🗊Презентация Различные виды дисперсных систем. Аэрозоли; эмульсии; коллоидные ПАВ; ВМС

Различные виды дисперсных систем Аэрозоли; эмульсии; коллоидные ПАВ; ВМС

Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. 1972

Основные источники стратосферного аэрозоля: Основные источники стратосферного аэрозоля: 1. Прямые вулканические выбросы 2. Конвективный подъем частиц 3. Метеорное вещество 4. Антропогенные источники

Классификация глобального стратосферного аэрозоля (Gerding et al, 2003): Классификация глобального стратосферного аэрозоля (Gerding et al, 2003): 1) фоновый стратосферный аэрозоль; 2) вулканический аэрозоль; 3) дымовые частицы от пожаров; 4) полярные стратосферные облака.

Агрегатное состояние фаз дисперсной системы (газообразная дисперсионная фаза и жидкая или твердая дисперсная фаза); Агрегатное состояние фаз дисперсной системы (газообразная дисперсионная фаза и жидкая или твердая дисперсная фаза); Способы образования аэродисперсной системы (конденсационный и диспергационный); Тип аэрозоля (пыли, дымы и туманы); Степень дисперсности (наночастицы, высокодисперсные, тонкодисперсные и грубодисперсные аэрозоли);

Плотность дисперсной фазы (аэрозоли и аэровзвеси); Плотность дисперсной фазы (аэрозоли и аэровзвеси); Соотношение внутренних структурных элементов дисперсионной и дисперсной фаз (определяет выбор физико-математической модели для описания аэродисперсной системы); Другие классифицирующие признаки, которые могут быть востребованы при необходимости.

К основным морфологическим свойствам аэрозольных частиц относят их форму, структуру и характерные размеры. Изучение особенностей и закономерностей этих характеристик позволяет не только уточнить возможные классификации аэрозолей, но и глубже понять физико-химические процессы их образования и эволюции. Кроме того, изучая и обобщая основные морфологические свойства частиц, становится возможным разрабатывать и эффективно применять на практике адекватные модельные представления об аэрозолях различных типов. К основным морфологическим свойствам аэрозольных частиц относят их форму, структуру и характерные размеры. Изучение особенностей и закономерностей этих характеристик позволяет не только уточнить возможные классификации аэрозолей, но и глубже понять физико-химические процессы их образования и эволюции. Кроме того, изучая и обобщая основные морфологические свойства частиц, становится возможным разрабатывать и эффективно применять на практике адекватные модельные представления об аэрозолях различных типов.

а) спора растений (биоаэрозоль); б) малый агрегат из семи первичных частиц конденсационного происхождения; в) крупный рыхлый агрегат первичных частиц; г) фрактальная структура вторичных частиц типа сажи; д) вирус (биоаэрозоль); е) крупная твердая частица неправильной формы диспергационного происхождения. а) спора растений (биоаэрозоль); б) малый агрегат из семи первичных частиц конденсационного происхождения; в) крупный рыхлый агрегат первичных частиц; г) фрактальная структура вторичных частиц типа сажи; д) вирус (биоаэрозоль); е) крупная твердая частица неправильной формы диспергационного происхождения.

Микрофотографии атмосферных частиц Микрофотографии атмосферных частиц (Mugica V. at al. // J. Aerosol Sci. 2002. V. 33. N 1. P.91): а) частицы на фильтре PM 10; б) углеродные частицы, образовавшиеся при горении; в) частица промышленных выбросов с высоким содержанием железа и меди; г) частица с большим содержанием ванадия; д) органическая частица; е) глинистая почвенная частица, содержащая алюминий, серу, железо и кальций.

1. Ультрадисперсные аэрозоли или наночастицы (0,001-0,01 мкм); 1. Ультрадисперсные аэрозоли или наночастицы (0,001-0,01 мкм); 2. Высокодисперсные аэрозоли (ВДА) (0,01-0,1 мкм); 3. Среднедисперсные (тонкодисперсные) аэрозоли (0,1-10 мкм); 4. Грубодисперсные аэрозоли (10-100 мкм).

Удельная поверхность (отношение площади поверхности к объему тела связана линейными размерами тела соотношением Удельная поверхность (отношение площади поверхности к объему тела связана линейными размерами тела соотношением где - так называемый фактор формы (K = 2 для пластинчатой частицы, 4 - для волок-нистой частицы, 6 - для кубической частицы), а - показатель дисперсности. Сейчас становится понятной терминология в классификации частиц по степени дисперс-ности.

Аэрозоли – это в общем случае динамически неустойчивая, нестабильная дисперсная система, обладающая ярко выраженной пространственно-временной изменчивостью. Анализ процессов эволюции аэродисперсных систем позволяет выделить основные этапы ее существования, которые образно можно охарактеризовать как «рождение, жизнь и смерть» аэрозолей. Для атмосферного аэрозоля существуют ситуации, когда устойчивое состояние системы существует достаточно протяженное время (месяцы и даже годы), для аэрозолей в технологических процессах это практически никогда не реализуется. Аэрозоли – это в общем случае динамически неустойчивая, нестабильная дисперсная система, обладающая ярко выраженной пространственно-временной изменчивостью. Анализ процессов эволюции аэродисперсных систем позволяет выделить основные этапы ее существования, которые образно можно охарактеризовать как «рождение, жизнь и смерть» аэрозолей. Для атмосферного аэрозоля существуют ситуации, когда устойчивое состояние системы существует достаточно протяженное время (месяцы и даже годы), для аэрозолей в технологических процессах это практически никогда не реализуется.

Отношение фактического давления к давлению насыщенного пара обычно называют пересыщением Отношение фактического давления к давлению насыщенного пара обычно называют пересыщением В ряде случаев удобно оперировать величиной относительного пересыщения Зависимость давления насыщенного пара от температуры можно оценить из термодинамического уравнения Клапейрона – Клаузиуса:

Условия, необходимые для гетерогенной конденсации. Расчеты показывают, что спонтанная нуклеация водяного пара при обычных температурах возможна только при S ≈ 5, что совершенно нереально для земных атмосферных условий. Но также известно, что уже при относительной влажности в 30% в атмосфере начинается образование жидкокапельного водного аэрозоля. Причиной данного процесса является наличие в атмосфере так называемых ядер конденсации, а процесс образования на них как на уже готовых зародышах капелек воды связан с гетерогенной конденсацией паров. Условия, необходимые для гетерогенной конденсации. Расчеты показывают, что спонтанная нуклеация водяного пара при обычных температурах возможна только при S ≈ 5, что совершенно нереально для земных атмосферных условий. Но также известно, что уже при относительной влажности в 30% в атмосфере начинается образование жидкокапельного водного аэрозоля. Причиной данного процесса является наличие в атмосфере так называемых ядер конденсации, а процесс образования на них как на уже готовых зародышах капелек воды связан с гетерогенной конденсацией паров.

Различают следующие типы ядер конденсации в атмосферных условиях (Ивлев и Довгалюк, 1999): Различают следующие типы ядер конденсации в атмосферных условиях (Ивлев и Довгалюк, 1999): 1) гигроскопические частицы, растворяющиеся в воде; 2) смачиваемые, но не растворяющиеся частицы; 3) частично смачивающиеся частицы; 4) смешанные ядра.

Некоторые из аэрозольных частиц могут служить центрами кристаллизации переохлажденной воды. Экспериментально подтверждено, что в лабораторных условиях мелкие капельки (r < 5 мкм) хорошо очищенной воды удается переохладить до – 400С. Такое состояние переохлаждения метастабильно и обусловлено отсутствием ядер кристаллизации. Считается поэтому, что устойчивость жидкокапельных облаков при t < -150С говорит о малочисленности эффективных естественных ядер кристаллизации в атмосфере. Некоторые из аэрозольных частиц могут служить центрами кристаллизации переохлажденной воды. Экспериментально подтверждено, что в лабораторных условиях мелкие капельки (r < 5 мкм) хорошо очищенной воды удается переохладить до – 400С. Такое состояние переохлаждения метастабильно и обусловлено отсутствием ядер кристаллизации. Считается поэтому, что устойчивость жидкокапельных облаков при t < -150С говорит о малочисленности эффективных естественных ядер кристаллизации в атмосфере.

Сообщаемая объему жидкости энергия заставляет принять ее неустойчивую форму (классифицируются различные типы и виды неустойчивой формы жидкости) и распадаться на капли. Силы поверхностного натяжения стабилизируют окончательную форму частиц образовавшейся дисперсной фазы (сферические капли). Сообщаемая объему жидкости энергия заставляет принять ее неустойчивую форму (классифицируются различные типы и виды неустойчивой формы жидкости) и распадаться на капли. Силы поверхностного натяжения стабилизируют окончательную форму частиц образовавшейся дисперсной фазы (сферические капли).

Энергия, сообщаемая объему жидкости расходуется на три основных составляющих: Энергия, сообщаемая объему жидкости расходуется на три основных составляющих: 1) образование новой поверхности жидкости при дроблении ее на капли (площадь поверхности многократно увеличивается); 2) преодоление сил вязкостного трения, связанное с диссипацией энергии при изменении формы жидкости; 3) потери, обусловленные неэффективностью методов передачи энергии жидкости (обычно эта составляющая преобладает).

Пневматическое (или аэродинамическое) распыление; Пневматическое (или аэродинамическое) распыление; Гидравлическое (или гидродинамическое) распыление; Центробежное распыление; Прочие методы (электростатическое, акустическое, с помощью пропеллентов и другие), каждый из которых можно выделить и в отдельную группу.

Образовать аэрозоли с твердой дисперсной фазой можно двумя способами: либо подвергнуть массивные образцы твердых тел процессу диспергации, либо распылить в воздухе порошки. И те, и другие процессы широко распространены как в природных явлениях (выветривание горных пород, пылевые пустынные облака), так и в технологических приложениях (измельчение горных пород путем дробления, размола, бурения, взрыва) образовать аэрозоли с твердой дисперсной фазой можно двумя способами: либо подвергнуть массивные образцы твердых тел процессу диспергации, либо распылить в воздухе порошки. И те, и другие процессы широко распространены как в природных явлениях (выветривание горных пород, пылевые пустынные облака), так и в технологических приложениях (измельчение горных пород путем дробления, размола, бурения, взрыва). Образовать аэрозоли с твердой дисперсной фазой можно двумя способами: либо подвергнуть массивные образцы твердых тел процессу диспергации, либо распылить в воздухе порошки. И те, и другие процессы широко распространены как в природных явлениях (выветривание горных пород, пылевые пустынные облака), так и в технологических приложениях (измельчение горных пород путем дробления, размола, бурения, взрыва) образовать аэрозоли с твердой дисперсной фазой можно двумя способами: либо подвергнуть массивные образцы твердых тел процессу диспергации, либо распылить в воздухе порошки. И те, и другие процессы широко распространены как в природных явлениях (выветривание горных пород, пылевые пустынные облака), так и в технологических приложениях (измельчение горных пород путем дробления, размола, бурения, взрыва).

Каждая такая крупинка испытывает три типа давления газа: Каждая такая крупинка испытывает три типа давления газа: положительное давление p1 с наветренной стороны, действующей на частицу со стороны ветра (ветровое давление, ~ v2), которое инициирует перемещение почвенной частицы; отрицательное давление с подветренной стороны p2 (вязкостное давление, являющееся функцией вязкости и плотности газа и первой степени скорости ветра v); статическое отрицательное давление p3, действующее на крупинку сверху и вызванное известным эффектом Бернулли; оно создает эффект поднятия частицы вверх (здесь эффект Бернулли проявляется так: при увеличении скорости движения газа, обтекающего тело сверху, давление в вертикальном направлении понижается).

Схематическое изображение сил, действующих на частицу почвы при ветровой эрозии: 0 – центр масс; Z0 – средний уровень неровностей почвы (Кондратьев и Поздняков, 1981) Схематическое изображение сил, действующих на частицу почвы при ветровой эрозии: 0 – центр масс; Z0 – средний уровень неровностей почвы (Кондратьев и Поздняков, 1981)

В этой лекции мы попытаемся проанализировать второй возможный путь образования аэрозолей – способ «от малого к большому» – конденсационный способ, в котором принято различать возможности гомогенной конденсации пересыщенных паров и гетерогенной конденсации на уже имеющихся зародышах – ядрах конденсации. Здесь уместна цитата из книги известных специалистов в этой области Петрянова-Соколова и Сутугина (1988): «Сам по себе процесс рождения новой фазы из газа представляет собой нечто таинственное. Какая сила заставляет молекулы, безмятежно летающие в пространстве, соединяться в рои-кластеры, вырастающие в капли?». Недаром известный физик Ф. Жолио-Кюри в 1936 г. назвал спонтанную конденсацию самым интересным аспектом науки вообще, а не только науки об аэрозолях. В этой лекции мы попытаемся проанализировать второй возможный путь образования аэрозолей – способ «от малого к большому» – конденсационный способ, в котором принято различать возможности гомогенной конденсации пересыщенных паров и гетерогенной конденсации на уже имеющихся зародышах – ядрах конденсации. Здесь уместна цитата из книги известных специалистов в этой области Петрянова-Соколова и Сутугина (1988): «Сам по себе процесс рождения новой фазы из газа представляет собой нечто таинственное. Какая сила заставляет молекулы, безмятежно летающие в пространстве, соединяться в рои-кластеры, вырастающие в капли?». Недаром известный физик Ф. Жолио-Кюри в 1936 г. назвал спонтанную конденсацию самым интересным аспектом науки вообще, а не только науки об аэрозолях.

Степень пересыщения пара. Из термодинамики известно, что в состоянии термодинамического равновесия бинарная система жидкость–пар характеризуется таким макроскопическим параметром как давление насыщенного пара жидкости над плоской границей раздела фаз при фиксированной температуре p∞(T). Степень пересыщения пара. Из термодинамики известно, что в состоянии термодинамического равновесия бинарная система жидкость–пар характеризуется таким макроскопическим параметром как давление насыщенного пара жидкости над плоской границей раздела фаз при фиксированной температуре p∞(T).

Способ построения феноменологических моделей аэродисперсных систем Способ построения феноменологических моделей аэродисперсных систем

Частицы могут выводиться из аэрозольной системы двумя путями: Частицы могут выводиться из аэрозольной системы двумя путями: они способны коагулировать (агрегировать) с другими частицами и укрупняться до таких размеров, что будут интенсивно оседать на поверхности под действием силы тяжести; могут мигрировать к поверхностям осаждения, ударяться о них и оставаться связанными с ними.

Процессы, вследствие которых аэрозольные частицы перемещаются к поверхности либо друг к другу без действия на них внешних сил, называются диффузионными, а движение частиц в таких процессах – броуновским движением. Процессы, вследствие которых аэрозольные частицы перемещаются к поверхности либо друг к другу без действия на них внешних сил, называются диффузионными, а движение частиц в таких процессах – броуновским движением. Броуновская диффузия аэрозолей подразумевает перенос частиц из областей с большей их концентрацией в области с меньшей концентрацией.

Если в системе наступает так называемое диффузионно-седиментационное равновесие, то , Если в системе наступает так называемое диффузионно-седиментационное равновесие, то , Таким образом, высокодисперсные (субмикронные) аэрозоли не оседают на поверхности вследствие гравитационной седиментации, броуновское движение будет удерживать их во взвешенном состоянии. Данный вывод имеет принципиальное значение для процессов и методов газоочистки.

Коагуляция – наиболее важный процесс межчастичного взаимодействия в аэрозолях. Ее надо понимать как эффект слипания, агрегирования первичных частиц в процессе их взаимного движения и парных столкновений (тройные столкновения частиц обычно не учитываются как весьма маловероятные). Слияние жидких капель называется коалесценцией, для твердых частиц часто используется термин агломерация. Коагуляция – наиболее важный процесс межчастичного взаимодействия в аэрозолях. Ее надо понимать как эффект слипания, агрегирования первичных частиц в процессе их взаимного движения и парных столкновений (тройные столкновения частиц обычно не учитываются как весьма маловероятные). Слияние жидких капель называется коалесценцией, для твердых частиц часто используется термин агломерация. Оба эффекта в целом можно характеризовать как агрегацию частиц. Происхождение этих терминов следующее: coagulatio (лат.) – свертывание, сгущение; aggrego (лат.) – присоединять. В общем случае под коагуляцией понимают уменьшение степени дисперсности частиц (т.е. их укрупнение) при снижении числовой концентрации частиц.

Важность изучения электрических свойств аэрозолей мотивируется следующими положениями: Важность изучения электрических свойств аэрозолей мотивируется следующими положениями: 1. Большинство аэрозолей несут заряд, который может постоянно перераспределяться между частицами; 2. Внешние электрические поля могут эффективно влиять как на величину заряда частиц, так и на характеристики их движения; 3. Проявления особых свойств заряженных аэрозолей важны как для изучения процессов с атмосферным аэрозолем, так и в очень многих технологических приложениях; 4. На сегодняшний день создано множество разнообразных измерительных аэрозольных приборов, использующих электрические свойства аэрозолей.

К основным процессам, приводящим к образованию заряда на частице, относятся прямая ионизация частиц; статическая электризация частиц; столкновения с ионами или ионными кластерами (в том числе в присутствие внешнего электрического поля); ионизация частиц электромагнитным излучением (ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением). При этом перечисленные процессы могут протекать как по отдельности, так и совместно. К основным процессам, приводящим к образованию заряда на частице, относятся прямая ионизация частиц; статическая электризация частиц; столкновения с ионами или ионными кластерами (в том числе в присутствие внешнего электрического поля); ионизация частиц электромагнитным излучением (ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением). При этом перечисленные процессы могут протекать как по отдельности, так и совместно.

Прямая ионизация частиц Прямая ионизация частиц Под ней, по-видимому, следует понимать ионизацию аэрозольных частиц высокоэнергетическими атомами и молекулами (но не электромагнитным излучением). Райст (1987) полагает, что этот механизм не является существенным, так как основной эффект ионизации будет производиться за счет молекул воздуха, но не за счет малого количества в нем аэрозольных частиц.

Статическая электризация. Статическая электризация. Может протекать за счет действия различных механизмов: Электролитические эффекты. Контактная электризация. Электризация при распылении. Электризация трением. Ионизация в пламени.

Ионы или ионные кластеры в воздухе образуются, например, при присоединении нейтральными аэрозольными частицами положительных или отрицательных ионов, возникших за счет энергии α-, β- и γ-лучей в процессе радиоактивного распада изотопов. Ионы или ионные кластеры в воздухе образуются, например, при присоединении нейтральными аэрозольными частицами положительных или отрицательных ионов, возникших за счет энергии α-, β- и γ-лучей в процессе радиоактивного распада изотопов. К зарядке аэрозольных частиц ведут два процесса, действующих по отдельности или совместно. В процессе диффузионной зарядки аэрозольные частицы заряжаются при столкновении с диффундирующими ионами в отсутствие внешнего электрического поля. В процессе зарядки в электрическом поле частицы приобретают заряд, сталкиваясь в основном с ионами, движущимися по направлению внешнего электрического поля.

Рассмотрим данный процесс подробнее при следующих предположениях: Рассмотрим данный процесс подробнее при следующих предположениях: 1) частицы сферические (или изометрические), 2) частицы аэрозоля монодисперсные (полидисперсность усложняет, но не опровергает теорию), 3) частицы не взаимодействуют между собой (что можно принять при их малой счетной концентрации), 4) около каждой частицы концентрация ионов и электрическое поле однородны.

Для твердой сферической частицы предельный заряд равен Для твердой сферической частицы предельный заряд равен где ES – напряженность достижения поверхностной эмиссии электронов или ионов (для электронов , для ионов ед. потенциала СГСЭ/см). Например, максимальный положительный заряд частицы диаметром 0,01 мкм составит около 350 единичных зарядов. Рэлей получил выражение для количества электронов на капле, необходимого для ее разрыва где σ – коэффициент поверхностного натяжения вещества капли.

Оптические свойства – одни из самых типичных, но в тоже время важнейших характеристик аэродисперсных систем. Рассевают излучение любые аэрозольные частицы. Некоторые частицы (например, сажевые) могут эффективно поглощать излучение. Совокупность процессов рассеяния и поглощения называется экстинкцией (ослаблением) излучения. Оптические свойства – одни из самых типичных, но в тоже время важнейших характеристик аэродисперсных систем. Рассевают излучение любые аэрозольные частицы. Некоторые частицы (например, сажевые) могут эффективно поглощать излучение. Совокупность процессов рассеяния и поглощения называется экстинкцией (ослаблением) излучения.

Формализм теории Ми Формализм теории Ми Важнейшей строго решаемой математической проблемой в теории поглощения и рассеяния света дисперсными частицами является задача о дифракции излучения на сфере с произвольными радиусом и комплексным показателем преломления (так называемая «задача Ми»).