Аэрозоли и порошки

Аэрозоли

Аэрозоли и сыпучие материалы (порошки) - системы с газовой дисперсионной средой. Аэрозоли - это дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии.

Сыпучие материалы можно рассматривать как осадок аэрозолей с твердой дисперсной фазой, т.е. как систему Т/Г.

Для аэрозолей сложилась своя классификация в зависимости от агрегатного состояния и размеров частиц дисперсной фазы. Эта классификация приведена в табл. 6.5.1.1. Простейшими являются аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит только из твердых частиц или из капель. Каждая из разновидностей аэрозольных систем имеет свое название. Высоко - и среднедисперсные системы типа Т/Г принято называть дымом, а грубодисперсные - пылью.

Кроме основных, существуют менее распространенные, но не менее важные аэрозольные системы. В аэрозольных жидких (система Т, Г/Г) и твердых (система Ж, Г/Г) пенах газовый пузырек окружен пленкой (жидкой и твердой). Жидкие аэрозольные пены, в которых газовый пузырек обрамлен жидкой пленкой, применяют для тушения пожаров. Пепел и извергаемая вулканами лава состоят из частиц, поры которых заполнены газом. Аэрозоли, сформированные из подобных частиц, можно рассматривать как твердые пены.

Таблица 6.5.1.1

Классификация аэрозолей

*Образование такой системы маловероятно.

Для аэрозолей, как и для других дисперсных систем, характерна агрегативная и седиментационная устойчивость и неустойчивость. В них протекают процессы коагуляции, коалесценции и оседания, что приводит к изменению состава и свойств этих систем.

Концентрация и размер частиц дисперсной фазы аэрозолей все время изменяются: частицы возникают и исчезают, укрупняются и дробятся на более мелкие, перемещаются - какая-то часть частиц аэрозольной системы покидают ее, что компенсируется за счет притока новых частиц (см. рис. 6.5.1.1).

Получить частицы дисперсной фазы аэрозолей возможно диспергированием и конденсационным способом.

Газовая среда аэрозолей обуславливает отличия их свойств от свойств систем с жидкой дисперсной средой. Одно из этих отличий связано с электрическим зарядом аэрозольных частиц. Электрические заряды возникают в результате трения твердых частиц при образовании аэрозолей, при дроблении жидкости, адсорбции ионов и вследствие ряда других причин.

Электрические свойства аэрозолей принципиально отличаются от электрических свойств золей и суспензий. Для систем типа Т/Ж электрический заряд возникает в результате взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. При этом образуется двойной электрический слой, происходит компенсация заряда частиц, а между сблизившимися частицами возникает электростатическая сила отталкивания.

Заряд частиц аэрозолей не компенсируется, является избыточным, частицы могут иметь заряды различного знака (отсутствует униполярность). Часть частиц может иметь заряд одного знака, а другая – противоположного, или даже быть нейтральной.

Агрегативная устойчивость аэрозолей также в значительной степени обусловлена особенностями газовой дисперсионной среды. Подвижность частиц в газовой среде и отсутствие электростатических сил отталкивания приводит к тому, что вероятность e, которая характеризует кинетику коагуляции, равна или близка к единице. Это означает, что процесс идет по механизму быстрой коагуляции. В результате коагуляции частицы укрупняются и образуют агрегаты (см. рис.6.5.1.1).

В отношении аэрозолей, находящихся в атмосфере, в полной мере проявляются оптические свойства дисперсных систем.

В воздухе находится множество частиц различных размеров, форм и происхождения; каждая из них рассеивает и поглощает свет. Причем на состав атмосферных аэрозолей оказывают влияние аэрозольные системы, пришедшие из космоса.

Характеризуют оптические свойства не отдельных аэрозольных частиц, а их массы. К таким обобщенным характеристикам аэрозольных систем, находящихся в воздухе, относятся интенсивность рассеяния света, коэффициент поглощения и оптическая плотность (экстинкция).

Интенсивность рэлеевского рассеяния света высокодисперсными атмосферными аэрозолями зависит от показателя преломления дисперсной среды (воздуха) и дисперсной фазы. Показатель преломления воздуха близок к единице, а показатель преломления дисперсной фазы атмосферных аэрозолей колеблется в пределах 1,34-1,54. Нижнее значение относится к каплям воды, а верхнее - к сульфатным частицам.

Вязкость воздуха примерно в 1000 раз меньше вязкости воды; поэтому седиментационная устойчивость аэрозолей ниже, чем суспензий. Для высокодисперсных аэрозолей характерны более интенсивное броуновское движение и диффузия, чем для золей.

Для частиц диаметром> 0,5 мкм скорость броуновского движения не может конкурировать со скоростью седиментации. Для частиц диаметром менее 0,5 мкм (50 нм) скорость броуновского движения превышает скорость седиментации, что означает установление седиментационно-диффузионного равновесия – высокодисперсная система становится седиментационно-устойчивой.

В результате броуновского движения и диффузии высокодисперсные частицы приобретают способность перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Коэффициент диффузии в жидкой среде может колебаться в пределах 10^-8-10^-10 м² /с. В воздушной среде он имеет более высокие значения и может достигать 10^-6 м²/с, а это означает, что движение высокодисперсных частиц одного и того же размера в воздухе будет интенсивнее, чем в жидкости.

В аэрозолях в сильно разряженной газовой атмосфере, а тем более в безгазовом пространстве отсутствует броуновское движение, т.е. самопроизвольное движение частиц под действием кинетической энергии молекул дисперсионной среды, и диффузия. Перевести частицы в аэрозольное состояние можно с помощью механических процессов или взрыва, при этом одновременно может протекать процесс диспергирования.

В атмосфере Земли возникновение аэрозолей происходит под действием воздушного потока.

На частицу (см. рис. 6.5.1.2) со стороны воздушного потока действует аэродинамическая сила, зависящая от скорости этого потока n и направленная вертикально. Необходимым условием перехода частиц в воздушную среду является превышение горизонтально-направленной аэродинамической силы F^r_аэ над суммарным действием сил аутогезии F_аут и веса частиц P

F^r_аэ>m(F_аут+P),

где m - коэффициент внутреннего трения, учитывающий различное направление действия сил.

Если сила аутогезии намного превышает вес, то условие упрощается:

F^r_аэ³m_в F_аут

При турбулентном течении перемещение воздуха сопровождается интенсивным перемешиванием, и аэродинамическая сила, действующая на частицу, определяется по формуле:

F^r_аэ = с_хrВ_ч(u²/2)

где с_х – коэффициент сопротивления частиц; r - плотность воздуха; В_ч – площадь сечения частиц; u - скорость воздушного потока.

После отрыва частиц под действием воздушного потока возникает вертикальная составляющая аэродинамической силы F_аэ^в. Горизонтально и вертикально направленные силы и обусловливают переход частиц в аэрозольное состояние; движение частиц в этих условиях на рис. 6.5.1.2 показано пунктиром.

Учитывая вышеизложенное, скорость воздушного потока, необходимая для перевода частиц в аэрозольное состояние:

.

В формуле не учтено образование пограничного слоя, в котором скорость воздушного потока уменьшается от определенного значения до нуля.

Для разрушения аэрозолей и улавливания дисперсной фазы применяют различные методы. Крупные частицы осаждаются в пылевых камерах. Широко применяются мокрые уловители – скрубберы, в которых частицы смачиваются и оседают на дно. Эффективна очистка в электрофильтрах (аппаратах Коттреля), в которых генерируются отрицательно заряженные газовые ионы и электроны на коронирующем электроде. Отрицательные ионы, двигаясь к положительному осадительному электроду, отдают частицам аэрозоля свой заряд, которые, заряжаясь, начинают перемещаться в том же направлении. На положительном электроде частицы теряют заряд и осаждаются. Однако эффективность всех методов уменьшается с увеличением дисперсности аэрозолей, поэтому для разрушения высокодисперсных аэрозолей используют методы предварительной коагуляции. Наиболее эффективен метод улавливания аэрозолей, основанный на конденсации паров жидкости (воды) в среде аэрозоля, где частицы аэрозоля выступают в роли центров конденсации, укрупняются и коагулируют из-за конденсации на них паров воды.

Порошки

Порошками называются высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы, а дисперсионной средой – воздух или другой газ: Т/Г.

Наибольшее распространение имеют порошки с размерами частиц от 1 до 100 мкм. От аэрозолей порошки отличаются большей концентрацией твердых частиц.

Классификация осуществляется:

1. По форме частиц:

- равноосные (одинаковые размеры по трем осям);

- волокнистые (длина частиц гораздо больше ширины и толщины);

- плоские (длина и ширина гораздо больше толщины).

2. По межчастичному взаимодействию:

- связнодисперсные (частицы сцеплены между собой, т. е. система обладает некой структурой);

- свободнодисперсные (сопротивление сдвигу обусловлено только трением между частицами).

3. Классификация по размерам частиц дисперсной фазы:

- песок (2×10^-5£d£ 2×10^-3) м;

- пыль (2×10^-6£d£ 2×10^-5) м;

- пудра (d < 2×10^-6) м.

Порошки, как и другие дисперсные системы, можно получить двумя группами методов: диспергационными и конденсационными.

Когезия определяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т.е. прочность конденсированных тел и их способность противостоять внешнему воздействию Þ энергетические затраты при диспергировании тем больше, чем больше когезия. Когезия определяет насыпную массу порошка, т.е. массу, занимающую единичный объем при свободном его заполнении. Чем больше когезия (слипание), тем хаотичнее распределение по объему частиц порошка, тем больше объем свободной упаковки и соответственно меньше насыпная масса.

Адгезия – явление соединения приведенных в контакт поверхностей конденсированных фаз (взаимодействие частиц порошка со стенками емкости). Адгезия обусловливает прилипание и удержание частиц на поверхности. Чем больше адгезия, тем больше прилипают частицы порошка к технологическому оборудованию.

Аутогезия – частный случай адгезии – сцепление одинаковых по составу и строению частиц. Адгезионное и аутогезионное взаимодействия направлены перпендикулярно площади контакта. В результате адгезии частицы порошка прижимаются к поверхности, а под действием аутогезии – друг к другу. Аутогезия определяется природой и силой межчастичного взаимодействия:

- межмолекулярное притяжение;

- электростатическое отталкивание.

От размера частиц зависит удельная площадь межфазной поверхности S_уд. Увеличение удельной межфазной поверхности приводит к следующему:

- интенсификации процессов, протекающих на поверхности порошка;

- усилению яркости окраски пигментов;

- повышению качества композиционных материалов;

- улучшению вкусовых качеств пищевых продуктов.

Негативные свойства уменьшения размеров частиц:

- слеживаемость;

- прилипаемость к поверхностям оборудования и тары (адгезия);

- уменьшение текучести (сыпучести).

Отсюда – затруднение технологических процессов: смешения, дозировки, транспортировки и т.д.

Начиная с некоторого критического размера d_{0, кр} частиц сила связи между частицами становится равной силе тяжести:

,

где n – число контактов (точек соприкосновения частиц);

m – масса частицы;

g – ускорение свободного падения.

Дальнейшее уменьшение размеров частиц приводит к самопроизвольному образованию пространственных структур. Критический размер служит критерием агрегируемости, т.е. при d < d_{0, кр} в системе возникает пространственная структура, такая система связнодисперсная; при d >> d_{0, кр} система свободнодисперна.

Характерное свойство порошков – способность к течению и распылению. Порошки, как и сплошные тела, способны течь под действием внешнего усилия, направленного тангенциально (по касательной) к поверхности. Течение порошков заключается в отрыве слоя частиц от себе подобных или от поверхности и в перемещении отдельных частиц или их агрегатов при сохранении границы раздела между ними. Движение осуществляется тремя способами:

- частицы перекатываются по поверхности;

- частицы отрываются и падают обратно (переносятся “прыжками”);

- частицы переносятся в состоянии аэрозоля.

При некоторой скорости внешнего усилия (воздушного потока), называемой критической, большая часть частиц будет передвигаться “прыжками”. Из полидисперсного порошка выдувается более мелкая фракция. Самая тонкая фракция под действием воздушного потока переходит в состояние аэрозоля и перемещается над поверхностью порошка. Рассмотренный характер течения порошков обусловливает зависимость текучести порошков от адгезионных и аутогезионных сил, затрудняющих отрыв и передвижение частиц, т.е. грубодисперсные порошки обладают более высокой текучестью, чем высокодисперсные.

Для мягких веществ характерна пластическая деформация, в результате которой увеличивается площадь контакта частиц Þ уменьшается текучесть.

Важной характеристикой является также распыляемость порошка при пересыпании, определяемая силами сцепления между частицами Þ увеличивается при возрастании размеров частиц и уменьшается с увеличением влажности. Существует несколько эмпирических закономерностей:

- гидрофобные порошки распыляются лучше, чем гидрофильные;

- порошки из твердых веществ распыляются лучше, чем из мягких;

- монодисперсные порошки распыляются лучше полидисперсных.

Список литературы:

· Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия. – М.: Геотар-мед. 2001. – 380 с.

· Зимон А.Д. Коллоидная химия. – М.: Агар. 2001. 320 с.

· Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. – М.: “Лань”, 2003. – 336 с.

· Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1992. – 414 с.

· Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономарёвой. – М.: Химия, 1983. – 200 с.

· Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия. 1984. – 300 с.

· Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. – 464 с.