Класифікація аерозолів

*Утворення такої системи маловірогідно.

Для аерозолів, як і для інших дисперсних систем, характерна агрегативна і седіментація стійкість і нестійкість. В них протікають процеси коагуляції, коалесценції і осідання, що приводить до зміни складу і властивостей цих систем.

Концентрація і розмір частинок дисперсної фази аерозолів весь час змінюються: частинки виникають і зникають, укрупнюються і дробляться на більш дрібні, переміщаються - якась частина частинок аерозольної системи покидають її, що компенсується за рахунок притоки нових частинок (див. мал. 6.5.1.1).

Отримати частинки дисперсної фази аерозолів можливо диспергированием і конденсаційним способом.

Газове середовище аерозолів обусловлює відмінності їх властивостей від властивостей систем з рідким дисперсним середовищем. Одна з цих відмінностей пов'язана з електричним зарядом аерозольних частинок. Електричні заряди виникають в результаті тертя твердих частинок при утворенні аерозолів, при дробленні рідини, адсорбції іонів і унаслідок ряду інших причин.

Електричні властивості аерозолів принципово відрізняються від електричних властивостей золей і суспензій. Для систем типу Т/Ж електричний заряд виникає в результаті взаємодії між частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем. При цьому утворюється подвійний електричний шар, відбувається компенсація заряду частинок, а між частинками, що зближувалися, виникає електростатична сила відштовхування.

Заряд частинок аерозолів не компенсується, є надмірним, частинки можуть мати заряди різного знака (відсутній уніполярність). Частина частинок може мати заряд одного знака, а інша - протилежного, або навіть бути нейтральною.

Агрегативна стійкість аерозолів також в значній мірі обумовлена особливостями газового дисперсійного середовища. Рухливість частинок в газовому середовищі і відсутність електростатичних сил відштовхування призводить до того, що вірогідність , яка характеризує кінетику коагуляції, рівна або близька до одиниці. Це означає, що процес йде по механізму швидкої коагуляції. В результаті коагуляції частинки укрупнюються і утворюють агрегати (див. рис.6.5.1.1).

Відносно аерозолів, що знаходяться в атмосфері, повною мірою виявляються оптичні властивості дисперсних систем.

В повітрі знаходиться безліч частинок різних розмірів, форм і походження; кожна з них розсіює і поглинає світло. Причому на склад атмосферних аерозолів роблять вплив аерозольні системи, що прийшли з космосу.

Характеризують оптичні властивості не окремих аерозольних частинок, а їх маси. До таких узагальнених характеристик аерозольних систем, що знаходяться в повітрі, відносяться інтенсивність розсіяння світла, коефіцієнт поглинання і оптична густина (екстинкция).

Інтенсивність релеевського розсіяння світла високодисперсними атмосферними аерозолями залежить від показника заломлення дисперсного середовища (повітря) і дисперсної фази. Показник заломлення повітря близький до одиниці, а показник заломлення дисперсної фази атмосферних аерозолів коливається в межах 1,34-1,54. Нижнє значення відноситься до крапель води, а верхнє - до сульфатних частинок.

В'язкість повітря приблизно в 1000 разів менше в'язкості води; тому стійкість седіментації аерозолів нижче, ніж суспензій. Для високодисперсних аерозолів характерний більш інтенсивний броунівський рух і дифузія, ніж для золей.

Для частинок диаметром> 0,5 мкм швидкість броунівського руху не може конкурувати із швидкістю седіментації. Для частинок діаметром менше 0,5 мкм (50 нм) швидкість броунівського руху перевищує швидкість седіментації, що означає встановлення седіментація-дифузійної рівноваги - високодисперсна система стає седіментація-стійкою.

В результаті броунівського руху і дифузії високодисперсні частинки придбавають здатність переміщатися у вертикальному і горизонтальному напрямах. Коефіцієнт дифузії в рідкому середовищі може коливатися в межах 10-8-10-10 м2 /с. В повітряному середовищі він має більш високі значення і може досягати 10-6 м2/с, а це означає, що рух високодисперсних частинок одного і того ж розміру в повітрі буде інтенсивнішим, ніж в рідині.

В аерозолях в сильно розрядженій газовій атмосфері, а тим більше в безгазовому просторі відсутній броунівський рух, тобто мимовільний рух частинок під дією кінетичної енергії молекул дисперсійного середовища, і дифузія. Перевести частинки в аерозольний стан можна за допомогою механічних процесів або вибуху, при цьому одночасно може протікати процес диспергирования.

В атмосфері Землі виникнення аерозолів відбувається під дією повітряного потоку.

На частинку (див. мал. 6.5.1.2) з боку повітряного потоку діє аеродинамічна сила, залежна від швидкості цього потоку і направлена вертикально. Необхідною умовою переходу частинок в повітряне середовище є перевищення горизонтально-направленої аеродинамічної сили Frаэ над сумарною дією сил аутогезій Fаут і ваги частинок P

Frаэ>(Fаут+P)

де - коефіцієнт внутрішнього тертя, що враховує різний напрям дії сил.

Якщо сила аутогезій набагато перевищує вагу, то умова спрощується:

Frаэв Fаут

При турбулентній течії переміщення повітря супроводиться інтенсивним перемішуванням, і аеродинамічна сила, діюча на частинку, визначається по формулі:

Frаэ = схВч(2/2)

де сх - коефіцієнт опору частинок; - густина повітря; Вч - площа перетину частинок; - швидкість повітряного потоку.

Після відриву частинок під дією повітряного потоку виникає вертикальна складова аеродинамічної сили Fаэв. Горизонтально і вертикально направлені сили і обумовлюють перехід частинок в аерозольний стан; рух частинок в цих умовах на мал. 6.5.1.2 показаний пунктиром.

Враховуючи вищевикладене, швидкість повітряного потоку, необхідна для перекладу частинок в аерозольний стан:

.

У формулі не враховано утворення прикордонного шару, в якому швидкість повітряного потоку зменшується від певного значення до нуля.

Для руйнування аерозолів і уловлювання дисперсної фази застосовують різні методи. Крупні частинки осідають в пилових камерах. Широко застосовуються мокрі уловлювачі - скрубери, в яких частинки змочуються і осідають на дно. Ефективне очищення в електрофільтрах (апаратах Коттреля), в яких генеруються негативно заряджені газові іони і електрони на коронірующем електроді. Негативні іони, рухаючись до позитивного осадительному електроду, віддають частинкам аерозоля свій заряд, які, заряджаючи, починають переміщатися в тому ж напрямі. На позитивному електроді частинки втрачають заряд і осідають. Проте ефективність всіх методів зменшується із збільшенням дисперсності аерозолів, тому для руйнування високодисперсних аерозолів використовують методи попередньої коагуляції. Найбільш ефективний метод уловлювання аерозолів, заснований на конденсації пари рідини (води) в середовищі аерозоля, де частинки аерозоля виступають в ролі центрів конденсації, укрупнюються і коагулюють через конденсацію на них пари води.

Порошки

Порошками називаються висококонцентровані дисперсні системи, в яких дисперсною фазою є тверді частинки, а дисперсійним середовищем - повітря або інший газ: Т/Г.

Найбільше розповсюдження мають порошки з розмірами частинок від 1 до 100 мкм. Від аерозолів пороші відрізняються більшою концентрацією твердих частинок.

Класифікація здійснюється:

За формою частинок:

равноосеві (однакові розміри по трьох осях);

волоконні (довжина частинок набагато більше ширину і товщину);

плоскі (довжина і ширина набагато більше товщину).

По міжчастковій взаємодії:

связнодисперсні (частинки зчеплені між собою, тобто система володіє якійсь структурою);

свободнодисперсні (опір зсуву обумовлений тільки тертям між частинками).

Класифікація за розмірами частинок дисперсної фази:

пісок (210-5 d 210-3) м;

пил (210-6 d 210-5) м;

пудра (d < 210-6) м.

Порошки, як і інші дисперсні системи, можна отримати двома групами методів: диспергационними і конденсаційними.

Когезія визначає зв'язок між молекулами (атомами, іонами) усередині тіла в межах однієї фази, тобто міцність конденсуючих тіл і їх здатність протистояти зовнішній дії енергетичні витрати при диспергированні тим більше, чим більше когезия. Когезія визначає насипну масу порошку, тобто масу, що займає одиничний об'єм при вільному його заповненні. Чим більше когезія (злипання), тим хаотичніше розподіл за об'ємом частинок порошку, тим більше об'єм вільної упаковки і відповідно менше насипна маса.

Адгезія - явище з'єднання приведених в контакт поверхонь конденсуючих фаз (взаємодія частинок порошку із стінками місткості). Адгезія обумовлює прилипання і утримання частинок на поверхні. Чим більше адгезія, тим більше прилипають частинки порошку до технологічного устаткування.

Аутогезія - окремий випадок адгезії - зчеплення однакових по складу і будові частинок. Адгезіонноє і аутогезіонне взаємодії направлені перпендикулярно площі контакту. В результаті адгезії частинки порошку притискаються до поверхні, а під дією аутогезіі - один до одного. Аутогезія визначається природою і силою міжчасткової взаємодії:

міжмолекулярне тяжіння;

електростатичне відштовхування.

Від розміру частинок залежить питома площа міжфазної поверхні Sуд. Збільшення питомої міжфазної поверхні приводить до наступного:

інтенсифікації процесів, що протікають на поверхні порошку;

посиленню яскравості забарвлення пігментів;

підвищенню якості композиційних матеріалів;

поліпшенню смакових якостей харчових продуктів.

Негативні властивості зменшення розмірів частинок:

злежується;

прилипаємість до поверхонь устаткування і тари (адгезія);

зменшення текучості (сипучість).

Звідси - утруднення технологічних процесів: змішення, дозування, транспортування і т.д.

Починаючи з деяким критичним розміром d0, кр частинок сила зв'язку між частинками стає рівній силі тяжкості:

,

де n - число контактів (точок зіткнення частинок);

m - маса частинки;

g - прискорення вільного падіння.

Подальше зменшення розмірів частинок приводить до мимовільного утворення просторових структур. Критичний розмір служить критерієм агрегируемости, тобто при d < d0, кр в системі виникає просторова структура, така система связнодисперсная; при d >> d0, кр система свободнодисперна.

Характерна властивість порошків - здібність до течії і розпиленості. Порошки, як і суцільні тіла, здатні текти під дією зовнішнього зусилля, направленого тангенціально (по дотичній) до поверхні. Перебіг порошків полягає у відриві шару частинок від собі подібних або від поверхні і в переміщенні окремих частинок або їх агрегатів при збереженні межі розділу між ними. Рух здійснюється трьома способами:

частинки перекочуються по поверхні;

частинки відриваються і падають назад (переносяться “стрибками”);

частинки переносяться в стані аерозоля.

При деякій швидкості зовнішнього зусилля (повітряного потоку), званій критичній, велика частина частинок пересуватиметься “стрибками”. З полидисперсного порошку видувається більш дрібна фракція. Найтонша фракція під дією повітряного потоку переходить в стан аерозоля і переміщається над поверхнею порошку. Розглянутий характер перебігу порошків обумовлює залежність текучості порошків від адгезионных і аутогезионных сил, що утрудняють відривши і пересування частинок, тобто грубодисперсні порошки володіють більш високою текучістю, ніж високодисперсні.

Для м'яких речовин характерна пластична деформація, в результаті якої збільшується площа контакту частинок зменшується текучість.

Важливою характеристикою є також розпиляємість пороша при пересипанні, визначувана силами зчеплення між частинками збільшується при зростанні розмірів частинок і зменшується із збільшенням вогкості. Існують декілька емпіричні закономірностей:

гидрофобние порошки розпиляли краще, ніж гидрофильні;

порошки з твердих речовин розпиляли краще, ніж з м'яких;

монодисперсні порошки розпиляли краще полидисперсних.