Физико-химия аэрозолей

Термофорез сопровождается явлением термопреципитации – когда частицы осаждаются на холодных участках неравномерно нагретого объекта.Фотофорез – самопроизвольное перемещение частиц аэрозоля от источника света (положительный фотофорез) или к источнику света (отрицательный фотофорез). Вид фотофореза зависит от величины, формы и прозрачности частицы. Причина фотофореза аналогична причине термофореза. В частности, термофорез и фотофорез наряду с ветром регулируют движение облаков.Срок существования аэрозоля может варьироваться от секунд до дней. В течение этого времени аэрозоль может взаимодействовать с другими газообразными или конденсированными фазами и подвергаться химическим и физическим превращениям или старению. Эти превращения могут происходить из-за конденсационного роста или потери в результате испарения или из-за неоднородного химического состава с остаточными газообразными реагентами. Кроме того, изменения относительной влажности или коагуляции частиц в результате столкновений могут привести к изменениям в распределении аэрозолей по размерам и состояниям смешивания. Поперечное сечение частиц размером более 10 мм приводит к коагуляции, вносящей заметный вклад в скорость роста размера частицы. Твердые частицы могут быть включены в жидкий носитель путем коагуляции, что приводит к переходу от внешне смешанных частиц к внутренне смешанным частицам. Внешняя совокупность смешанных аэрозолей наблюдается, когда составы отдельных частиц являются однородными, но частицы в совокупности имеют радикально разные составы. Это отличается от внутренней смеси, в которой любая частица имеет состав, представляющий всю совокупность.Седиментация за счет ударов, диффузии или гравитационного осаждения обеспечивает механизм доминирующих потерь для большинства частиц. Мелкие частицы плавучие и поднимаются восходящими воздушными потоками. Потеря этих более мелких частиц происходит, когда воздушные потоки направляют частицы близко к поверхностям, что приводит к их соударению. Напротив, доминирующим процессом потерь для крупных частиц является гравитационное осаждение или седиментация. Для частиц промежуточного размера частицы движутся по броуновскому движению и в конечном итоге оседают. Соударения чаще происходят с частицами с большой массой и инерцией, которые не могут приспособить свой путь к отклоненному воздушному потоку вокруг объекта. Таким образом, устанавливается градиент концентрации частиц в атмосфере с более низкими концентрациями частиц вблизи поверхности в результате осаждения. В атмосфере влажное осаждение путем включения в существующие капли дождя и вымывания является еще одним важным механизмом потерь для частиц диаметром 0,1–10 мм.2.2. Электрические свойства аэрозолейЭлектрические свойства аэрозольных частиц существенно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле, а именно:• Двойной электрический слой не появляется на аэрозольных частицах, поскольку в нем практически не происходит электролитическая диссоциация из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды.• Возникновение заряда на частицах происходит в основном за счет неселективной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.• Заряд частиц является случайным, и для частиц одинаковой природы и одинакового размера он может быть разным как по величине, так и по знаку.• Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.• При отсутствии 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 высокополярным веществом, поскольку в этом случае на границе раздела происходит достаточно большой скачок потенциала из-за ориентации молекул на поверхности. Например, на поверхности раздела аэрозолей воды или снега имеется положительный электрический потенциал около 250 мВ.Частицы дисперсионных аэрозолей имеют довольно большие электрические заряды, как положительные, так и отрицательные. В конденсационных аэрозолях, образующихся при очень высоких температурах, частицы не заряжаются, а постепенно приобретают небольшие заряды, захватывая легкие ионы, которые всегда присутствуют в газах.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. Частицы соли и крахмала заряжены положительно, а частицы муки несут отрицательные заряды [1,5].2.3. Оптические свойства аэрозолейОптические свойства являются наиболее важными характеристиками аэрозолей. Они определяют результат взаимодействия светового излучения и аэрозольных частиц. При падении светового потока (например, луча лазера, фонарика или солнечного излучения) на аэрозольную систему происходит два процесса – поглощение и рассеяние. Поглощение света – это процесс перехода части энергии излучения на нагрев частиц. Этот процесс происходит только в непрозрачных частицах. Рассеяние света– это процесс перераспределения падающего излучения по всем направлениям при взаимодействии света с частицей. Рассеивают свет любые аэрозольные частицы.Характеристики поглощения и рассеяния зависят как от свойств излучателя (спектральный состав излучения), так и от параметров частиц (ихразмера, формы, оптических свойств). В аэрозолях рассеяние света значительно выраженнее из-за значительного различия показателей преломления ДФ и ДС.Соотношение между длиной волны света и диаметром частицы в аэрозолях определяет характер взаимодействия света и частиц. Если диаметр частиц >> , то это взаимодействие будет рассматриваться с позиции геометрической оптики; а если наоборот, то следует учитывать волновую природу света, т.е. электромагнитные колебания. Рассеяние света происходит из-запреобразования света веществом, что сопровождается изменением его направления световой волны. Свет вызывает поляризацию молекул частиц, не проводящих и не поглощающих свет; возникающие диполи колеблются с частотой падающего света, создавая вторичное излучение по всем направлениям.Схематически можно следующим образом показать рассеяние света в аэрозолях: Интенсивность рассеянного света описывается уравнением Рэлея [1]:гдеКак уже отмечалось, показатели преломления n1 частиц ДФ >> показателя преломления ДС n0. Поэтому значение К и интенсивность рассеяния света для аэрозолей больше, чем для лиозоля. Отсюда же следует, что рассеяние красного света с большей длиной волны меньше, чем, например, желтого и синего. Цвет аэрозоля определяется избирательным характером рассеяния и поглощения. Аэрозольный состав атмосферы, где в нижних слоях концентрация частиц гораздо больше, определяет тот факт, что вечером и утром небо становится красноватым, а в полдень оно наблюдается интенсивно голубым. Когда свет низко стоящего солнца проходит через нижние слои атмосферы, которые сильно рассеивают свет, то до нас доходит в основном красный. Голубой цвет неба наблюдается, свет проходит вертикальный столб атмосферы, содержащий относительно небольшое количество аэрозоля. Черный цвет дыма при сжигании автомобильных покрышек обусловлен тем, что дымовые частицы эффективно поглощают видимые лучи всех длин волн. Белый цвет пара вызван интенсивным рассеянием его частицами всех видимых длин волн.Когда световой пучок проходит через аэрозоль (например, лучи прожектора в атмосфере ночью или солнечный свет через щель в затемненной комнате), наблюдается светящийся конус Тиндаля, который тем ярче, чем выше концентрация и размер частиц. Конус Тиндаля особенно яркий в аэрозолях из-за большой разницы в показателях преломления воздуха и ДФ.Отдельные светорассеивающие частицы удобно наблюдать с помощью ультрамикроскопа, однако светорассеяние быстро уменьшается с уменьшением размера частиц, и, таким образом, можно видеть только частицы размером более 1 · 10-7 м). Тонкие аэрозоли рассеивают в основном короткие световые волны и, следовательно, кажутся голубоватыми, например, табачный дым.Испарение частиц наблюдается в аэрозолях из летучих веществ, например, при «таянии» облаков.2.4. Поверхностные свойства аэрозолейСуммарная поверхность аэрозольных частиц значительна, поскольку они имеют малые размеры. На этой поверхности могут протекать процессы адсорбции, горения и других химических реакций. Благодаря большой суммарной поверхности аэрозоли обладают свойствами гигроскопичности и способности взаимодействовать с электрическими зарядами. ЗаключениеАэрозоль – это смешанная фазовая система, когда в газовой фазе распределены частицы твердого вещества, жидкости или другого газа. Диаметр частиц может составлять пять порядков, простираясь от размеров частиц в нанометровом масштабе до облачных капель, частиц пыли и брызг морской соли в масштабе 100 мм. Это соответствует диапазону в объеме и массе пятнадцати порядков.Свойства аэрозолей определяют такие параметры, как химический состав ДФ и ДС, концентрация, размер, морфология и заряд частиц, структура аэрозоля. Испарение частиц наблюдается в аэрозолях летучих веществ, например, при «таянии» облаков.Седиментация, броуновское движение, коагуляция и испарение частиц приводят к разрушению естественных аэрозолей, но обычно одновременно происходит образование новых частиц путем диспергирования или конденсации.В своей обычной жизни человечество сталкивается с широким разнообразием аэрозольных систем - облаками, туманами, вулканической и наземной пылью и т. Д. Присутствие аэрозольных частиц обуславливает многие свойства газообразных сред, в том числе наиболее важные для существования человечества, свойства атмосферного воздуха как среды обитания.Уничтожение искусственных аэрозолей проводится с целью улавливания ценных продуктов или вредных примесей из промышленного дыма, а также для уничтожения града облаков и туманов. Для этого используются устройства, основанные на разных принципах: изменения скорости и направления потока аэрозоля (циклоны, мультициклоны, роторные улавливатели); эффект электрического поля (электрофильтры); фильтрация (сита, волоконные фильтры, петряновая ткань); действие ультразвука; поглощение аэрозольных частиц водой (кондиционеры, скрубберы) и т. д.Список литературыГельфман М.И. Коллоидная химия / М.И. Гельфман, О.В. Ковалевич, В.П. Юстратов. – М.: “Лань”, 2003. – 336 с.Зимон А.Д. Коллоидная химия / А.Д.Зимон. – М.:Агар. 2001. - 320 с.ФроловЮ.Г.Курсколлоиднойхимии.Поверхностныеявленияи дисперсные системы / Ю.Г. Фролов. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. – 464 с.Фукс, Н.А. Механика аэрозолей / Н.А.Фукс – М.: Эксмо, 2009.Чекман И.С., Аэрозоли – дисперсные системы: Монография / И.С.Чекман [и др.] / - Х: «Цифрова друкарня №1», – 2013.– 100 с.