Аэрозоли, порошки

Системы с газовой дисперсионной средой.

11.1.1. Аэрозоли и их свойства

Коллоидные системы с газовой дисперсионной средой обычно называют аэрозолями, хотя часто их дисперсность ниже коллоидной и поэтому правильнее их называть аэродисперсными системами. Их отличие от аэрозолей обусловлено разжиженностью и меньшей вязкостью дисперсионной газовой среды, поэтому броуновское движение интенсивнее, а седиментация частиц идет значительно быстрее.

Другое существенное отличие аэрозолей от лиозолей заключается в том, что в газовой среде не может происходить электролитическая диссоциация и невозможно образование двойного электрического слоя из ионов вокруг частиц.

Классификация аэрозолей. По агрегатному состоянию аэрозоли делят на туманы – системы с жидкой дисперсионной средой и дымы – системы с твердыми частицами. К дымам следует отнести по этой классификации и пыли – системы с твердыми, но более крупными частицами.

Дымы, в которых частицы дисперсной фазы адсорбировали значительное количество влаги из атмосферы, очевидно, являются одновременно и дымами, и туманами. Такие дымы часто образуются при большом содержании влаги в задымленной атмосфере над большими промышленными городами. Они называются часто английским термином “смог” [smog = smoke (дым) + fog (туман)].

По дисперсности аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяются на дымы с частицами от 10^-7 до 10^{-3 см и на пыли, размер частиц которых больше 10 -3 см. Туманы имеют довольно крупные капельки размером от 10-5} до 10^{-3 см.}

По происхождению системы с газовой дисперсной средой разделяют на диспергационные и конденсационные аэрозоли. Диспергационные аэрозоли, образующиеся при измельчении твердых тел или распылении жидкостей, имеют довольно крупные частицы и полидисперсны. Аэрозоли, полученные методом конденсации из пересыщенных паров или в результате химической реакции, обычно являются высокодисперсными системами с более однородными по размеру частицами.

Оптические свойства. Оптические свойства аэрозолей подчиняются тем же законам, что и оптические свойства лиозолей. Но вследствие большой разницы в плотностях, а значит, и в показателях преломления дисперсной и газовой фаз, оптические свойства аэрозолей и прежде всего светорассеяние проявляются весьма ярко. Благодаря большому светорассеянию аэрозоли широко применяются для создания дымовых завес. Из всех дымов наибольшей способностью рассеивать и отражать свет обладает дым Р₂О₅, его маскирующая способность обычно принимается за единицу. Вследствие сравнительно близких величин отражения и рассеяния света различной длины волны многие туманы и дымы кажутся белыми. Благодаря светорассеянию аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, уменьшают интенсивность солнечной радиации и влияют на климатические условия.

Молекулярно-кинетические свойства. Очень низкая вязкость и малая плотность газовой дисперсионной среды влияют на характер движения частиц в аэрозролях, на их молекулярно-кинетические свойства. Достаточно крупные частицы аэрозолей под действием силы тяжести должны были бы осесть, однако благодаря конвекционным потокам воздуха они долго могут находиться во взвешенном состоянии, т. е. они обладают кинетической устойчивостью. Аэрозоли полностью лишены агрегативной устойчивости, и каждое прикосновение частиц друг к другу и к стенкам сосуда приводит к слипанию (коагуляции). Так как число столкновений быстро растет с увеличением объемной концентрации аэрозоля, то их нельзя получить при очень высокой концентрации.

Весьма существенно учитывать одновременно идущие процессы диффузии и седиментации при исследовании аэрозоля, заключенного в небольшое пространство.

Из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы, а частицы промежуточных размеров дольше пребывают в аэрозоле.

Электрические свойства. Вокруг частиц в системах с газовой дисперсионной средой не могут возникать двойные электрические слои. Заряд на частицах аэрозолей является случайной величиной и может появиться в результате трения при их распылении; вследствие адсорбции на поверхности частиц ионов газов, образующихся под действием космических лучей, либо в результате образования и последующего нарушения контакта частиц друг с другом или с какой-нибудь поверхностью. Таким образом, частицы одинаковых размеров и одного состава могут иметь различные по величине (и даже по знаку) заряды, изменяющиеся во времени совершенно случайно. То есть у аэрозолей не существует строгой зависимости между дисперсностью и величиной заряда

Однако заряд частицы аэрозоля тем больше, чем больше ее размеры. Экспериментально также установлено, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд, например, Fe₂O₃, MgO, Zn, ZnO. Частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов заряжены, как правило, положительно (SiO₂, P₂O₅). Положительно заряжены частицы NaCl, угля, крахмала; частицы муки несут отрицательный заряд. Таким образом, в отличие от коллоидных систем, в которых заряд частицы определяется избирательной адсорбцией ионов, величину и знак заряда частиц аэрозолей заранее предвидеть нельзя.

Заряд частиц обусловливает явления, происходящие в больших объемах аэрозоля, например в облаках. Там происходит разделение частиц по размеру и, следовательно, по электрическому заряду из-за того, что частицы различных радиусов седиментируют с различной скоростью. В результате электронейтральность облака нарушается, в нем возникают мощные электрические поля и напряженность поля составляет 100 В/см. При этом нижняя часть облака приобретает отрицательный заряд, а верхняя – положительный. При значительной полидисперсности капелек облака, а также при конвекционных потоках, обусловленных ветром, в облаке может возникнуть напряженность поля больше, чем 300 В/см, что ведет к пробою воздуха, т. е. молнии.

Агрегативная устойчивость. Электрический заряд частиц аэрозолей весьма невелик, а иногда практически равен нулю. Поэтому интересно знать, могут ли возникнуть на поверхности частиц аэрозоля молекулярные адсорбционные слои и способны ли такие слои поддерживать агрегативную устойчивость аэрозолей.

Поверхность твердых частиц аэрозоля может быть покрыта пленкой жидкости. У обычного дыма такая пленка может состоять из жидких продуктов перегонки топлива и из конденсированной влаги, однако стабилизирующее действие таких пленок весьма сомнительно.

Таким образом, аэрозоли, обладая при высокой дисперсности достаточной седиментационной устойчивостью, обычно являются агрегативно неустойчивыми системами и в них всегда идет процесс коагуляции. Этим объясняется сравнительно небольшой срок жизни аэрозолей. Максимальную неустойчивость проявляют аэрозоли с наиболее крупными и наиболее мелкими частицами. Первые системы неустойчивы из-за большой скорости оседания частиц, вторые – вследствие интенсивного броуновского движения, приводящего к столкновению частиц и образованию агрегатов.

Коагуляция аэрозолей, являющаяся, как правило, процессом быстрой коагуляции, протекает значительно быстрее, чем коагуляция лиозолей, из-за более интенсивного броуновского движения в системах с газовой дисперсионной средой. Скорость коагуляции сильно возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля. Поэтому как в природе, так и в производственных условиях аэрозоли весьма сильно разбавлены.

Разрушение аэрозолей ускоряется при наличии в них противоположно заряженных частиц. На скорость коагуляции аэрозоля влияют конвекционные потоки, механическое перемешивание, ультразвуковые колебания, поскольку все эти воздействия увеличивают вероятность столкновения частиц друг с другом.

Практическое значение аэрозолей. Аэрозоли имеют большое практическое значение в ряде отраслей промышленности. Иногда их специально получают, и они являются полезными, в других случаях они образуются самопроизвольно и часто нежелательны.

Очень широко применяют аэрозоли в сельском хозяйстве для борьбы с вредными насекомыми. Для опыления лесов и полей наиболее эффективны ядохимикаты в виде аэрозолей. С помощью аэрозолей защищают сады от внезапных заморозков. Дым, который образуется при горении костров, препятствует тепловому излучению поверхности земли и на какое-то время создает в саду более теплый микроклимат.

Жидкое топливо и большую часть твердого сжигают в топках в распыленном состоянии, т. е. в виде аэрозоля. В камеру сгорания дизелей топливо поступает в мелко распыленном состоянии. Чем сильнее распылено топливо и чем лучше оно перемешивается с воздухом, тем топливо сгорает более полно.

Различные поверхности окрашивают путем пневматического распыления красок и лака. Этот метод окраски более производителен, чем обычный, и обеспечивает равномерное покрытие высокого качества.

Аэрозоли широко применяются в медицине для введения лекарственных препаратов через дыхательные пути непосредственно в легкие, где они легко всасываются и быстро поступают в кровь.

Один из самых распространенных процессов в технике – это высушивание. В промышленности, в том числе и в пищевой, проводят высушивание в распылительных сушилках. Подлежащая сушке жидкость, обычно представляющая собой раствор нелетучего компонента в летучем, распыляется до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Благодаря большой удельной поверхности аэрозоля испарение идет очень интенсивно и сушка заканчивается за 15–20 секунд. Таким способом получают сухое молоко, кровь, альбумин.

Аэрозоль воды применяют для тушения горящей нефти, газа, керосина. Распыленная на мельчайшие капли вода подается под давлением в зону огня, при этом образуется большое количество водяного пара, препятствующего доступу кислорода воздуха. Это один из наиболее эффективных методов тушения пожаров.

Аэрозоли наносят вред экологии. В очень многих производствах вместе с дымом в воздух выбрасываются громадные количества веществ, которые загрязняют окрестности, уничтожают растительность и плохо влияют на здоровье людей. Особенно опасны аэрозоли для людей, работающих там, где возможно образование мельчайших твердых частиц. Даже химически инертные вещества в виде аэрозолей могут вызвать ряд легочных заболеваний.

Особое место среди аэрозолей занимают биоаэрозоли. Это микроорганизмы, вирусы, пыльца и споры растений, взвешенные в воздухе. Пыльца, выделяемая цветущими растениями, легко переносится потоками воздуха и, попадая в дыхательные пути, вызывает у некоторых людей заболевание – аллергию. Биоаэрозоли, особенно аэрозоли вирусов, способствуют распространению инфекционных заболеваний.

Пыли многих веществ, в том числе значительная часть пыли пищевых производств, образуют с воздухом взрывоопасные смеси. При взрыве выделяется тепло и большое количество газообразных продуктов сгорания. Для взрыва необходима определенная концентрация пыли в воздухе и источник воспламенения (открытый огонь, искра, разряд статического электричества). Для предотвращения взрыва необходимо строго соблюдать противопожарные мероприятия.

Аэрозоли, образующиеся на ряде производств, могут вызвать потерю ценных продуктов, кроме того, они вредно влияют на здоровье людей. Поэтому перед выбросом в атмосферу воздух (дым) очищают от взвешенных в нем частиц, т. е. разрушают аэрозоли.

Существует много методов разрушения аэрозолей: инерционное осаждение, фильтрация, электростатическое осаждение и коагуляция. В зависимости от вида аэрозоля выбирают какой-либо из методов.

Инерционное осаждение проводят в устройствах, называемых циклонами, в которых поток воздуха с частицами пыли движется по спирали. При этом частицы отбрасываются на стенки и оседают на них. Циклоны применяются для разрушения грубых аэрозолей с крупными частицами.

Фильтрацией можно отделить мелкие частицы на тканевых или волокнистых фильтрах. Действие этих фильтров основано на механическом задержании частиц, не проходящих через поры. Поры легко забиваются, и поэтому такие фильтры используются для аэрозолей низкой концентрации. Разработаны фильтры из ультратонких волокон, способных отделять частицы размером 10^{-4 см.}

Электроосаждение аэрозолей осуществляется на электрофильтрах. Воздух с частицами пыли проходит между двумя электродами с напряжением 25–100 кВ. В этих условиях возникает коронный разряд и поток электронов ионизирует молекулы газа. Ионы газа адсорбируются частицами аэрозоля, сообщая им заряд, и частицы пыли оседают на аноде.

Коагуляция аэрозолей применяется для разрушения облаков и туманов. Ее осуществляют распылением в аэрозоль гигроскопических веществ (AgJ, PbJ₂) или твердого диоксида углерода, частицы которых становятся центрами конденсации или кристаллизации. Коагуляцию аэрозолей можно вызвать воздействием на них ультразвука. Ультразвук ускоряет движение частиц аэрозоля и способствует соединению их в крупные агрегаты, которые затем легко отделяются в циклонах.

11.1.2. Порошки и их свойства

К аэрозолям по свойствам близки порошки, которые можно рассматривать как аэрозоли, скоагулировавшие и образовавшие осадок (аэрогель). К порошкам относятся также грубодисперсные системы, которые вследствие большого размера частиц седиментационно неустойчивы. К типичным порошкам относятся мука, сахарная пудра, какао, крахмал, мел, сажа и др.

Важной характеристикой порошков является их дисперсность. Так, яркость краски и кроющая способность пигментов, усиливающее действие наполнителей, вкусовые свойства порошков сильно зависят от их дисперсности. Поэтому существует много способов определения размера частиц порошков – микроскопически, методом седиментации и с помощью ситового анализа.

Наиболее характерные свойства порошков – способность к течению, распылению и гранулированию. В основе переноса (течения) песка и почвы ветром, сыпучих материалов пневматическим транспортом лежит движение малых частиц на поверхности слоя, состоящего из тех же частиц. Начинается процесс на небольших возвышениях под действием вихрей или случайных причин. Эффективность даже небольших препятствий в борьбе против ветровой эрозии объясняется тем, что частицы почвы не могут перепрыгнуть через препятствия и процесс приостанавливается.

Другая характерная особенность порошков – флуктуация, т. е. переход в состояние, подобное жидкому (псевдожидкое). Если через слой порошка, находящегося в цилиндрическом сосуде, подавать снизу с постоянно возрастающей скоростью какой-нибудь газ, то при малых скоростях течения частицы порошка остаются неподвижными, а высота слоя и коэффициент заполнения пространства постоянными. Когда градиент давления газа сравняется с градиентом гидростатического давления порошка, равнодействующая всех сил, действующая на частицу, станет равной нулю и при дальнейшем повышении скорости течения среды слой начнет расширяться, структура порошка становится более рыхлой. После расширения слоя порошка до определенного размера (5–20 % от начального объема) частицы начинают двигаться и газ начинает барботировать, как через жидкость. В этом состоянии порошок напоминает кипящую жидкость отчего и получил название “кипящего слоя”. Порошки в псевдожидком состоянии благодаря своей текучести легко перемещаются по наклонной плоскости, что используется в промышленных транспортных желобах.

В заключение рассмотрим процесс сухого гранулирования. В результате не слишком сильных механических воздействий многие порошки могут быть переведены в гранулы – крупные агрегаты обычно сферической формы, распыляющиеся в порошок при сравнительно легком надавливании. Порошки можно гранулировать встряхиванием на вибрирующих плоскостях и под действием ультразвука

Метод сухого гранулирования с применением неинтенсивных механических воздействий не следует путать с брикетированием, когда используется связующая среда.