Применение и защита от вредных аэрозолей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

аэрозоль дисперсный физический

1. Классификация

2. Источники

3. Свойства

4. Физические свойства аэрозолей

4.1 Пыли

4.2 Дымы

4.3 Туманы

5. Влияние аэрозолей на человека и окружающую среду

6. Применение и защита от вредных аэрозолей

Литература

1. Классификация

Аэрозолями называются аэродисперсные системы со свободными частицами дисперсной фазы. Они представляют собой дисперсные системы с газообразной (воздушной) дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Размеры частиц в аэрозолях могут быть в очень широких пределах.

В зависимости от величины частичек аэрозоля, аэрозоли с жидкой дисперсной фазой могут быть разделены на следующие группы: высокодисперсные средний диаметр частицы 0,5-5 мк, среднедисперсные 5-25мк, низкодисперсные 25-100 мк, мелкокапельные 100-250 мк, крупнокапельные 250-400 мк.

По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсионной фазы, аэрозоли делят на: туманы - системы с жидкой дисперсионной фазой (размер частиц 0,1-10 мкм) при этом в капельках могут содержаться растворенные вещества или суспендированные твердые частицы; пыли - системы с твёрдыми частицами, диспергированных в газообразной среде в результате механического измельчения твердых тел или под воздействием аэродинамических сил на порошкообразные материалы (размеры частиц больше 10 мкм), в большинстве случаев пыли полидисперсные малоустойчивые системы, содержат больше крупных частиц, чем дымы и туманы; дымы - группа аэродисперсных систем, состоящих из частиц с малой упругостью пара и с малой скоростью седиментации под действием силы тяжести (размеры твёрдых частиц находятся в пределах 0,001-10 мкм). К типичным представителям дымов относятся аэрозоли, образующиеся при конденсации паров стеариновой кислоты, при взаимодействии газообразных аммиака и хлористого водорода, при фотохимическом разложении паров пентакарбонила железа с образованием дыма окиси железа и при окислении паров металла в электрической дуге. Туманы имеют частицы правильной сферической формы (результат самопроизвольного уменьшения поверхности жидкости), тогда как пыли и дымы содержат твёрдые частицы самой разнообразной формы. К типичным аэрозолям можно отнести туман, состоящий из капелек водяного пара, размер частиц которых в среднем составляет 0,5 мкм, топочный дым (сажа) - 0,1-100 мкм, дождевые облака - 10-100 мкм и др.

По размеру частиц аэрозоли можно разделить на 3 группы (r - радиус частицы): неустойчивые, гигантские частицы (r > 10 мкм), относительно устойчивые, большие частицы (r от 1 до 10 мкм) и устойчивые, подчиняющиеся законам броунова движения (r < 1 мкм), так называемые ядра Айткена. Атмосферный аэрозоль подразделяют также на тропосферный (до высоты приблизительно 10 км) и стратосферный (от 10 км приблизительно до 50 км). Продолжительность пребывания аэрозолей в атмосфере определяет их так называемое "время жизни". В тропосфере время жизни аэрозолей составляет от 6 до 40 суток. В стратосфере среднее время жизни аэрозольных частиц увеличивается с высотой, и его оценки дают значения до месяца в слое 10-12 км, 1-2 года на высоте 20 км и от 4 до 20 лет на высоте 50 км.

Радиоактивные аэрозоли условно делятся на малоактивные (активность частички менее 10^-13 кюри), полугорячие (10^-13 - 10^-10 кюри) и горячие (более 10^-13).

По способу образования их подразделяют на естественные (образуются при распаде естественных радиоактивных веществ), бомбовые (при ядерных взрывах), промышленные (в результате деятельности учреждений и предприятий, применяющих радиоактивные вещества и источники ионизирующего излучения).

По характеру образования различают диспергационные и конденсационные аэрозоли. Диспергационные аэрозоли возникают: 1. при разбрызгивании жидкостей -- водяные туманы, образующиеся в водопадах, при морском прибое, в фонтанах; аэрозоли из слизи, образующиеся при кашле и чихании; аэрозоли из инсектицидов, получаемые с помощью аэрозольных баллончиков; 2. при измельчении твёрдых тел и взмучивании порошков -- пыль, поднимаемая при пересыпании тонких порошков (муки, мела), в камнедробилках, при разрушении с земли ветром, автомобильными колёсами, при подметании или образующаяся каменных стен, отбивании угля, шлифовании. Конденсационные аэрозоли появляются при конденсации паров -- природные облака, состоящие из водяных капелек или ледяных кристалликов, возникающих при конденсации водяного пара атмосферы, и близкие к облакам наземные туманы.

Аэрозоли в атмосфере имеют размер частиц менее 0,5 мк (чаще 0,005 - 0,035 мк). В воздухе рабочих помещений обычно преобладают частицы размером до 10 мк (40-90% менее 2 мк). Значение аэрозолей определяется, прежде всего, степенью дисперсности и весовой концентрацией. Характер и скорость оседания аэрозолей определяются метеорологическими условиями, размером и формой частиц, плотностью. Частицы, имеющие размеры менее 5 мк могут длительное время находится в воздухе во взвешенном состоянии, 1 см³ пылинок, диаметр которых равен 1 мк, имеет суммарную поверхность частиц 6 м².Этой огромной удельной поверхностью высокодисперсных аэрозолей объясняется их высокая биологическая активность. Одно из важных свойств аэрозолей - наличие на их частицах электрических зарядов.

2. Источники

Аэрозоли попадают в атмосферу от многих источников. По происхождению они подразделяется на аэрозоли естественного и антропогенного происхождения. Источниками естественных аэрозолей являются океаны, космическая пыль, частицы почвы и горных пород, поднимаемых в воздух при ветровой эрозии, органические вещества -- пыльца растений, споры, бактерии, частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах, продукты вулканических извержений.

Атмосферные аэрозоли над океаном образуются в результате разбрызгивания капель морской воды и их последующего испарения. Капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн, при выпадении на водную поверхность осадков, в прибойной зоне побережий. Основным компонентом морских аэрозолей является хлорид натрия, однако в них присутствуют карбонаты, сульфаты, калий, магний и кальций, ряд органических соединений. Взвешенные в воздухе солевые частицы в прибрежных районах наносят значительный ущерб сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию материалов. По оценкам выпадение соли на океанических островах и в прибрежных районах континентов варьирует от 3 до 4 т/км² в год, максимальные значения достигают 470 т/км² в год.

Важным источником аэрозолей являются вулканы. Аэрозольные частицы проникают в стратосферу в результате вулканических извержений, заноса ядер конденсации при развитии кучево-дождевых облаков, вершины, которых выходят за пределы тропосферы. Вулканические аэрозоли представляют собой тонко измельченную лаву либо капли серной кислоты, содержащей растворы сульфатов, галогенидов, следы никеля и хрома. Одно мощное извержение может многократно превысить выброс частиц в атмосферу, который происходит в периоды "спокойной" вулканической деятельности. Например, при взрыве Кракатау в 1883 г. эруптивные облака поднялись на высоту 30 км и в Батавии, находящейся в 160 км от вулкана, день превратился в ночь. Извержение вулкана Агунг на о. Бали в 1963 г. выбросило большое количество аэрозолей в тропосферу и стратосферу, вызвав на всем земном шаре весьма эффектные вечерние зори. Появление аэрозолей в стратосфере в результате этого извержения вызвало повышение там температуры примерно на 5°С.

Значительная часть аэрозолей поступает в атмосферу с поверхности почвы и скальных пород. В Атлантике, начиная от побережья Сенегала почти до центра океана, простирается область постоянного интенсивного выноса сахарской пыли. Этот район у мореплавателей получил название "море мрака". Известно много районов на Земном шаре, где также постоянно происходит вынос в атмосферу пыли, песка и мелкодисперсных частиц.

Степные, кустарниковые и лесные пожары являются еще одним важным источником тропосферных аэрозолей. Зола, выбрасываемая при пожарах в атмосферу, состоит из неорганических веществ, минералов, первоначально присутствовавших в тканях растений. В золе имеются частицы углерода, не полностью сгоревшие смолистые вещества. Крупные лесные пожары могут быть источниками атмосферных аэрозолей, заметных в глобальном масштабе. Так, дым от лесных пожаров на западе Канады в 1950 г. наблюдался, например, над Британскими островами.

Метеорная пыль может быть источником аэрозолей. Так, субмикронные частицы из межпланетного пространства могут достигать земной поверхности в неизменном виде. Более крупные частично сгорают или расплавляются. Это приводит к распылению капель или паров. Затвердевшие после сгорания метеора, капли или сконденсировавшиеся пары могут достигать тропосферы.

Органические вещества. Частицы биологического происхождения переносятся на большие расстояния. Споры грибов, например, находили над океаном на расстоянии 1000 км, а пыльцу -- в 2500 км от возможного ближайшего источника. Морские бактерии обнаружены в пробах воздуха более чем в 100 км от побережья. Во время полета аэростата "Эксплорер-П" в воздухозаборники-ловушки между высотами 11 и 22 км попали споры плесневых грибков.

Аэрозоли антропогенного происхождения составляют примерно 20% от естественного содержания аэрозолей. Они образуются в основном при сжигании твердого и жидкого топлива. Кроме того, ряд производств, например, цементные заводы, металлургические предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество пыли. При выплавке металлов пары сгорают, а продукты горения конденсируются с образованием дыма, состоящего из твёрдых частиц металлических окислов. Примерно так же образуется дым и при горении топлива (в печах, автомобильных моторах), табака, пороха и различных органических веществ, но в этом случае, помимо твёрдых частиц сажи, в дыме содержатся ещё капельки смолистых веществ.

Пространственное распределение антропогенных аэрозолей неравномерно, и они являются загрязнителями атмосферы, играя пагубную роль как в отношении человека и животных, так и растительных сообществ. Определенный вклад в формирование стратосферных аэрозолей вносит высотная авиация, запуски ракет-носителей. В стратосфере отмечаются аэрозоли внеземного происхождения, содержащие, например, следы никеля.

Однако аэрозоли могут образоваться и в самой атмосфере. Так, конденсационные аэрозоли возникают в результате присоединения друг к другу молекул вещества в пересыщенном паре (так называемая гомолитическая нуклеация) или конденсации пара на присутствующих в нём ионах или мельчайших частицах другого вещества - ядрах конденсации (гетеролитическая нуклеация). Аэрозоли могут образоваться в результате фотохимических реакций, при этом образуются жидкие и твёрдые частицы, которые могут служить ядрами конденсации.

Часто возникают смешанные аэрозоли, состоящие из частиц различного происхождения. Таким примером могут служить некоторые виды облаков или туманов. При взрывном разрушении твёрдых тел или при извержении вулкана происходит, как правило, диспергирование вещества и его испарение с последующей конденсацией паров и образованием аэрозолей.

3. Свойства

Свойства аэрозолей определяются природой вещества, из которого состоят частицы, природой газовой среды, а также концентрацией по массе (общей массой частиц, содержащихся в единице объёма аэрозолей), и счётной концентрацией (числом частиц в единице объёма), размером, формой и зарядом частиц. Все эти величины могут иметь самые различные значения. Так, в безветренную ясную погоду за городом в 1 л воздуха содержится несколько десятков тысяч частиц с общей массой меньше 10^-4 мг, а в шахте вблизи работающего угольного комбайна -- миллиарды частиц с массой до нескольких десятков мг. Только с поверхности морей и океанов в атмосферу ежегодно поднимается в виде аэрозолей около 10¹⁰ т соли. Размер частиц в аэрозолях колеблется примерно от 1 нм до долей мм, например, размеры капелек облаков 5--50 мкм, частиц табачного дыма -- десятые доли мкм, в пыли содержатся обычно частицы различных размеров. Частицы диспергационных аэрозолей имеют довольно большие электрические заряды, как положительные, так и отрицательные. В конденсационных аэрозолях, образовавшихся при не очень высокой температуре, частицы не заряжены, но постепенно приобретают небольшие заряды, захватывая лёгкие ионы, всегда присутствующие в газах.

Важнейшее свойство аэрозолей - способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преимущественно как единое целое и при столкновении коагулировать друг с другом. В покоящейся среде частицы аэрозоля поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собственному тепловому движению. Однако в атмосфере на аэрозоли помимо радиационного температурного прогрева, поля силы тяжести действуют и другие силы. Прежде всего, это горизонтальные и вертикальные движения воздуха, называемые ветром. Горизонтальные движения связаны с циркуляцией атмосферы, перемещением барических образований (циклонов и антициклонов), и есть следствие неодинакового прогрева земной поверхности. Вертикальные смещения связаны с турбулентностью в атмосфере. Под действием силы тяжести в аэрозольном облаке происходит направленное перемешивание менее плотной фазы вверх (всплывание), а более плотной - вниз (оседание или седиментация). Капли тумана или частицы аэрозоля стремятся под действием силы тяжести осесть. В случае облаков это проявляется в виде дождя или снега.

Очень важное значение в атмосфере имеют особенности электрических свойств аэрозолей. Несмотря на то, что электролитическая диссоциация в газовой среде практически отсутствует, частицы в аэрозолях, тем не менее, имеют электрические заряды. Они их приобретают при столкновении друг с другом или с какой-либо заряженной поверхностью, а также при адсорбции газовых ионов, образующихся при ионизации газа, например, космическими, ультрафиолетовыми, радиоактивными лучами. Так как электрическое равновесие в аэрозолях устанавливается очень медленно, распределение зарядов между частицами является чисто случайным. Частицы одной природы и одинакового размера могут иметь разные заряды, отличающиеся даже по знаку. При столкновении нейтральная частица может получить заряд, а у заряженной частицы он может увеличиться, уменьшиться или нейтрализоваться. Таким образом, заряд частицы постоянно изменяется.

В облаках постоянно наблюдается изменение дисперсности капель воды, вследствие чего происходит оседание частиц по размеру и соответственно по электрическому заряду. В результате нижняя часть облака приобретает отрицательный заряд, а верхняя остаётся заряженной положительно.

Важнейшие оптические свойства аэрозолей -- рассеяние и поглощение ими света. При пропускании светового пучка через аэрозоли (например, лучей прожектора через атмосферу ночью или солнечных лучей через щель в затемнённую комнату) наблюдается светящийся конус Тиндаля, тем более яркий, чем выше концентрация и размер частиц. Отдельные рассеивающие свет частицы удобно наблюдать с помощью ультрамикроскопа, однако рассеяние света быстро падает с уменьшением размера частиц и таким путём можно видеть лишь частицы больше 0,1 мкм. Тонкие аэрозоли рассеивают преимущественно короткие световые волны и кажутся поэтому голубоватыми, например дым, выходящий из горящего конца сигарет.

Для изучения оптических характеристик аэрозолей (в частности дымов) таких как видимость, прозрачность, поглощение, ослабление и рассеяние света, аэрозоли можно разделить на 3 основные группы: - слабопоглощающие (первая) и мелкодисперсные (вторая), а также сильнопоглощающие (третья). Так, к примеру, к первой группе можно отнести почти все дымы пиролиза (тления), ко второй группе - в основном дымы горения древесины, торфа, к третьей - нефтяные, резиновые дымы горения ("чёрные" или "коптящие").

Важнейшие процессы, происходящие в аэрозолях -- седиментация, броуновское движение, коагуляция и испарение частиц. Скорость седиментации (оседания под действием силы тяжести) пропорциональна приблизительно квадрату размера частиц и составляет нескольких десятков см/сек для частиц размером 100 мкм, нескольких мм/сек для частиц в 10 мкм и чрезвычайно мала для частиц меньше 1 мкм. Броуновское движение частиц тем интенсивнее, чем они мельче, и делается заметным лишь в случае частиц меньше 1 мкм. Под действием броуновского движения частицы осаждаются на любых поверхностях, с которыми аэрозоли соприкасаются, под действием же седиментации -- лишь на обращенных кверху поверхностях, и на них, поэтому всегда гораздо больше пыли, чем на вертикальных стенках. Коагуляция аэрозолей происходит при столкновениях между частицами под действием броуновского движения, неодинаковой скорости седиментации частиц разной величины, нагоняющих друг друга, под влиянием электрических сил. Твёрдые частицы слипаются при столкновениях, а жидкие сливаются, и число «свободных» частиц уменьшается. Скорость коагуляции (уменьшение числа частиц в единицу времени) пропорциональна квадрату их концентрации. Поэтому при концентрации 10¹⁰ в см³ она уменьшается вдвое, за 0,7 сек, а при концентрации 10⁶ в см³ -- за 12 мин. Испарение частиц наблюдается в аэрозолях из летучих веществ, например при «таянии» облаков. Все эти процессы приводят к разрушению аэрозолей, однако обычно одновременно происходит образование новых частиц.

Важнейшей прикладной проблемой физики аэрозолей является создание аэрозолей с желаемыми свойствами. А так как эффективность аэрозолей, применяемых для дезинфекции в большой степени зависит от их дисперсии, то в конечном итоге речь практически идет о создании аэрозолей с заданной степенью дисперсности.

4. Физические свойства аэрозолей

4.1 Пыли

Лишь в очень немногих пылях частицы обладают характерной формой и могут быть идентифицированы под оптическим или электронным микроскопом. Большинство пылей состоит из частиц неправильной формы, и даже взвешенные частицы представляю собой рыхлые бесформенные агрегаты. Пыль может характеризоваться цветом, только если диаметр частиц превышает несколько микронов, при d?1мк цвет пыли заметен только для очень сильно поглощающих веществ. Некоторые минеральные пыли легко идентифицировать по характерной форме кристаллов и способности минерала раскалываться вдоль плоскостей, соответствующих кристаллическим граням. Например, слюда образует пластинчатые частицы, форму которых легко обнаружить, если поместить их в жидкость с другим показателем преломления и слегка перемешать. Игловидная форма частиц асбеста сохраняется вплоть до размеров ниже разрешающей способности электронного микроскопа. Длина игл асбеста может превышать их диаметр в несколько сот раз. Частицы непрозрачных веществ, например угольной пыли, можно отличить от прозрачных минеральных частиц, однако в образе пыли неизвестного происхождения трудно установить, состоит ли она из частиц угля или какого - либо другого столь же непрозрачного материала. Если частица вещества с двойным лучепреломлением достаточно велика, то под поляризационным микроскопом она дает те же эффекты, что и макроскопические образцы. При этом можно обнаружить кристаллическую природу частицы, и, если двулучепреломление достаточно велико, ее можно идентифицировать с помощью методов, обычно используемых в минералогии. При повторном диспергировании осевшей пыли частицы обычно оказываются в высокой степени агрегированными. Частицы в осадках дымов еще сохраняют структурные свойства исходных частиц, но степень агрегации очень велика. Для исследования отдельных частиц осадок пептизируют в жидкой среде и распыляют полученную суспензию на мелкие капельки.

4.2 Дымы

Образующиеся путем конденсации дымы твердых веществ обычно состоят из сферических аморфных частиц, которые могут коагулировать, образуя агрегаты определенной структуры. Некоторые органические вещества (например, стеариновая кислота) образуют переохлажденные стекловидные шарики, которые могут кристаллизоваться либо во взвешенном состоянии, либо после осаждения. При этом образуются микрокристаллы, и сферическая форма частиц искажается. В частицах некоторых веществ наблюдаются более значительные изменения в связи с вырастанием сравнительно длинных кристаллов из переохлажденных капелек.

Паттерсон описал изменения в частицах дыма м-ксилолазо-в-нафтола после их осаждения на стеклянную пластину. В начале осадок состоял из красных переохлажденных шариков наряду с рыхлыми агрегатами кристаллов. Через некоторое время из агрегатов выросли длинные волоски, образовавшиеся как из самих кристаллов, так и за счет испарении соседних сферических частиц.

В некоторых органических веществах, например ацетанилиде, определенный процент частиц образуется непосредственно в виде кристаллов. Из неорганических веществ одни, подобно трехокси мышьяка, образуют кристаллы, другие - шарики. Частицы конденсационных дымов могут первоначально находиться в жидком состоянии, а затем затвердевать либо в стекловидном, либо в кристаллическом состоянии. Частицы аэрозолей серы и селена могут осаждаться в виде шариков в переохлажденном состоянии; затем в нескольких центрах может начаться кристаллизация, и эти кристаллы растут за счет изотермической перегонки из переохлажденных частиц. Многое зависит от размера исходных частиц и плотности осадка. Если эти параметры превышают некоторую критическую величину, происходит рост крупных капель за счет более мелких, а при низких концентрациях и размерах растут кристаллы. Эти различия связаны с градиентом концентрации пара, такие же изменения происходят во взвешенных частицах. Многочисленные данные по конденсации, росту и испарению жидких и твердых частиц аэрозолей галогенидов щелочных и более тяжелых металлов были опубликованы Баклом.

Мелкие капельки расплавов этих солей получались путем конденсации перегретого пара. Для изучения фазовых превращений в частицах была использована высокотемпературная облачная камера. Методика исследования сводилась к тому, что отмечалось начало мерцания освещенных с боку частиц, изменение в устойчивости аэрозоля и перемены в форме осевших частиц.

В результате горения металлов при высокой температуре образуются окисные дымы. Окиси цинка и магния, образующиеся при горении металлов в воздухе, состоят из кристаллических частиц с такими же свойствами, что и в макроскопических образцах. На микрофотографиях были показаны тетрагональные кристаллы окиси цинка и кубические окиси магния. Для того, чтобы кристаллы успели вырасти, конденсация пара должна быть достаточно медленной. Эти кристаллы благодаря их устойчивости были одним из первых примеров применения электронного микроскопа для изучения субмикроскопической структуры.

Рентгенографические исследования показали, что дымы окиси кадмия, полученные в дуговом разряде, имеют кристаллическое строение и что входящие в состав агрегатов первичные частицы представляют собой кристаллики додекаэдрической формы размером - 0,05мк, соприкасающиеся друг с другом. При исследовании осадков полученных в дуговом разряде дымов двадцати обычных металлов было обнаружено, что они имеют кристаллическую структуру. Серебро, золото и платина дают металлические дымы. Медь, железо, свинец, алюминий образуют окислы. При некоторых условиях серебро частично превращается в Ag₂O. Дымы окислов, способных к полиморфии, обычно состоят из модификации, устойчивой при высокой температуре. Дымы меди и железа представляют собой смесь разных окислов. Образование частиц дыма заканчивается при высокой температуре и в непосредственной близости от электродов. Индивидуальные кристаллические частицы обладают нормальной плотностью. Дымы свинца и висмута состояли из частиц металла, покрытых слоем окисла. Другие металлы давали частицы окислов сферической или близкой к ней формы для окислов с высокой температурой кристаллизации (AI, Ti, Zr, Ta), многогранные для окислов с низкой температурой кристаллизации (Cu, Zn, Cd, Sn, Fe, Co, Ni, W) либо обоих этих типов (Mo, Sb). Форма частицы зависит не только от температуры, при которой она образуется при конденсации пара, но и от скорости конденсации. Если скорость поступления молекул к растущей частице мала, а температура достаточно высока, чтобы обеспечить высокую степень подвижности молекул, может происходить кристаллизация.

Из опытов с дымами хлоридов аммония следует, что незаряженные частицы образуют компактные агрегаты из беспорядочно расположенных частиц, а у заряженных наблюдается ясно выраженная тенденция к образованию цепочек.

Пары металлов, полученные в электрической при высокой температуре, могут охлаждаться и конденсироваться настолько быстро, что образуются очень мелкие кристаллы, которые невозможно различить даже под электронным микроскопом.

Такие дымы состоят из цепочек разной длины или рыхлых агрегатов сферических частиц с различной плотностью упаковки. Из железа образуются длинные цепочки сферических частиц окиси железа размером - 0,05мк, отдельные звенья состоят из примерно одинаковых частиц. Золото дает довольно рыхлые агрегаты и цепочки, у серебра наблюдается тенденция к образованию более плотных агрегатов и более коротких цепочек.

Конденсационные аэрозоли высококипящих веществ могут выглядеть аморфными под электронным микроскопом, хотя их частицы состоят из субмикроскопических кристаллов. Примером может служить дым, полученный нагреванием йода серебра в потоке азота. Изучая рентгенограммы проб, этого дыма, в них были обнаружены присутствие как кубической, так и гексагональной кристаллической модификации (тип ZnS и ZnO). При повышении температуры доля гексагональных частиц увеличивалась, достигая 95% при 800^оС.

Снижая давление газообразной среды, и предотвращая окисление, можно получить компактные сферические частицы из веществ, которые при других условиях дали бы рыхлые агрегаты.

4.3 Туманы

Туманы состоят из сферических капелек, при слиянии которых вновь образуются сферы. Большой инт5ерес представляют аэрозоли, образующиеся при распылении растворов твердых веществ в летучих жидкостях. После испарения растворителя частица твердого вещества может принять аморфную сферическую форму или же кристаллизоваться. Если растворитель очень летуч, то вначале, может образоваться твердая сферическая оболочка, и остатки растворителя будут удаляться путем диффузии сквозь оболочку, в результате образуется полый пористый шарик. С растворами высокополимерных соединений этого не происходит: они образуют при испарении сплошные твердые шарики. При распылении водных растворов могут образовываться шарики и кристаллы. Частицы метиленового голубого, полученные, как и полистероловые обычно имеют сферическую форму, в исключительных случаях могут впоследствии закристаллизоваться. Хлорид натрия образует, кубические кристаллы вплоть до размеров в доли микрона.

Пыли обычно состоят из частиц неправильной формы - единичных или образующих агрегаты. Иногда эти частицы обладают отчетливой кристаллической формой, но и в этом случае исследование пылей осложняется тем, что их свойства зависят от факторов формы и поддаются строгому анализу гораздо труднее, чем в аэрозолях со сферическими частицами. Аналогично обстоит дело во многих дымах. Даже когда аэрозоль состоит первоначально из твердых сферических частиц, в нем в процессе коагуляции образуются агрегаты неправильной формы. Вполне шарообразные частицы в течение всей жизни аэрозоля наблюдаются лишь в туманах. Во всех этих системах частицы могут обладать положительными или отрицательными зарядами различной величины.

Такое деление весьма условно. Аэрозоль представляет собой широкий спектр размеров частиц. Характер поведения частиц аэрозолей будет различным в зависимости от дисперсности. В туманах частицы имеют сферическую форму, сохраняющуюся при коагуляции аэрозолей. Твердые частицы аэрозоля представляют собой либо кристаллики, либо шарики, образовавшиеся при затвердевании капелек. При коагуляции твердых частиц образуются агрегаты различной формы.

Аэрозольная система всегда неустойчива и не может сохраняться в неизменном состоянии. В аэрозолях отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Происходящие в них изменения вызываются рядом причин. Частицы могут исчезать из аэрозоля благодаря седиментации или диффузии к стенкам сосуда, в котором они находятся, или благодаря испарению. Размер капелек раствора может уменьшаться за счет испарения, пока не будет достигнуто равновесие между капельками и окружающей средой. Крупные капельки могут расти за счет более мелких. Броуновское движение и столкновение между частицами, обусловленные различной скоростью седиментации, приводят к образованию агрегатов или более крупных капелек, выпадающих из аэрозоля вследствие седиментации.

5. Влияние аэрозолей на человека и окружающую среду

Аэрозоли могут оказывать влияние на формирование климата как Земли в целом, так и в отдельных её районах. Важнейшая положительная роль аэрозолей являются ядрообразование, т.е. свойство конденсировать воду. Однако, они могут изменять отражательную способность планеты Земля и тем самым изменять глобальную температуру. Аэрозоли играют большую положительную роль в жизни человека. Облака -- важнейшее звено в круговороте воды в природе; поглощая солнечные лучи и тепловое излучение Земли, они умеряют и жару, и холод. Опыление многих растений, в том числе злаков, осуществляется аэрозолями из цветочной пыльцы. Всё жидкое и почти всё твёрдое топливо сжигается ныне в виде аэрозолей. Борьба с вредителями и болезнями культурных растений и лесов ведётся с помощью аэрозолей из ядохимикатов. Многие важные технические материалы, например, сажу, получают в виде аэрозолей. Большое значение приобретает аэрозолетерапия и аэрозольная иммунизация людей и домашних животных. Аэрозоли успешно применяют для борьбы с градобитием.

Вместе с тем некоторые аэрозоли приносят большой вред. Потенциально опасные для органов дыхания пыли выделяются в самых различных производствах, например, минеральные пыли, образующиеся при шлифовке, в литейных цехах, в керамическом производстве, изготовлении силикатного и огнеупорного кирпича, обработке асбеста, в каменоломнях и, особенно, при добыче угля и золота. Число вредных органических пылей, образующихся при переработке хлопка, льна и конопли, значительно меньше, чем неорганических, однако органических пылей, которые приносят сравнительно небольшой вред, довольно много. К органическим пылям, можно добавить цветочную пыльцу и различные пыли, выделяющиеся из мехов и перьев, при чистке ковров, способные вызвать аллергию. Многочисленные продукты сгорания и другие атмосферные загрязнения также могут способствовать возникновению заболеваний. Огромную опасность представляют радиоактивные аэрозоли, образующиеся при атомных взрывах, при добыче и переработке расщепляющихся материалов.

Наибольшее значение имеет действие токсических аэрозолей на органы дыхания. Как правило, аэрозоли с частицами значительных размеров (5 - 10 мк) задерживаются в бронхах, в альвеолы проникают только частицы меньших размеров. Частицы размером менее 0,2 мк мало задерживаются в альвеолах и почти полностью выводятся при выдохе. Несмотря на это, они могут представлять значительную опасность для здоровья. Аэрозоли, имеющие форму пластинок (слюда, полевой шпат) или волокон (стеклянное или минеральное волокно, текстильные волокна), могут проникать в альвеолы, имея большие размеры. Количество частиц аэрозолей, остающееся в легких, зависит от их особенностей и может достигать значительных величин. Попадание в легкие «горячих» радиоактивных частиц может привести к очаговой некротизации клеток. По-видимому, возможно последующее злокачественное перерождение прилегающих тканей.

Возникающие при вдыхании пыли болезни называют пневмокониозами, при этом под термином пыль понимают только аэрозоли с твердыми частицами и исключают микроорганизмы. Болезни, обусловленные специфическими пылями, имеют различные названия. Силикоз возникает при вдыхании пыли, содержащей свободный кремнезем, асбестоз - при вдыхании асбестовой пыли. Биссиноз вызывается пылью, образующейся при переработке хлопка, а багассоз - пылью, возникающей при размалывании жмыха сахарного тростника. Сидерозом заболевают сварщики, а также горнорабочие. Поэтому борьба с производственной пылью -- одна из важнейших задач промышленной гигиены.

Бактериальные аэрозоли, содержащие болезнетворные микроорганизмы и образующиеся при кашле и чихании больных, могут служить источником инфекционных болезней, в том числе гриппа. Природные туманы препятствуют посадке самолётов. Пыльные бури -- настоящее бедствие для жарких, сухих безлесных местностей. Борьба с аэрозольным загрязнением атмосферы в промышленных центрах -- одна из важных проблем.

Аэрозоли, в значительной степени влияют на радиационный баланс атмосферы. Радиационное влияние аэрозолей происходит двумя различными путями: прямое влияние, при котором аэрозоли сами рассеивают и поглощают солнечное и тепловое инфракрасное излучение, и косвенное влияние, когда аэрозоли видоизменяют микрофизические и, соответственно, радиационные свойства облаков и их количество.

Аэрозоли образуются в результате множества процессов как естественного (включая пылевые бури и вулканическую деятельность), так и антропогенного (включая сжигание ископаемых видов топлива и биомассы) характера. Концентрации тропосферных аэрозолей в атмосфере, возросли в последние годы вследствие увеличения антропогенных выбросов частиц и газов, способствуя тем самым радиационному воздействию. Большая часть аэрозолей находится в нижнем слое тропосферы (на высоте нескольких километров), при этом радиационное влияние многих аэрозолей чувствительно к вертикальному распределению. Аэрозоли, находясь в атмосфере, подвергаются химическим и физическим изменениям, особенно внутри облаков, и удаляются из атмосферы в больших количествах и сравнительно быстро атмосферными осадками (как правило, в течение одной недели). Вследствие столь короткого времени пребывания в атмосфере и неоднородности источников аэрозоли распределяются неоднородно в тропосфере, при этом их максимальное количество остается около источников.

Радиационное воздействие, связанное с аэрозолями, зависит не только от этого пространственного распределения, но также и от размера, формы и химического состава частиц, а также от различных аспектов (например, образования облаков) гидрологического цикла. На сегодняшний день данные наблюдений показали, что как в углеродистых аэрозолях от сжигания ископаемых видов топлива, так и в углеродистых аэрозолях от сжигания биомассы, важное значение имеют органические вещества.. Прямое радиационное воздействие, согласно оценкам, составляет -0,4 Вт.м^-2 для сульфатов, -0,2 Вт.м^-2 для аэрозолей от сжигания биомассы, -0,1 Вт.м^-2 для органического углерода от сжигания ископаемых видов топлива и +0,2 Вт.м^-2 для аэрозолей в виде черного углерода от сжигания ископаемых видов топлива.

Оценки косвенного радиационного воздействия под влиянием антропогенных аэрозолей остаются проблематичными, хотя полученные в ходе наблюдений свидетельства указывают на отрицательное косвенное воздействие под влиянием аэрозолей в теплых облаках.

6. Применение и защита от вредных аэрозолей

Аэрозоли находят широкое применение в медицине (ингаляционная иммунизация, аэрозолетерапия, гигиенические и токсикологические исследования),дезинфекция помещений, в сельском хозяйстве(опыление многих растений, борьба с вредителями и болезнями культурных растений), в областях науки и техники.

В медицине аэрозоли применяют путем ингаляций для лечения некоторых болезней. Скорость всасывания со слизистой оболочки дыхательных путей в 20 раз выше, чем из желудочно-кишечного тракта, что объясняется огромной поверхностью альвеолярного эпителия и слизистой оболочки легких. Для превращения фармакологических препаратов в аэрозоли существует ряд установок и приспособлений (например, аэрозольный аппарат АИ-1). Образуемая аппаратом мелкодисперсная система лекарственного препарата проникает в наиболее глубокие отделы легких, что способствует всасываемости ингалируемых веществ их легких в лимфу и кровь. Ингаляции аэрозолей антибиотиков при пневмосклерозе ликвидируют обострение пневмонии, бронхита, способствуют приостановке прогрессирования пневмосклероза. Широко применяются ингаляции аэрозоль-пенициллина при бронхиальной астме. Аэрозольтерапия сердечными гликозидами применяется при легочном сердце, пороке сердца ревматической этиологии, атеросклеротическом кардиосклерозе. Побочных явлений при аэрозольтерапии не наблюдалось.

Для получения аэрозолей служат специальные распылители, генераторы, аэрозольные бомбы и аэрозольные шашки.

Для защиты от вредных аэрозолей применяются специальные респираторы, противогазы, костюмы. Для очистки воздуха от аэрозолей применяется ряд специальных методов:

1. аппараты сухой механической газоочистки - пылеотстойные камеры, циклоны.

2. аппараты мокрой механической газоочистки - скрубберы, коксовые и гравийные фильтры, пенные газопромыватели

3. аппараты для сухой фильтрации, тканевые фильтры

4. комбинированные аппараты.

Литература

1. Х. Грин, В. Лейн. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. - Издат. Химия»,- 1969.- 428 с.

2. Малая медицинская энциклопедия. Отв. ред. В.Х. Василенко, М., «Сов. энциклопедия, том - 1 - 1136 столб., том - 9 - 1192 столб., 1966 - 1968.

3. Коробкин В.И., Передельский Л.В, «Экология», Изд. 9-е, - Изд. Феникс, - 2005- 576 с.

Размещено на Allbest.ru