Аэродисперсные системы

Пыль образуется при многих технологических процессах, связанных с измельчение твердых материалов; состоит из твердых частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии. В инженерной практике пылью называют также сами твердые пылевые частицы, в том числе осевшие или выделенные каким-либо способом в виде порошка. Твердые частицы пыли имеют различные размеры, неправильную форму. Размеры частиц пыли характеризуют величиной эффективного диаметра d, который определяется как диаметр сферической частицы того же объема, что и частица пыли. Пыль – полидисперсная система, размеры частиц могут сильно различаться.

В зависимости от размеров, частицы пыли по-разному ведут себя в атмосфере. Частицы диаметра более 75 мкм быстро осаждаются вблизи источника выбросов. Частицы диаметра 5-75 мкм медленно осаждаются, могут переноситься воздушными массами на относительно большие расстояния от источника выбросов, границы зоны рассеивания зависят от атмосферных условий, а также технических условий выброса в атмосферу (от высоты трубы, температуры, скорости ветра и т.п.). Частицы диаметра менее 5 мкм переносятся с воздушными массами на большие расстояния от источника выбросов, долгое время могут оставаться в атмосфере.

Дымом называют аэрозоли, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы , а дисперсионной средой – атмосферный воздух. Дымы образуются, например, при плавке металлов и их сварке в результате конденсации паров, при возгонке органических и неорганических веществ. Дым может содержать некоторое количество жидких аэрозольных частиц. Например, при сгорании топлива образуется дым, содержащий как твердые частицы, так и мельчайшие капли воды.

Туманом называют аэрозоли с жидкими частицами дисперсной фазы, взвешенными в дисперсионной среде – атмосферном воздухе. Туманы могут образоваться при конденсации пересыщенных паров жидкостей или при распылении жидкостей, например, при помощи форсунок. Смесь дыма, тумана, паров воды и газообразных загрязняющих веществ в атмосфере принято обозначать термином «смог».

Газообразные вещества и пары

К газообразным загрязняющим веществам относят вещества, которые при температурах и давлениях, обычных для приземного слоя атмосферы, находятся в газообразном состоянии. Основными газообразными загрязнениями являются оксиды серы SO₂ , SO₃ , сероводород H₂S, оксиды азота NO, NO₂ , оксиды углерода СО, СO₂ , аммиак NH₃ .

В атмосфере загрязняющие вещества могут взаимодействовать с кислородом, водой, между собой с образованием опасных для биосферы продуктов. В частности, такое явление, как кислотные дожди (кислотные осадки), обусловлено присутствием в атмосфере главным образом оксидов серы и азота. Болезни и усыхания лесов при воздействии кислотных дождей наблюдались еще в 1841 году в районе промышленного центра Германии – города Рура. Термин «кислотные дожди» впервые применил в 1872 году английский химик Смит, изучавший выбросы промышленных предприятий в районе Манчестера. В настоящее время более широким является термин «кислотные осадки».

В отсутствие любых загрязнений у дождевой воды обычно слабо кислая реакция (рН=5,6), что обусловлено растворением в ней углекислого газа из воздуха с образованием слабой угольной кислоты:

СO₂ + Н₂О = Н₂СО₃

Оксиды серы и азота в загрязненной атмосфере постепенно реагируют с парами воды, образуя кислоты, которые выпадают на поверхность земли в виде кислотных осадков:

4NO₂ + O₂ + 2Н₂О = 4НNO₃

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

SO₃ + Н₂О = Н₂ SO₄

Кислотными называют любые осадки – дожди, туманы, снег, рН которых имеет значение 5,5 и менее. Обычно кислотность осадков на две трети обусловлена серной кислотой и на одну треть – азотной кислотой. Значение рН осадков зависит от количества как кислот, так и воды, в которой они растворены. Туман и роса могут быть более кислыми, чем дождь. В туманах кислоты растворены в относительно небольшом количестве влаги. К кислотным осадкам относят также выпадение из атмосферы сухих кислых частиц. Так кислоты могут адсорбироваться на частицах оседающей пыли. Если такие сухие отложения накапливаются на поверхности растений, то при смачивании небольшим количеством влаги, например при выпадении росы, на загрязненной поверхности образуются сильные кислоты. Потому к кислотным осадкам можно отнести и кислотную росу.

Присутствие в атмосфере аммиака приводит к подщелачиванию осадков вследствие образования слабого основания – гидроксида аммония:

NH₃ + Н₂О = NH₄ОН

Продукты реакций, образующиеся при взаимодействия загрязнений в атмосфере (вторичные загрязнения), в результате течения различных биосферных процессов переносятся в другие природные среды, воздействуют на живые организмы, являются часто причиной экологических кризисов. Загрязненный атмосферный воздух является значимым экологическим фактором, оказывающим глубокое влияние на состояние растительных организмов. Исследования разных авторов позволяют расположить некоторые из изученных газообразных загрязнений в следующий ряд по мере увеличения их негативного воздействия на растения: СО₂  СО  N_xO_y  SO₂  CI₂  F₂.

Газообразные загрязняющие вещества и пары ряда органических веществ при попадании в атмосферу могут вызывать разрушение озонового экрана – тонкого слоя озона, находящегося в стратосфере на высоте около 25 км от поверхности земли. Озоновый экран защищает поверхность земли от воздействия ультрафиолетового излучения. Если бы все ультрафиолетовое излучение, падающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь. К азоноразрушающим загрязнениям относится оксид азота NO:

NO + O₂  NO₂ + O ; O + O₃  2 O₂

Разрушение озона может также проходить при попадании в атмосферу хлорфторуглеводороды (фреонов), широко используемых в технике и быту.