнистых фильтров, применяемые в теории фильтрации, неадекватны реальным фильтрам, а полученные на основе лучшей из известных моделей – «веерной» – формулы для расчета гидродинамического сопротивления и эффективности улавливания аэрозолей не охватывают диапазон высоких скоростей фильтрации, необходимых для реализации данного метода. Требует доработки, оптимизации и программного обеспечения задача восстановления спектров размеров частиц исходя из послойного распределения осадка в пакете фильтров. Необходимо также, чтобы эти фильтры были бы достаточно тонкими, прочными и имели бы однородную заданную структуру. Имеющийся ассортимент фильтрующих материалов не удовлетворяет этим требованиям. Все же благодаря введению априорной информации о спектре размеров частиц и использованию тонких слоев однородных волокнистых фильтров ФП удалось определить дисперсность субмикронных аэрозолей.
Одним из физических методов, позволяющих контролировать дисперсность аэрозолей, является метод пьезокварцевого микровзвешивания [10]. При распылении аэрозольных частиц осаждаемые капли при взаимодействии с пьезодатчиком вызывают изменение величины его спонтанной поляризации, в результате на выходе получают скачок напряжения, который будет свидетельствовать о количестве попадающих частиц на пластину в единицу времени, т.е. плотности покрытия. При введении поправок на способ распыления по кинетической энергии (по изменению частоты, амплитуды) определяют дисперсность.