Механика аэрозолей. 
Коллоидная химия

Газовая дисперсионная среда определяет ряд характерных особенностей аэрозолей. Перемещение аэрозольных частиц отражает механика аэрозолей. Механика аэрозолей рассматривает седиментацию (оседание) аэрозольных частиц, их способность находиться во взвешенном состоянии длительное время (витание даже относительно крупных частиц), осаждение на препятствия и другие возможные перемещения частиц.

Перемещение частиц в газовой среде на значительные расстояния характерно не только для высокодисперсных, но и для среднеи даже грубодисперсных частиц, которые должны были бы оседать вблизи источников их образования.

[Введите текст].

Приведем несколько характерных примеров. Оборудование и помещения некоторых мукомольных и комбикормовых предприятий, а также строения и местность, расположенные далеко от этих предприятий, покрыты слоем мучной и комбикормовой пыли, частицы которых имеют значительные размеры, намного превышающие размеры высокодисперсных систем.

Радиоактивные аэрозоли, образовавшиеся после Чернобыльской катастрофы, были обнаружены за сотни километров от места катастрофы. В этом и других случаях перемещались на значительные расстояния не только седиментационно-устойчивые частицы (см. параграф 10.2), но и частицы, размер которых соответствовал среднеи даже грубодисперсным системам. Показательны в этом отношении пыльные бури, когда воздушные потоки поднимают и перемещают относительно крупные частицы. Так, например, в юго-восточной части Европы были обнаружены крупные частицы песка пустыни Сахары. Все эти и многие другие перемещения частиц связаны с механикой аэрозолей.

Подвижность дисперсионной среды обусловливает перемещение самих аэрозольных частиц, которое может происходить под действием аэродинамической силы, по инерции, в результате действия турбулентных потоков, градиента температуры, что в обобщенном виде показано на рис. 17.3. Движущиеся с определенной скоростью частицы вызывают горизонтальные (F^г_и) и вертикальные (F^в_и) инерционные силы (см. рис. 17.3).

На частицу, взвешенную в воздушном потоке, которая движется со скоростью v, действует аэродинамическая сила, которая в случае турбулентного потока будет определяться уравнением (17.3). В случае ламинарного режима движения воздушного потока можно воспользоваться следующей формулой:

F ^г_аэ = 6рзvr. 17.5).

где r — радиус частиц; з — вязкость газовой среды.

Формула (17.5) справедлива для относительно небольших скоростей газового потока при ламинарном течении, когда отсутствует перемешивание соседних слоев газа.

Кроме горизонтально направленной аэродинамической силы F^г_аэ возникает подъемная аэродинамическая сила F^в_аэ, действующая вертикально и препятствующая оседанию частиц. По аналогии с формулой (17.3) для турбулентного газового потока эта сила определится по формуле.

F ^в_аэ = c_УB_ч(v²/2), (17.6).

где с_у — коэффициент сопротивления частиц, перемещающихся вертикально.

При увеличении скорости воздушного (газового) потока ламинарное течение переходит в турбулентное; образуются вихри различного размера (от единиц до десятков сантиметров), которые приводят к возникновению хаотических флуктуаций. В результате скорость движения частиц резко увеличивается и изменяется направление движения воздушного потока, а следовательно, и частиц. При турбулентном течении, как и в случае ламинарного, будут действовать горизонтально — и вертикально-направленные силы F ^г_тур и F ^в_тур.

Препятствовать оседанию частиц будет сила трения, точнее ее вертикальная компонента F ^в_тр. В результате нагревания и меньшей плотности нижних слоев воздуха образуются конвективные потоки, которые также воздействуют на частицы (F ^в_кон) и предотвращают их оседание.

Таким образом, отличительной особенностью механики аэрозолей является действие на частицы ряда сил, которые вызваны перемещением газовой среды и частиц, находящихся в ней.

Соотношение сил, действующих на частицы, может быть различным и изменяться во времени, в результате чего частицы приобретают способность находиться длительное время во взвешенном состоянии и перемещаться на далекие расстояния.

Наибольшее значение в жизни людей имеют атмосферные аэрозоли, которые возникают естественным путем или образуются искусственно, в том числе в результате работы промышленных предприятий. В последнем случае говорят о промышленной пыли.

Большая часть атмосферных аэрозолей образуется естественным путем: почвы и растительный мир дают 50—80%, водная поверхность — 10—20%, космическая пыль — до 30% всех аэрозолей. Искусственным путем получается до 10% аэрозолей: из них 5—45% — за счет выбросов промышленных предприятий и 10% — за счет выбросов транспорта. Конечно, приведенные цифры являются усредненными: в разных районах доля аэрозолей различного происхождения может отличаться.

Переход почвы в аэрозольное состояние происходит под действием ветра. Аэрозоли образуются также при выветривании горных пород. На Земле насчитывается свыше 600 действующих вулканов. Извержение только одного вулкана сопровождается выбросом в атмосферу нескольких десятков тонн грунта и лавы, значительная часть которых переходит в аэрозольное состояние. Микроорганизмы, вирусы, пыльца и споры растений подхватываются потоком воздуха и образуют аэрозоли.

Мировой океан, моря и многочисленные водоемы Земли поставляют в атмосферу воду в виде капель и пара. В результате конденсации пара возникают облака, которые являются аэрозолями и состоят из капель и кристалликов воды. В облаках воды всего 10^-7% от общего количества воды на Земле, но и этого достаточно для того, чтобы определять климат и погоду, влиять на урожай, определять условия труда и жизни людей.

Атмосферные аэрозоли могут быть образованы искусственным путем. При помощи самолетов и наземных средств распыливаются огромные массы различных ядохимикатов, которые превращаются в аэрозоли. В шахтах, на вскрытых карьерах по добыче полезных ископаемых, около различных заводов, в том числе комбикормовых, мельниц, тепловых электростанций и других промышленных предприятий образуются аэрозоли, загрязняющие воздух.

Все виды наземного, воздушного и морского транспорта являются генераторами аэрозолей за счет неполного сгорания топлива.

Таким образом, источников образования аэрозолей более чем достаточно. Ежегодно в среднем один квадратный километр земной поверхности посылает в атмосферу 20 т раздробленной массы, которая превращается в атмосферные аэрозоли. Значительная часть этой массы затем в результате разрушения аэрозолей возвращается на Землю.

Устойчивость аэрозольных систем может быть нарушена естественным путем за счет процессов осаждения, оседания (седиментации), а также принудительно. Разрушению природных аэрозолей способствуют осадки в виде дождя, снега, града, которые возникают в результате укрупнения капель или кристалликов льда.

В облаках капли воды имеют диаметр в пределах от 2 до 20 мкм, а диаметр дождевых капель в сотни раз больше (до 3 мм). При падении капли дождя захватывают более мелкие твердые частицы, и образуется дисперсная система Т, Ж/Г. Происходят процессы пылеподавления и разрушения атмосферных аэрозолей. Влага атмосферы в среднем обновляется 42 раза в год, т. е. ежегодно воздух фильтруется атмосферными осадками 42 раза.

Воздушный (газовый) поток, несущий аэрозольные частицы, встречается с различными преградами. Это могут быть деревья, складки местности, здания и строения, различные предметы. На поверхности этих препятствий могут осаждаться аэрозольные частицы. Оседание частиц под действием гравитации (седиментация) способствует разрушению аэрозолей, которое при необходимости можно осуществлять искусственно.