6. Основные свойства аэрозолей

Аэрозоль - дисперсная система, в которой дисперсионной (сплошной) средой является газ, в частности, воздух, а дисперсной фазой - твердые или жидкие частицы. Наиболее мелкие (тонкие) аэрозольные частицы по размерам близки к крупным молекулам, а для наиболее крупных наибольший размер (до 100... 200 мкм) определяется их способностью более или менее длительное время находиться во взвешенном состоянии.

Различают: дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твердых и жидких веществ, конденсационные - при конденсации насыщенных паров, а также в результате газовых реакций. Дисперсионные частицы обычно значительно грубее, чем конденсационные, обладают большей полидисперсностью, имеют неправильную форму. Конденсационные аэрозоли имеют часто правильную шарообразную или кристаллическую форму и при коагуляции, сливаясь, снова получают шарообразную форму.

На практике часто приходится встречаться с аэрозолями, включающими частицы как дисперсионного, так и конденсационного происхождения, обычно ультрамикроскопического размера.

Диспергированные вещества могут образовывать взвеси и истинные растворы не только в жидкой, но и в газообразной среде. Взвеси твердых и жидких частиц в жидкостях называют золями, в воздухе - аэрозолями. К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы.

Пыли - диспергированные вещества, совокупность осевших частиц (гель или аэрогель). Эта дисперсия может быть молекулярной и коллоидной до очень крупных размеров - в пределах от 1 до 500 мкм.

Туманы - газообразная среда с жидкими частицами как конденсационными, так и дисперсионными, независимо от их дисперсности.

Дымы - конденсационные аэрозоли с твердой дисперсной фазой или включающие частицы и твердые, и жидкие.

Пыль может быть классифицирована по своему происхождению, материалу, из которого она образована.

В зависимости от происхождения различают пыль:

• естественную;
• промышленную.

Пыль естественного происхождения: эрозия почвы, выветривание горных пород, из космического пространства, органические пылевидные частицы - пыльца, споры растений.

К образующейся в результате эрозии почвы, обветривания горных пород и т. п. близка по составу пыль, возникающая при выветривании строительных конструкций, дорог и других сооружений. С пылью естественного происхождения приходится сталкиваться, главным образом, при решении вопросов очистки приточного воздуха перед поступлением его в вентилируемые помещения.

Промышленная пыль возникает в процессе производства. Почти каждому виду производства, материалу, виду сырья сопутствует определенный вид пыли. Многие технологические процессы направлены на получение различных материалов, состоящих из мелких частиц, например цемента, строительного гипса, муки и т. д. Совокупность этих частиц правильно называть пылевидным материалом. Соответствующей пылью (например, цементной, мучной и т. д. ) обычно называют наиболее мелкие частицы этих материалов, разносимые потоками воздуха. Большая часть видов пыли возникает в результате процессов, связанных с обработкой материалов (резание, шлифование), их сортировкой и транспортированием (погрузка, разгрузка).

В зависимости от материала пыль может быть органической и неорганической.

Органическая пыль бывает растительного (древесная, хлопковая, мучная, табачная, чайная) и животного (шерстяная, костяная) происхождения.

Неорганическая пыль подразделяется на минеральную (кварцевая, цементная) и металлическую (стальная, чугунная, медная, алюминиевая).

Значительная часть промышленных пылей - смешанного происхождения, т. е. состоит из частиц неорганических и органических или, будучи органической, включает в себя частицы минеральной и металлической пыли. Например, зерновая пыль, кроме частиц, образующихся при измельчении зерна, содержит также минеральные частицы, попавшие в массу зерна при выращивании и сборе урожая. Пыль, выделяющаяся при шлифовании металлических изделий, кроме металлических частиц, содержит минеральные частицы, образующиеся при взаимодействии обрабатываемого металла и орудий его обработки (абразивного круга и т. д. ). Это нужно учитывать при выборе методов очистки и пылеулавливающего оборудования.

Состав взвешенных частиц характеризуют концентрацией и дисперсностью. Концентрация дисперсной фазы - масса частиц в единице объема дисперсионной фазы. Аэрозоли обычно полидисперсны, т. е. содержат частицы различных размеров.

Дисперсность - степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц аэрозолей по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данный аэрозоль, и массу или количество частиц соответствующего размера.

Дисперсность в значительной мере определяет свойства аэрозолей. В результате измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано, в основном, тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его суммарная поверхность. Например, при измельчении тела, имеющего форму куба и размеры 10х10х10 мм, и превращении его в частицы кубической формы размером 1 мкм суммарная поверхность материала возрастет в 10 000 раз и станет равной 6 м2 (вместо 600 мм2).

В результате резкого увеличения суммарной поверхности вещества повышается поверхностная энергия, что влечет за собой увеличение физической и химической активности. Очень быстро и интенсивно протекают реакции окисления этих веществ. О повышении физической активности говорит, например, то, что измельченные вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный материал.

Мелкодисперсная пыль осаждается значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом пыли. Выбор пылеулавливающего оборудования решается главным образом на основании дисперсного состава пыли.

Имеется несколько способов выражения размеров пылевых частиц: по диаметру частицы; по размеру в свету наименьших размеров ячеек сита, через которые проходят данные частицы; по диаметру шарообразных частиц, имеющих такую же массу; по наибольшему линейному размеру частиц неправильной формы; по диаметру условных шарообразных частиц, обладающих при одинаковой плотности скоростью витания, равной скорости витания данной пылевой частицы. Точно размер частицы может быть выражен диаметром шарообразной частицы. Однако частицы такой формы практически не встречаются, поэтому для выражения размера частицы пользуются понятиями эквивалентный диаметр, седиментационный диаметр.

Эквивалентный диаметр частицы неправильной формы - диаметр шара, объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь которого одинакова с площадью проекции частицы.

Седиментационный диаметр частицы - диаметр шара, скорость оседания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы неправильной формы.

Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 10-7 до 1 см. Нижний предел определяется возможностью длительного самостоятельного существования весьма малых частиц; верхний предел ограничен тем, что крупные частицы весьма быстро осаждаются под действием сил тяжести и во взвешенном состоянии практически не наблюдаются.

Весь диапазон размеров частиц разбивают на фракции. Фракция объединяет частицы, находящиеся в пределах одного интервала размеров рекомендуемой шкалы.