Файл: Аэрозоли.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Реферат

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 562

Скачиваний: 12

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Определение и классификация аэрозолей

2 Образование аэрозолей Согласно классификации, применяемой ко всем дисперсным системам, рассмотрим два основных способа образования аэрозолей: конденсационный, в котором частицы коллоидных размеров образуются путем агрегации молекул, и дисперсионный, в котором мелкие частицы образуются путем дробления вещества. Образование аэрозолей при конденсации. Конденсация паров — наиболее распространенный способ образования аэрозолей. Пар высокой концентрации, находящийся в воздухе или инертном газе, охлаждается при разбавлении его холодным воздухом или быстром расширении до тех пор, пока не станет пересыщенным и не начнет конденсироваться, образуя аэрозоль из жидких или твердых частиц. Примером образования конденсационных аэрозолей может служить возникновение облаков при подъеме теплого влажного воздуха в холодные верхние слои атмосферы. В лаборатории получают конденсационные аэрозоли путем возгонки многих неорганических и органических веществ. В большинстве случаев процесс, приводящий к пересыщению, например, смешение холодного и теплого воздуха в атмосфере или расширение и охлаждение газообразных продуктов горения, происходит одновременно с конденсацией, и степень пересыщения в различных точках системы в любой момент неодинакова. Пар может конденсироваться на стенках сосуда, на частицах пыли или атмосферных ядрах конденсации, на ионах, содержащихся в паре или нейтральном газе, на полярных молекулах, например серной кислоты, а при очень большом пересыщении — на молекулах или молекулярных агрегатах самого пара. Для конденсации на каждом типе этих ядер требуется различная степень пересыщения.Коагуляция, непрерывно происходящая в аэрозоле с самого начала конденсации (если не принять особых мер для ее подавления), значительно усложняет процесс. Поэтому нет ничего удивительного в том, что прямых данных о самых ранних стадиях образования частиц очень мало. Для точного определения условий конденсации пересыщенного пара необходимо наличие определенной степени пересыщения, одинаковой во всем объеме системы. При этом пересыщение не должно уменьшаться за счет диффузии пара к стенкам сосуда. Такие условия недостижимы на практике, но в камере Вильсона, сконструированной в 1897 году специально для этой цели, они выполняются достаточно хорошо. Многие исследователи вслед за Вильсоном определили визуальным методом степень пересыщения, необходимую для начала спонтанной конденсации различных паров, а также для конденсации на ядрах различных типов.Спонтанная конденсация пересыщенного пара. Рассмотрим каплю радиуса г из жидкости с молекулярным весом М, плотностью р и поверхностным натяжением γ. Предположим, что капля окружена паром с парциальным давлением р, а равновесное давление пара над плоской поверхностью жидкости равно . Отношение р/ называется пересыщением. Согласно известному уравнению Томсона — Гиббса, капля находится в равновесии с паром, если (2.1)где R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура. Ла Мер и Грин экспериментально подтвердили применимость этого уравнения для капель радиусом 0,08—1,0 мк.Для каждой степени пересыщения существует определенный критический радиус . Более мелкие капли испаряются, а более крупные — растут. Конденсация может происходить только тогда, когда в паре присутствуют ядра, радиус которых больше определяемого уравнением. Был сделан вывод, что ядрами конденсации являются зародыши определяемого уравнением (2.1) размера, представляющие собой молекулярные агрегаты, образующиеся при флуктуациях концентрации пара. Большинство этих агрегатов снова распадается, но некоторые продолжают расти и превращаются в ядра конденсации критической величины.Образование аэрозолей на посторонних частицах– нерастворимые ядра Если в паре присутствуют твердые посторонние частицы, поверхность которых смачивается конденсирующейся жидкостью, это облегчает конденсацию. Проще всего объяснить это явление тем, что на поверхности частиц адсорбируется тонкая пленка пара. Поэтому в дальнейшем частицы ведут себя как капельки той же величины, и критическое пересыщение зависит от размеров частиц согласно уравнению Томсона-Гиббса. Но это объяснение правильно лишь отчасти: если бы размер посторонних частиц был единственным фактором, определяющим их свойства в качестве ядер конденсации, то пар мог бы конденсироваться и без таких частиц, и в отсутствие заметного пересыщения на стенках сосуда, поскольку стенки можно считать практически плоскими (r = ∞). Из фольмеровской теории конденсации на плоской поверхности следует, что критическое пересыщение (для определенной скорости образования капелек) должно возрастать с увеличением краевого угла, образуемого жидкостью на данной поверхности. В дальнейшем Флетчер доказал, что частицы могут быть эффективными ядрами конденсации лишь в том случае, если они не только достаточно велики, но и в достаточной степени смачиваемы.Важна также структура поверхности. Крупные ямки и выступы на гладкой поверхности будут снижать критическое пересыщение, а очень мелкомасштабные неоднородности, такие как сдвиги решеток на поверхностях кристаллов, могут служить местами предпочтительной конденсации, но, вероятно, не могут заметно изменить величину критического пересыщения. Вещество с хорошими льдообразующими свойствами должно, кроме того, обладать незначительным поверхностным зарядом и небольшой гидрофобностью, то есть вода должна давать умеренный краевой угол на веществе. – растворимые ядра Если ядра состоят из вещества, растворяющегося в конденсирующейся жидкости, то давление пара этой жидкости понижается, а следовательно, уменьшается и пересыщение, необходимое для начала конденсации. Если раствор и чистый растворитель имеют одинаковую кривизну поверхности, то давление пара над раствором меньше на величину δр, которая определяется по уравнению: (2.2)где N — число молей растворенного вещества на 1000 г раствора, а С — величина, зависящая от природы растворяемого вещества и почти не зависящая от его концентрации. Если в капле радиусом г и плотностью р содержится m граммов растворенного вещества с молекулярным весом М, то (2.3)и следовательно, (2.4)Тогда условие равновесия давления пара над поверхностью капли может быть записано в виде: (2.5)Это уравнение является основным для конденсации паров воды на ядрах конденсации в атмосфере.Образование аэрозолей при смешении газовых потоков, содержащих пары и имеющих разную температуру.Аэрозоли нередко образуются в природе, в лабораториях и в промышленности путем смешения двух потоков газа, содержащих пар вещества и настолько различающихся по температуре, что при их смешении создается пересыщение. В простом случае полного смешения данных объемов двух газов температура и концентрация пара в образующейся смеси и степень пересыщения могут быть рассчитаны по уравнениям теплового и материального балансов. Если и — парциальные давления пара в обоих газах, п — отношение молярных концентраций обоих газов в смеси, а р и Т — парциальное давление пара в смеси и ее абсолютная температура, то степень пересыщения S может быть рассчитана по уравнению: (2.6)где — выражение Клаузиуса для давления насыщенного пара . Значение Т определяется из аналогичного уравнения: ­­­­­­­ (2.7)Где b– отношение молярных удельных теплоемкостей обоих газов.Получение аэрозолей путем химического взаимодействия в газовой фазеНекоторые газы и пары взаимодействуют друг с другом с образованием продуктов, имеющих при обычных температурах низкое давление пара. Так образуется дым NH Cl при взаимодействии НСl и NH или туман H SO при взаимодействии паров SO и воды. Поскольку газы состоят из свободных молекул, то и реакция должна происходить между последними, и только что возникший продукт реакции также должен находиться в виде свободных молекул. Из них путем агрегации и конденсации образуются очень мелкие жидкие или твердые первичные частицы, скорость возникновения которых определяется степенью пересыщения продукта реакции. Таким образом, образование тумана или дыма при химическом взаимодействии газообразных веществ является по существу конденсационным процессом. При получении гигроскопичных аэрозолей конденсация начинается с взаимодействия пара вещества с атмосферной влагой. При этом образуются гигроскопичные ядра, на которых вода продолжает конденсироваться до тех пор, пока давление пара образованного таким образом раствора не придет в равновесие с парциальным давлением водяного пара в атмосфере. Тепло, выделяющееся в ходе экзотермичных реакций и разбавления растворов, рассеивается, а благодаря весьма малой величине первичных частиц быстро устанавливается химическое и физическое равновесие. На самой ранней стадии процесса увеличение весовой концентрации аэрозолей, например при возрастании относительной влажности воздуха, приводит не к укрупнению отдельных частиц, а к увеличению их числа. Однако спустя очень короткое время основным фактором, определяющим размер частиц, становится коагуляция, скорость которой пропорциональна квадрату числа частиц в единице объема и поэтому тем больше, чем выше весовая концентрация аэрозоля. Образование аэрозолей при горенииОсновной механизм образования дыма при горении также заключается в конденсации пара, но вследствие высоких температур и быстрого протекания процесса проанализировать его детально невозможно. В зоне реакции молекулы сталкиваются между собой, образуя ядра, из которых путем захвата других молекул вырастают первичные частицы. Можно различить два типа таких частиц: а) кристаллические первичные частицы, образующиеся в том случае, когда отношение энергии активации диффузии молекул к фактору kТ достаточно мало и возможна перегруппировка молекул в кристаллическую форму, и б) аморфные первичные частицы, образующиеся в условиях, когда это отношение слишком велико, чтобы допустить такую перегруппировку. Первичные частицы, возникающие при сжигании полоски магния на воздухе, имеют почти идеальную кубическую форму кристаллов окиси магния. В оптическом микроскопе они не видны, но легко различимы в электронном микроскопе. С другой стороны, первичные частицы сажи, как показывает электронная микрофотография, имеют почти сферическую форму и аморфное строение. Но в любом случае, после того как частицы покинут зону реакции, начинается коагуляция и образование агрегатов. Например, частицы сажи, получающиеся при неполном сгорании, образуют длинные цепочки. При сжигании различных видов топлив возникают сложные аэрозоли. Получение аэрозолей путем диспергирования жидкостейВ описанных выше конденсационных методах получения аэрозолей коллоидно-дисперсная фаза возникала из молекулярно-дисперсной (газообразной) фазы. В диспергационных же методах происходит разделение сравнительно больших объемов твердых или жидких тел на частицы коллоидных размеров. Сообщаемая жидкости энергия заставляет ее принять неустойчивую форму и распадаться на капли; твердое тело диспергируется на мелкие частицы. Процесс распыления жидкостей интенсивно исследовался в связи с конструированием и эксплуатацией форсунок, широко используемых в промышленности, однако физические его основы еще не вполне выяснены и механизм распыления еще не поддается дальнейшего применения аэрозолей в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. При распылении жидкостей энергия главным образом затрачивается на: а) образование новой поверхности, б) преодоление сил вязкости при изменении формы жидкости и в) потери, обусловленные неэффективной передачей энергии жидкости. Энергия, необходимая для образования новой поверхности при разделении жидкости на капли радиусом r, равна 3γ/rρ на 1 г. Для капель воды диаметром 1 мк это составляет 0,43 Дж. Кроме того, требуется еще некоторое добавочное количество энергии, обусловленное тем обстоятельством, что создаваемая в процессе распыления жидкости поверхность больше конечной поверхности образовавшихся капель. Процесс образования капель протекает очень быстро, порой в течение нескольких микросекунд. При этом скорость деформации жидкости очень велика и количество энергии, затрачиваемой на преодоление сил вязкости, должно быть значительным. Если предположить, что вязкая жидкость вытягивается в тонкую нитку или пленку, которая распадается затем под действием поверхностного натяжения, образуя капли со средним диаметром равным толщине нити, то можно рассчитать минимальную работу, необходимую для изменения формы жидкости. По Монку, это можно сделать, приняв, что жидкость входит в широкий конец конической переходной области, равномерно ускоряется в ней и покидает ее в виде нити. Минимальная энергия, рассеиваемая в единице объема жидкости, равна (2.8)здесь и — диаметры начала и конца конической переходной области; L — ее длина; R — объемная скорость течения жидкости; η — вязкость. Методы распыления жидкостейПрименяемые при получении туманов диспергационными методами распылители жидкостей можно разделить на три основные группы. К первой, имеющей особенное значение для тонкого распыления жидкостей, относятся пневматические или аэродинамические распылители, в которых вытекающая из сопла жидкость дробится движущимся с большой скоростью воздухом или иным газом. С этим методом распыления мы встречаемся в обычных краскораспылнтельных пистолетах, форсунках Вентури и многочисленных распылителях, служащих для получения инсектицидных, дезинфицирующих и лекарственных туманов. Для этих распылителей характерен очень широкий диапазон размеров капель, который в некоторых случаях можно сузить, улавливая более крупные капли в самом распылителе. В распылителях второй группы жидкость подается на центр вращающегося диска или опрокинутого конуса и сбрасывается в распыленном состоянии с его краев под действием центробежных сил. Получаемый при этом туман характеризуется значительно большей монодисперсностью, чем при других методах распыления жидкостей. В третьем, гидравлическом или гидродинамическом, методе жидкость продавливается под большим давлением через сопло. Здесь дисперсность получаемых капелек в большей степени зависит от физических свойств жидкости и условий ее течения через сопло, чем от взаимодействия между жидкостью и окружающим газом. По-видимому, наиболее удачным распылителем гидравлического типа и, пожалуй, единственным, нашедшим применение для тонкого распыления жидкостей, является центробежная форсунка с вихревой камерой, применяющаяся в сельскохозяйственных опрыскивателях, при распыления жидкого топлива и в двигателях внутреннего сгорания. Здесь жидкость вводится в камеру, закручивается в ней и выпускается через небольшое центральное отверстие. Помимо этих трех главных типов имеются еще два менее известных типа распылителей специального назначения. Это — распылители, диспергирующие жидкость при помощи электростатических сил, и акустические распылители, в которых распыление происходит под действием высокоинтенсивных звуковых или ультразвуковых колебаний. Образование аэрозолей путем диспергирования твердых тел и распыления порошковАэрозоли, которые мы условились называть пылями, образуются либо путем диспергирования твердых тел, либо путем распыления порошков. Примерами первой группы могут служить пыли, образующиеся при измельчении горных пород и минералов путем дробления, размола, бурения и взрыва. Ко второй группе следует отнести характерные для пустынь природные атмосферные пылевые облака, а также аэрозоли, искусственно создаваемые человеком из инсектицидных порошков. Твердое тело можно механически измельчить, прилагая к нему срезывающие и растягивающие усилия, которые разрушают его путем раскалывания или растрескивания по плоскостям спайности. В некоторых минеральных пылях можно обнаружить два класса частиц: небольшие осколки материала и мелкие частицы, отрывающиеся от только что возникающих поверхностей вследствие образования микротрещин. При механическом измельчении невозможно получить частицы, размер которых меньше некоторого минимального. После достаточно продолжительного измельчения материала дальнейшие усилия уже не изменят распределения частиц полученного порошка по размерам. Возможно, некоторые из образующихся при тонком измельчении частиц, вновь соединяются друг с другом и с более крупными частицами с той же скоростью, с какой они образуются, и таким образом устанавливается некое динамическое равновесие Ударные волны, создаваемые с помощью взрывчатых веществ, казалось бы, должны особенно эффективно дробить твердые тела на мельчайшие частицы, однако в действительности размеры частиц в пылях, образующихся при детонации взрывчатых веществ, помещенных внутри горной породы или на ее поверхности, мало отличаются от размеров частиц, образующихся при обычном измельчении тел. Правда, в пыли, образующейся при взрывных работах в шахтах, присутствует значительное число очень мелких частиц, но из электронномикроскопических снимков видно, что они имеют сферическую форму, и это наводит на мысль, что многие из них представляют собой частицы дыма, образовавшиеся из самого взрывчатого вещества. Хотя при взрывах осколков образуется больше, чем при обычном измельчении, однако размеры мельчайших частиц близки к размерам частиц промышленных пылей. Образование аэрозолей возможно также в результате взрывоподобного разрушения твердых тел выделяющимися внутри них газами. Невероятно большое количество тонкодисперсной пыли, выбрасываемой в атмосферу при некоторых извержениях вулканов, видимо, образуется именно этим путем. При выходе магмы, насыщенной парами и газами при высоких давлениях в глубине земли, на поверхность давление внезапно сбрасывается — и она взрывается с огромной силой. Частицы многих пылей и тонких порошков легко агрегируют. Поэтому, хотя и возможно создать облако пыли, продувая воздух через порошок, большинство взвешенных частиц будет представлять собой агрегаты (если только не приняты специальные меры для их дезагрегации). Адгезия мелких частиц друг к другу и к гладким твердым поверхностям частично объясняется действием сил Лондона — Ван-дер-Ваальса, то есть слабых аттракционных сил, действующих между любыми молекулами. Хотя эти силы очень малы и убывают пропорционально 7-ой степени расстояния между молекулами, адгезия между двумя мелкими частицами (содержащими миллионы молекул) может иметь заметную величину. Порядок величины силы адгезии можно определить, интегрируя молекулярные аттракционные силы по всем взаимодействующим парам молекул в обеих частицах. Таким путем было найдено, что сила адгезии между двумя твердыми шариками с диаметрами и равна: (2.9)где х — величина зазора между шариками, а А — постоянная, теоретически равная

3 Морфологические свойства аэрозольных частиц

4 Элементы механики аэрозолей

4.1 Скорость падения частиц

4.2 Броуновское движение и диффузия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Диффузия частиц

При изучении диффузии рассматривают миграцию частиц аэрозоля в направлении градиента концентрации. Поскольку всегда частицы преимущественно перемещаются из зон с высокими концентрациями в зоны с низкими значениями, происходит миграция аэрозоля к стенкам или другим поверхностям, где концентрация, вследствие осаждения равна нулю. Однако есть случаи, когда аэрозоли находятся в весьма ограниченном пространстве, например, в органах дыхания или в тонких пробоотборных трубках, и тогда убыль частиц вследствие диффузии может быть ощутимой.

Таблица 4 - Осаждение аэрозолей в результате диффузии для разных случаев

Стационарная диффузия
Концентрация частиц неодинакова в различных точках, но со временем не изменяется. Например, диффузия частиц из зоны с постоянной концентрацией к стенкам, на поверхности которых концентрация равна нулю
Число частиц, оседающих на единицу поверхности за единицу времени, на основе первого закона Фика

,

где δ – расстояние от зоны с постоянной концентрацией до стенки

Нестационарная диффузия
Концентрация аэрозолей меняется во времени. Причиной является диффузия и последующее оседание аэрозолей на стенках или иных поверхностях.
Бесконечный объем, плоская вертикальная стенка

, проинтегрировав от t=0 до t=t, находим число частиц N, осевших на единице поверхности за время t:



Осаждение в канале

Конвективная диффузия
Перемещение частиц в движущейся среде. Частицы могут перемещаться как посредством диффузии, так и вместе с потоком. Полный поток равен сумме двух потоков.
Общее уравнение в векторной форме (сумма конвекционной и молекулярной диффузии соответственно)



Общее уравнение для системы декартовых координат



ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Изучение образования и физики аэрозолей открывает широкие возможности для решения целого ряда прикладных задач, имеющих важное народнохозяйственное значение. Чрезвычайное многообразие процессов, регулирующих содержание и структуру аэрозольных частиц в атмосфере, и весьма изменчивая их природа приводит к значительным вариациям аэрозольного компонента атмосферы. Для решения многих теоретических и прикладных задач требуются описание структуры атмосферных аэрозолей, которую проще строить, используя набор моделей для характерных условий.

В представленной работе были рассмотрены некоторые основные процессы, регулирующие структуру аэродисперсной системы: конденсация, диспергирование, оседание и диффузия. Роль этих процессов в различных условиях существенно меняется.

Наиболее важным характеристикам аэрозольных моделей являются: пространственная структура поля концентрации аэрозолей N (r, х, y) распределение частиц по размерам n(r), химический состав частиц, определяющий в значительной степени физико-химические свойства аэрозолей, в частности плотность вещества частиц ρ, форма частиц, изменение указанных характеристик во времени и в зависимости от метеорологических факторов. Основные допущения, используемые при создании аэрозольных моделей - это предположение, что все аэрозольные частицы имеют сферическую форму, предположения о равномерном распределении химических соединений в аэрозолях определенного типа и в веществе аэрозольных частиц разных размеров, о горизонтальной однородности структуры атмосферных аэрозолей на достаточно больших расстояниях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Грин Х., Лейн В. «Аэрозоли – пыли, дымы и туманы» Пер. с англ. ред. д-ра хим. Наук Фукс Н.А.– Л.:Изд-во «Химия», 1972, стр. 428

  2. Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Л.: Изд. ЛГУ, 1982.

  3. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999.

  4. Райст П. «Аэрозоли. Введение в теорию»: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – стр. 278

  5. Спурный К., Йех Ч., Седлачек Б., Шторх О. «Аэрозоли» Пер. с чешского Рябова Н.В., Стася К.Н., под ред. К.П. Маркова и М.П. Пчельникова – М.: Атомиздат, 1964, стр. 360

  6. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд. АН СССР, 1955.



Смотрите также файлы