Аэрозольдер

Date: 2014-02-26; view: 4634.

Екінші шарт

Бірінші шарт

Бөлшектердің жақсы сулануы полярлы бөлшек суспензияларда, полярлы сұйықтықтарда және полярсыз сұйықтықтардағы полярсыз бөлшектерде байқалады.

Егер суспензия бөлшектері дисперсті ортамен жақсы суланбаса, онда стабилизаторларды пайдаланады.

Стабилизатор – бұл дисперсті жүйеге енгізгенде оның агрегатты тұрақтылығын жо,арылататын заттар.

Суспензиялар стабилизаторлары ретінде қолданады:

- төмен молекулалы электролиттер

- полиоидты БАЗ

Мүмкін болған тұрақтылық факторларына адсорбциялы – сульфатты, электростатикалық, структуралы – механикалық, энтропиялық, гидродинамикалық.

Егер стабилизатор ионогенді зат болса, онда әрине тұрақтылықтың электростатикалық факторы әсер етеді.

Егер иогенді зат – коллоидті БАЗ немесе полиэлектролит болса, онда басқа да тұрақтылық факторлары қалыптасады.

Дәрістің жоспары :

1. Аэрозоль туралы жалпы түсінік

2. Аэрозольдердің классификациясы

3. Аэрозольдердің алыну жолдары

Дәрістің мақсаты :Аэрозольдердің табиғи жолмен пайда болу жолдарын, микрогетогенді жұйе туралы түсіндіру

Аэрозоль дегеніміз- қатты зат бөлшектері немесе сұйықтық тамшылары газда өлшенетін микрогетерогенді жүйе. Аэрозолдердің шартты белгіленуі:Қ/г намесе С/г.

Осы дисперсті жүйелердің маңыздылығын айқындау үшін, аэрозольдерге мысал келтірейік.Космикалық кеңістік,Жер атмосферасы, біз демалатын ауа- осының бәрі аэрозольдер. Аэрозольдер табиғи жолмен пайда болады, табиғи жолмен түзіледі.

Жел шаң бұлттарын жоғарыға көте отырып, шаң тозаңдарын түзеді.Шаң 5-6 км биіктікке көтерілуі мүмкін және де мыңдаған қашықтықтарға тасмалдануы мүмкін. Норвегияда, мысалы, Сахара шөлінің тозаңы байқалған.Вулкандар атқылағанда, ал олардың жер жүзінде 600-ден астамы бар, атмосфераға 10 миллиондаған тонна грунт тасталады, олардың көп бөлігі аэрозолдік күйге өтеді. Осылай, 1815 жылы Тамбор вулканының гигантты атқылауының нәтижесінде, стратосфераға соншалық көп мөлшерде шаң тасталды, нәтижеде келесі, 1816 жылы тарихқа “мұзсыз жыл” атауымен енді. Микроорганизмдер, вирусталып алынады және аэрозольдер түзеді. Биологиялық аэрозольдер үлкен қашықтықтарға орын ауыстырады. Жердің сулы бетіндегі буланатын су, аэрозольдер түзеді, олардың бұзылуы жаңбыр, қар, бұршақтардың түзілуіне акеледі. 30% -ға дейін табиғи аэрозольдерді ғарыштық шаң береді. Осының бәрі адамның қатысынсыз, табиғи жолмен пайда болатын аэрозольдер.

Барлық аэрозольдердің 10%-ы жасанды жолмен алынады: бұл улы химикаттар және тыңайтқыштарды шаңдату, тұрмыстық аэрозольдер және т.б.

Сондай-ақ аэрозольдер үшінші тобы- өндірістік аэрозольдер.Кендерде пайдалы қазбаларды алудағы карерлерде, металлургиялық және химиялық комбинаттар маңайында, әртүрлі агрегаттар жұмысы нәтижесінде ауаны ластайтын аэрозольдер түзіледі. Жер, ауа және су транспортының барлық түрлері жағармайдың жануы есебінен аэрозоль көздері болып саналады. Жағармайдың жануы нәтижесінде жыл сайын атмосфераға 100 тоннадан астам қатты зат және 1 млн. тонна газ тәрізді заттар тасталады. Ядро жылуы өндірісі, атом электро станцияларының эксплуатациясы, ядролы қаруды сынау осының бәрі радиоактивті аэрозольдердің түзілуіне акеледі. Аэрозольдер түзілуінің негізгі көздері осылар.

Аэрозольдер классификациясы

1.Дисперсті фаза агрегатты күйіне байланысты:

-тұман (С/Г ) ;- түтін, шаң ( Қ/Г) ;- смог ( С+Қ ) / Г [Smog]=Smoke (түтін) + fog ( тұман)

2.Дисперстілігі бойынша: - тұман (С/Г) , 10^-5 ≤d ≤ 10^{-3 см ; - түтін ( Қ/Г) , 10-7} ≤ d ≤ 10^-3 см ; - шаң Қ/Г , d > 10^-3 см .

3.Алыну әдістері бойынша:- конденсациялық ; - диспергациялық.

Аэрозольдердің алыну жолдары

Басқа микрогетерогенді жүйелер тәрізді, аэрозольдер екі түрлі жолмен алынуы мүмкін: қатаң дисперсті жүйелерден ( диспергатционды әдістер ) және нағыз ерітінділерден ( конденсациялық әдістер ).

Конденсациялық әдістер

Бұл әдістер гомогенді жүйеде жаңа фазаның түзілуіне байланысты. Оның түзілуінің міндетті шартты қаныққан будың болуы болып табылады, оның конденсациясы дисперсті фаза бөлшектерінің түзілуіне акеледі. Қаныққан будың көлемді конденсациясы үш жағдайда болуы мүмкін:

- адиабатикалық таралу ( кеңею);

- әртүрлі температураларға ие, бу және газдар араласуы;

- газ қоспасының салқындатылуы.

1.Газдың адиабатикалық кеңеюі.

Мұндай жолмен бұлттар түзіледі. Ылғал ауа жылы массасы атмосфераның жоғары қабаттарына көтеріледі. Ол жерде атмосфералық қысым төмен болғандықтан, адиабаттық, яғни ауаның салқындануы және су буының конденсациясы байқалады. Оншалықты биік емес жерлерде топтасқан бұлттар түзіледі, мұнда су сұйық тамшы түрінде болады, атмосфера жоғары қабатында температура анағұрлым төмен болады, нәтижесінде құрамында мұз кристалшалары болатын ақ ұлпа тәрізді бұлттар түзіледі.

2.Әр түрлі температураларға ие, бу және газдар араласуы.

Осылай атмосфералы тұмандар түзіледі. Көбнесе тұман түнде ашық ауа райында пайда болады, яғни бұл кезде Жердің беті жылуды интенсивті бере отырып, қатты салқынданады. Жылы ылғал ауа салқынданып жатқан жер немесе оның беткі бөлігіндегі суық ауамен араласып, сұйықтық тамшылары түзіледі. Осы жағдай жылы және суық ауа фронттар кезінде де байқалады.

3.Құрамындағы бу болатын, газды қоспаның салқындатылуы.

Бұл жағдайды ( күйді) су қайнаған шәугім мысалында көрсетуге болады. Шәугім мұрыншасынан су буы шығады, біз оны көрмейміз, өйткені оның түсі болмайды.Әр қарай су буы жылдам салқынданады, су конденсацияланады және де шәугім ұшында біз сүтті бұлт – тұманды көреміз. Ұқсас жағдай біз аязды күнде әйнекті ашқанда байқалады.Одан да бәрік аэрозоль ыдыста қызған май бөлмеде газ ( майлы аэрозоль) түзгенде пайда болады, оны бөлмені жақсылап салқындату ғана жоюға болады.

Сондай-ақ, конденсациялық аэрозоль ұшқыш емес өнімдер түзілуіне әкелетін газды реакциялар нәтижесінде түзілуі мүмкін:

- жағар майлар жанғанда түтінді газдар түзіледі, олардың конденсациясы ағымдық түтіннің пайда болуына әкеледі;

- Фосфор жанғанда ауада ақ түтін ( Р₂О₅ ) пайда болады;

- Газ тәрізді NH₃ және HCl әрекеттесуі нәтижесінде NH₄Cl ( қатты түтін түзіледі);

- Түрлі металлургиялық және химиялық процесстерде жүретін металлдардың ауада тотығуы, нәтижесінде металл оксидтері бөлшектерінен тұратын түтіндер пайда болады.

Диспергационды әдістер

Диспергационды аэрозольдер газды ортада қатты және сұйық денелердің ұсақталуы ( ұнтақталуы ) нәтижесінде пайда болады.

Қатты денелердің тозаңдатылуы екі сатыда жүреді: ұнтақтау, кейін тозаңдату. Заттың аэрозоль күйіне өтуі аэрозольді қолданған сәтте жүзеге асуы керек, өйткені басқа дисперсті жүйелер- эмульциялар, суспензиялармен салыстырғанда аэрозольдерді алдын – ала дайныдап қоюға болмайды. Тұрмыстық жағдайларда сұйық және ұнтақ тәрізді аэрозольдерді алудың жалғыз көзі болып, “аэрозольді қорап” немесе “аэрозольді баллон” аталатын құрылғы табылады.

Аэрозольдердің жалпы характеристикасы ( сипаттамасы)

Аэрозольдердің қасиеттері мына төмендегілермен анықталады:

- дисперсті фаза заттары және дисперсті орта табиғатымен;

- аэрозоль бөлшектік және массалық концентрациясымен;

- бөлшектердің өлшемі және бөлшектердің өлшем бойынша таралуы;

- біріншілік бөлшектердің формасымен;

- аэрозоль құрылысымен;

- бөлшектер зарядымен.

Аэрозольдер концентрациясының характеристикасы (сипаттамасы) үшін, басқа дисперсті жүйелер тәрізді, массалық және сандық (бөлшектік) концентрация пайдаланылады.

Массалық концентрация-газ көлемі бірлігіндегі барлық өлшенген бөлшектер массасы.

Сандық концентрация- аэрозоль көлемі бірлігіндегі бөлшектер саны.

Аэрозоль бөлшектерінің өлшемі

Бөлшектердің минимальді өлшемі заттың агрегатты күйде болу мүмкіндігімен анықталады.Мысалы, судың бір молекуласы газ да, сұйық та, қатты да дене түзе алмайды.Фазаның түзілуі үшін кемінде 20-30 молекулалы агрегат керек. Қатты зат немесе сұйықтың ең ұсақ бөлшегі 1*10^-3 мкм-ден кіші өлшемге ие болуы мүмкін емес.

Кейбір аэрозольдердің бөлшектерінің размерлері

Газды үздіксіз орта ретінде қарастыру үшін, бөлшек өлшемдері газ молекулаларының еркін әрекетінен анағұрлым үлкен болуы керек. Бөлшектердің өлшемдерінің жоғары шегі қатаң түрде анықталмаған, алайда 100 мкм-ден ірілеу бөлшектер ұзақ уақыт ауада ұсталып қала алмайды.

Аэрозоль бөлшектерінің формасы ( пішіні)

Аэрозольдардағы сұйық тамшылар әр кезде сферикалық, ал қатты бөлшектер әр алуан формаларға ие болуы мүмкін.Оларды 3 топқа жіктеуге болады:

1.Изотермиялық бөлшектер, оларға шариктер, тура көпбұрышты немесе оларға жақын пішінді бөлшектер жатады.

2.Пластинкалар- екі үлкен өлшем және бір кіші өлшемге ие бөлшектер: жапырақтар, дисктер, мүйіздер.

3.Талшықтар- бір бағытта ғана созылған және басқа екі бағыттарда анағұрлым кіші өлшемге ие бөлшектер: инелер, жіптер және минералды талшықтар.

Бөлшектер формасы алыну жолына және материалға байланысты болады. Мысалы, будың конденсациялануы нәтижесінде түзілетіндері әдетте сферикалық формаға ие болады.

Аэрозоль структурасы ( құрылысы)

Аэрозоль бөлшектері өзінен өзі өмір сүруі мүмкін немесе тізбекке бірігуі мүмкін, олар агломерат немесе флокула деп аталады. Олар әдетте берік түтіндерде орналасқан жоғары зарядталған ұсақ бөлшектерден түзіледі. Аэрозольдер, сондай-ақ тамшылардан тұруы мүмкін, олар газбен немесе тамшы бөлшектерден тұрады. Оның құрамында толықтырғыш болады. Осылай, аэрозольдегі бөлшектер тығыздығы ьастапқы зат тығыздығынан ерекшеленуі мүмкін.

Беттік қасиеттері

Аэрозольді бөлшектер, ұзақ өлшемдерге ие бола тұрып, дамыған беттік қабатқа ие, мұнда адсорбция, жану және т.б. химиялық реакциялар жүруі мүмкін.Үлкен беті гигроскопиялық немесе электр зарядтарымен әсерлесу қабілеті сияқты физикалық қасиеттерді негізге алады.

Аэрозольдердің оптикалық қасиеттері

Аэрозольдердің оптикалық қасиеттері лиозолдер оптикалық қасиеттеріндей заңдылықтарға бағынады, алайда аэрозольдерде тығыздықтағы үлкен айырмашылық есебінен айқын байқалады.

Аэрозольдер үшін жарықты жұту және шығару құбылыстары тән.

Шашыраған жарық интенсивтілігі J _p бізге белгілі Рэлей теңдеуімен анықталады:

νV² n₁² –n₀ ²

J _p =J₀ R —— , мұнда K=24π³ ( ———— )

λ⁴ n₁² +2 n₀ ²

Бөлшектің сыну көрсеткіші n₁ ортаның сыну көрсеткішінен n₀ анағұрлым үлкен болғандықтан, аэрозольдер үшін К шамасы лиозолдеріне қарағанда үлкен.

Рэлей теңдеуінен аэрозольдердің қызыл түстіден гөрі , көк және сары түсті жарықтарды көбірек шашыратады.Атмосфераның төменгі қабатында аэрозольді бөлшектердің көп болатынын ескерсек, не себептен таң атқанда және күн батқанда аспанның қызғылт түсті, ал күндіз көк болатынын түсінуге болады. Күн көкжиекке жақындағанда, оның сәулелері атмосфераның төменгі қабатынан ( аэрозольдік бөлшектер көп бөлігі : шаң, түтін, тұман) өтеді де, жарық шашырап, бізге қызыл түсті жарық сәулелері жерге вертикаль бағытта түседі де, ауа қабатының аэрозольдік бөлшектерінің суммалық мөлшері аз болғандықтан тек қысқа толқынды жарық шашырап, аспанға көкшіл түс береді.

Кейбір металл немесе көмір бөлшектері жарықты жұтады. Түтіннің қара түсті болуы- түтін бөлшектерінің барлық көрінетін сәулелерді жұтылдыруынан. Ал ақ түсті түтіндер, керісінше, барлық көрінетін сәулелерді шашыратады.

Аэрозольдардың молекулалы-кинетикалық қасиеттері

Аэрозольдардың молекулалы-кинетикалық қасиеттері ерекшеліктері келесі шарттарға негізделген:

- дисперсиялы фазаның бөлшегінің аз концентрациясы , мысалы, егер алтын гидролінің 1 см³ 10¹⁶ бөлшегі болса, онда алтын аэрозолінің дәл осы көлемінде 10⁷ аз бөлшек болады.

- дисперциялы ортаның- ауаның аз тұтқырлығы, сондай-ақ бөлшектердің қозғалысы кезінде пайда болатын үйкеліс (В) кооэффицентінің аз болуы.

Дисперциялы ортаның тығыздығы аз болуы ρ _бөлшек >>ρ _ауа

Осының барлығы, лиозольдерге қарағанда, аэрозольдерге бөлшектердің қозғалуы анағұрлым интенсивті болуына әкеп соғады.

Ең қарапайым жағдай, аэрозоль жабық ыдыста ( А-ни сырттан ауа кірмейтін) болғанда және бөлшектердің ρ тығыздығы мен τ радиусты сфералық формасы болуын қарастырамыз. Мұндай бөлшекке бір мезгілде кікелей төменге бағытталған ауырлық күші мен тіке қарама-қарсы бағытталған үйкеліс күші әсер етеді. Сонымен қатар, бөлшек соңы диффузияға әкелетін броун қозғалысында болады.

Аэрозольдерде седиментация мен диффузия процессінің санды бағасы үшін диффузияның меншікті ағымы i _диф мен седиментацияның меншікті ағымының i _сед -шамалары , яғни лиозольдердің седиментальді тұрақтылығының байланысының мәнін қолдануға болады. ( 10.1 бөлім).

kT dv

i _диф =-——*—— ( 9.4 бөлім)

B dx

kT dv

i _диф =-——*—— ( 10.7 бөлім)

B dx

Қандай ағым тиімдірек екенін анықтау олардың қатынастары қарастырады:

i _сед 4πτ³ (ρ-ρ₀ )gv

—— =———————.

dv

i _диф 3kT ——

dx

Бұл теңдеуде (ρ-ρ₀ )>>0. Сонымен қатар қатынас мәні бөлшектер мөлшерімен анықталады.

Егер τ>1 мкм. Болса, онда i _сед >> i _диф ,яғни сериментация тез жүріп, бөлшектер ыдыс түбіне шөгеді.

Егер τ>0,01 мкм болса, онда i _сед >> i _диф . Бұл жағдайда диффузияға интенсивті жүреді, нәтижесінде бөлшектер ыдыс қабырғасына соқтығысып, оған жабысады. Егер бөлшектер өзара соқтығыса, олар бірігіп, іріленеді және концентрация азаяды.

Сонымен, аэрозольдегі өте майда бөлшектер де, өте ірі бөлшектер де тез жойылады: біріншілері-қабырғаға жабысу немесе бірігу арқылы, екіншілері-ыдыс түбіне шөгуі арқылы. Орташа мөлшердегі бөлшектер жоғары тұрақтылыққа ие. Сол себептен, бөлшектер саны қаншалықты көп болса да, бірнеше секундтан кейін аэрозольдің 1 см^3, көлеміндегі бөлшектер саны 10^{3 ден аспайды.}

Аэрозоль бөлшектеріне температура графинті өрісінде температураның өзгеруі бағытындағы қлзғалыс тән. Мысалы: термофорез, термоципитация, фотофорез құбылыстары.

Термофорез-бөлшектердің температураның төмендеуі бағытына қарай өздігінен қозғалуы.

Терпреципитация-жақын маңда ыстық денелер бар кездегі аэрозоль бөлшектерінің салқын беттерге тұнуы.

Фотофорез-аэрозоль бөлшектерінің бір жақты түсірілген жарық сәулесі батысымен қозғалуы.

Аэрозольдердің электрлік қасиеттері.

Аэрозоль бөлшектерінің электрлік қасиеттерінің лиозольдегі бөлшектердің электрлік қасиеттерінен едәуір ерекшеленеді.

1. Аэрозоль блшектерінде ЭҚК пайда болмайды, себебі газдың диэлектрлік өткізгіштігі төмен болғандықтан онда электролиттік диссоция жүрмейді.

2. Бөлшектердегі заряд иондардың адсорбциясы есебінен туындайды. Олар газ фазасында космостық, УК және радиоактивті сәулелермен газдың ионизациялануы нәтижесінде түзілуі.

3. Бөлщектер зрядтары табиғаты мен мөлшерінің бірдейлігіне қарамастан әртүрлі болады.

4. Бөлшектер заряды уақыт өте мөлшері де заряд таңбасы да өзгеріске ұшырайды.

5. Спецификалық адсорбция болмаса, бөлшектер мәні өте кішкентай.

6. Спецификалық адсорбция бөлшектері күшті полярлы заттармен түзілген аэрозольдерге тән.

Практикадан белгілі, металл және олардың оксидтерінің аэрозольдерінің бөлшектері теріс зарядталады.( Zn,ZnO,MgO, Fe₂O₃) , ал бейметалдар мен олардың оксидтерінің аэрозольдердегі бөлшектері оң зарядталады (SiO₂,P₂O₅) NaCl мени крахмал бөлшектері оң зарядталған, ал ұн бөлшектері теріс зарядталған.

Агрегативті тұрақтылық коагуляция

Аэрозольдер –басқа дисперсті жүйелерге қарағада агретативті тұрақсыз жүйелер. Мұндағы коагуляция тез жүреді; бөлшектердің әрбір соқтығысуы олардың өзара бірігуіне әкеледі.

Коагуляция жылдамдығы аэрозольдердің концентрациясы артқан сайын артады. (18.3 кесте)