Аэрозоль - Aerosol

фотография тяжелого тумана
Туман и туман - это аэрозоли

Аэрозоль представляет собой суспензию мелких твердых частиц или жидких капель в воздухе или другой газ . Аэрозоли могут быть естественными или антропогенными . Примерами природных аэрозолей являются туман или туман , пыль , лесные выделения и пар гейзеров . Примерами антропогенных аэрозолей являются твердые загрязнители воздуха и дым . Жидкие или твердые частицы обычно имеют диаметр менее 1 мкм ; более крупные частицы со значительной скоростью осаждения делают смесь суспензией , но различие не является четким. В общем, аэрозоль обычно относится к аэрозольному баллончику, который доставляет потребительский продукт из баллончика или аналогичного контейнера. Другие технологические применения аэрозолей включают распыление пестицидов, лечение респираторных заболеваний и технологию сжигания. Заболевания также могут распространяться посредством мелких капелек в дыхании , также называемых аэрозолями (или иногда биоаэрозолями ).

Аэрозольная наука охватывает образование и удаление аэрозолей, технологическое применение аэрозолей, воздействие аэрозолей на окружающую среду и людей и другие темы.

Определения

Частицы летучей золы показаны при 2000-кратном увеличении
Микрофотография, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM): частицы летучей золы при увеличении 2000 ×. Большинство частиц в этом аэрозоле имеют почти сферическую форму.

Аэрозоль определяется как система суспензии твердых или жидких частиц в газе. Аэрозоль включает как частицы, так и суспендирующий газ, которым обычно является воздух. Метеорологи обычно называют их частицами - PM2,5 или PM10, в зависимости от их размера. Фредерик Г. Доннан предположительно первым использовал термин аэрозоль во время первой мировой войны , чтобы описать аэро- решения , облако микроскопических частиц в воздухе. Этот термин возник аналогично термину гидрозоль , коллоидной системе с водой в качестве дисперсной среды. Первичные аэрозоли содержат частицы, вводимые непосредственно в газ; вторичные аэрозоли образуются в результате преобразования газа в частицы.

Ключевые группы аэрозолей включают сульфаты, органический углерод, черный углерод, нитраты, минеральную пыль и морскую соль, они обычно слипаются, образуя сложную смесь. Различные типы аэрозолей, классифицируемые в зависимости от физической формы и способа их образования, включают пыль, дым, туман, дым и туман.

Есть несколько способов измерения концентрации аэрозоля. Наука об окружающей среде и гигиены окружающей среды часто используют массовую концентрацию ( М ), определенная как масса твердых частиц на единицу объема, в единицах , таких как мкг / м 3 . Также обычно используется числовая концентрация ( N ), количество частиц на единицу объема в таких единицах, как количество на м 3 или количество на см 3 .

Размер частиц имеет большое влияние на свойства частиц, а радиус или диаметр аэрозольных частиц ( d p ) является ключевым свойством, используемым для характеристики аэрозолей.

Аэрозоли различаются по дисперсности . Монодисперсный аэрозоль, производимый в лаборатории, содержит частицы одинакового размера. Однако большинство аэрозолей в виде полидисперсных коллоидных систем имеют частицы различного размера. Капли жидкости почти всегда имеют почти сферическую форму, но ученые используют эквивалентный диаметр для характеристики свойств твердых частиц различной формы, некоторые из которых имеют очень неправильную форму. Эквивалентный диаметр - это диаметр сферической частицы с тем же значением некоторого физического свойства, что и у частицы неправильной формы. Эквивалентный диаметр объема ( д е ) определяется как диаметр сферы того же объема, что и частица неправильной формы. Кроме того, обычно используется это аэродинамический диаметрd .

Распределение по размерам

график, показывающий распределение аэрозолей по размеру по различным параметрам
То же самое гипотетическое логарифмически нормальное распределение аэрозоля нанесено сверху вниз в виде распределения числа в зависимости от диаметра, распределения площади поверхности в зависимости от диаметра и распределения объема в зависимости от диаметра. Типичные названия режимов показаны вверху. Каждое распределение нормализовано так, чтобы общая площадь была 1000.

Для монодисперсного аэрозоля одного числа - диаметра частиц - достаточно, чтобы описать размер частиц. Однако более сложные распределения частиц по размерам описывают размеры частиц в полидисперсном аэрозоле. Это распределение определяет относительное количество частиц, отсортированных по размеру. Один из подходов к определению гранулометрического состава использует список размеров каждой частицы в образце. Однако этот подход оказывается утомительным для проверки в аэрозолях с миллионами частиц и неудобным в использовании. Другой подход разбивает диапазон размеров на интервалы и находит количество (или пропорцию) частиц в каждом интервале. Эти данные могут быть представлены в виде гистограммы с площадью каждой полосы, представляющей долю частиц в ячейке этого размера, обычно нормализованную путем деления количества частиц в ячейке на ширину интервала, чтобы площадь каждой полосы была пропорциональной. к количеству частиц в диапазоне размеров, который он представляет. Если ширина интервалов стремится к нулю , частотная функция имеет следующий вид:

куда

диаметр частиц
- доля частиц диаметром от до +
это частотная функция

Следовательно, площадь под частотной кривой между двумя размерами a и b представляет собой общую долю частиц в этом диапазоне размеров:

Его также можно сформулировать в терминах общей числовой плотности N :

Предполагая сферические частицы аэрозоля, площадь поверхности аэрозоля на единицу объема ( S ) определяется вторым моментом :

И третий момент дает общую объемную концентрацию ( V ) частиц:

Распределение частиц по размерам может быть приблизительным. Нормальное распределение , как правило , не соответствующим образом описывает распределение частиц по размерам в виде аэрозолей из-за перекос , связанный с длинным хвостом более крупных частиц. Также для количества, которое изменяется в большом диапазоне, как и многие размеры аэрозолей, ширина распределения подразумевает отрицательные размеры частиц, что физически нереально. Однако нормальное распределение может быть подходящим для некоторых аэрозолей, таких как тестовые аэрозоли, определенные зерна пыльцы и споры .

Более широко выбранное логнормальное распределение дает частоту чисел как:

куда:

- стандартное отклонение распределения по размерам и
- средний арифметический диаметр.

Логнормальное распределение не имеет отрицательных значений, может охватывать широкий диапазон значений и достаточно хорошо подходит для многих наблюдаемых распределений по размерам.

Другие распределения, иногда используемые для характеристики размера частиц, включают: распределение Розина-Раммлера , применяемое к крупнодисперсной пыли и спреям; распределение Нукияма – Танасава для распылителей чрезвычайно широкого диапазона размеров; функция распределение мощности , иногда применяется к атмосферным аэрозолям; экспоненциальное распределение , применяется для порошковых материалов; а для облачных капель - распределение Хргяна – Мазина.

Физика

Конечная скорость частицы в жидкости

Для низких значений числа Рейнольдса (<1), справедливых для большинства аэрозольных движений, закон Стокса описывает силу сопротивления твердой сферической частице в жидкости. Однако закон Стокса справедлив только тогда, когда скорость газа у поверхности частицы равна нулю. Однако для мелких частиц (<1 мкм), характеризующих аэрозоли, это предположение не выполняется. Чтобы учесть этот сбой, можно ввести поправочный коэффициент Каннингема , всегда больше 1. Включая этот коэффициент, можно найти связь между силой сопротивления, действующей на частицу, и ее скоростью:

куда

сила сопротивления на сферической частице
- динамическая вязкость газа
скорость частицы
- поправочный коэффициент Каннингема.

Это позволяет нам вычислить конечную скорость частицы, подвергающейся гравитационному осаждению в неподвижном воздухе. Пренебрегая эффектами плавучести , мы находим:

куда

- конечная скорость оседания частицы.

Конечная скорость также может быть получена для других видов сил. Если закон Стокса выполняется, то сопротивление движению прямо пропорционально скорости. Константа пропорциональности - это механическая подвижность ( B ) частицы:

Частица, движущаяся с любой разумной начальной скоростью, экспоненциально приближается к своей конечной скорости со временем электронного сворачивания, равным времени релаксации:

куда:

скорость частицы в момент времени t
конечная скорость частицы
начальная скорость частицы

Чтобы учесть влияние формы несферических частиц, к закону Стокса применяется поправочный коэффициент, известный как коэффициент динамической формы . Он определяется как отношение силы сопротивления частицы неправильной формы к силе сопротивления сферической частицы с тем же объемом и скоростью:

куда:

коэффициент динамической формы

Аэродинамический диаметр

Аэродинамический диаметр частицы неправильной формы определяется как диаметр сферической частицы с плотностью 1000 кг / м 3 и такой же скоростью осаждения, как и у частицы неправильной формы.

Если пренебречь поправкой на скольжение, частица оседает с конечной скоростью, пропорциональной квадрату аэродинамического диаметра d a :

куда

= стандартная плотность частиц (1000 кг / м 3 ).

Это уравнение дает аэродинамический диаметр:

Можно применить аэродинамический диаметр к твердым частицам загрязняющих веществ или к вдыхаемым лекарствам, чтобы предсказать, где в дыхательных путях осаждаются такие частицы. Фармацевтические компании обычно используют аэродинамический диаметр, а не геометрический диаметр, чтобы характеризовать частицы во вдыхаемых лекарствах.

Динамика

Предыдущее обсуждение было сосредоточено на отдельных аэрозольных частицах. Напротив, динамика аэрозолей объясняет эволюцию полных популяций аэрозолей. Концентрация частиц будет меняться со временем в результате многих процессов. Внешние процессы, которые перемещают частицы за пределы исследуемого объема газа, включают диффузию , гравитационное осаждение, электрические заряды и другие внешние силы, вызывающие миграцию частиц. Второй набор процессов, внутренних по отношению к данному объему газа, включает образование частиц (зародышеобразование), испарение, химическую реакцию и коагуляцию.

Дифференциальное уравнение называется Аэрозоль общего динамическое уравнение (GDE) характеризует эволюцию плотности числа частиц в виде аэрозоля в результате этих процессов.

Изменение во времени = конвективный перенос + броуновская диффузия + взаимодействие газ-частицы + коагуляция + миграция под действием внешних сил

Где:

- числовая плотность частиц размерной категории
скорость частицы
это частица Стокса-Эйнштейна коэффициент диффузии
скорость частицы, связанная с внешней силой

Коагуляция

Когда частицы и капли в аэрозоле сталкиваются друг с другом, они могут подвергаться коалесценции или агрегации. Этот процесс приводит к изменению гранулометрического состава аэрозольных частиц, причем диаметр моды увеличивается по мере уменьшения общего количества частиц. Иногда частицы могут распадаться на множество более мелких частиц; однако этот процесс обычно происходит в основном с частицами, слишком большими для рассмотрения как аэрозоли.

Режимы динамики

Число Кнудсена частицы определяет три различных динамических режима, которые определяют поведение аэрозоля:

где - длина свободного пробега суспендирующего газа, - диаметр частицы. Для частиц в свободном молекулярном режиме , К п >> 1; частицы малы по сравнению со средней длиной свободного пробега взвешенного газа. В этом режиме частицы взаимодействуют с взвешенным газом посредством серии «баллистических» столкновений с молекулами газа. Таким образом, они ведут себя подобно молекулам газа, стремясь следовать линиям тока и быстро диффундируя за счет броуновского движения. Уравнение потока массы в свободномолекулярном режиме:

где a - радиус частицы, P и P A - давления вдали от капли и на поверхности капли соответственно, k b - постоянная Больцмана, T - температура, C A - средняя тепловая скорость, а α - масса. коэффициент аккомодации. Вывод этого уравнения предполагает постоянное давление и постоянный коэффициент диффузии.

Частицы находятся в непрерывном режиме, когда K n << 1. В этом режиме частицы большие по сравнению со средней длиной свободного пробега взвешенного газа, а это означает, что взвешенный газ действует как непрерывная жидкость, текущая вокруг частицы. Молекулярный поток в этом режиме составляет:

где a - радиус частицы A , M A - молекулярная масса частицы A , D AB - коэффициент диффузии между частицами A и B , R - постоянная идеального газа, T - температура (в абсолютных единицах, например в градусах Кельвина). ), а P A∞ и P AS - давления на бесконечности и на поверхности соответственно.

Режим перехода содержит все частицы между свободными молекулярными и непрерывными режимами или K п ≈ 1. Силами , испытываемых частицами представляют собой сложная комбинация взаимодействий с отдельными молекулами газа и макроскопическими взаимодействиями. Полуэмпирическое уравнение, описывающее массовый поток, имеет следующий вид:

где I cont - поток массы в непрерывном режиме. Эта формула называется интерполяционной формулой Фукса-Сутугина. Эти уравнения не учитывают эффект тепловыделения.

Разбиение на разделы

график, показывающий процесс конденсации и испарения на молекулярном уровне
Конденсация и испарение

Теория разделения аэрозоля определяет конденсацию на поверхности и испарение с поверхности аэрозоля соответственно. Конденсация массы вызывает усиление режима гранулометрического состава аэрозоля; наоборот, испарение вызывает уменьшение режима. Зарождение зародышей - это процесс образования аэрозольной массы в результате конденсации газообразного предшественника, в частности пара . Чистая конденсация пара требует перенасыщения, парциальное давление выше, чем давление пара . Это может произойти по трем причинам:

  1. Снижение температуры системы снижает давление пара.
  2. Химические реакции могут повышать парциальное давление газа или понижать давление его пара.
  3. Добавление дополнительного пара в систему может снизить равновесное давление пара в соответствии с законом Рауля .

Есть два типа процессов зародышеобразования. Газы преимущественно конденсируются на поверхностях уже существующих аэрозольных частиц, что называется гетерогенным зародышеобразованием . Этот процесс вызывает увеличение диаметра в режиме гранулометрического состава при постоянной числовой концентрации. При достаточно высоком пересыщении и отсутствии подходящих поверхностей частицы могут конденсироваться в отсутствие ранее существовавшей поверхности, что называется гомогенным зародышеобразованием . Это приводит к добавлению очень маленьких, быстро растущих частиц к гранулометрическому составу.

Активация

Вода покрывает частицы аэрозолями, заставляя их активироваться , обычно в контексте образования облачной капли. Следуя уравнению Кельвина (основанному на кривизне жидких капель), более мелкие частицы нуждаются в более высокой относительной влажности окружающей среды для поддержания равновесия, чем более крупные частицы. Следующая формула дает относительную влажность при равновесии:

где - давление насыщенного пара над частицей в состоянии равновесия (вокруг изогнутой капли жидкости), p 0 - давление насыщенного пара (плоская поверхность той же жидкости), а S - степень насыщения.

Уравнение Кельвина для давления насыщенного пара над изогнутой поверхностью:

где радиус капли r p , поверхностное натяжение капли σ , плотность жидкости ρ , молярная масса M , температура T и молярная газовая постоянная R.

Решение общего динамического уравнения

Нет общих решений общего динамического уравнения (GDE); Общие методы, используемые для решения общего динамического уравнения, включают:

  • Моментный метод
  • Модальный / секционный метод и
  • Квадратурный метод моментов / метод разложения моментов в ряд Тейлора и
  • Метод Монте-Карло.

Генерация и приложения

Люди производят аэрозоли для различных целей, в том числе:

Некоторые устройства для генерации аэрозолей:

Стабильность образующихся аэрозольных частиц

Стабильность агломератов наночастиц имеет решающее значение для оценки распределения по размерам аэрозольных частиц из нанопорошков или других источников. На рабочих местах нанотехнологий рабочие могут подвергаться вдыханию потенциально токсичных веществ во время работы с наноматериалами и их обработки. Наночастицы в воздухе часто образуют агломераты из-за сил притяжения между частицами, таких как сила Ван-дер-Ваальса или электростатическая сила, если частицы заряжены. В результате частицы аэрозоля обычно наблюдаются в виде агломератов, а не отдельных частиц. Для оценки воздействия и оценки риска переносимых по воздуху наночастиц важно знать о распределении аэрозолей по размерам. При вдыхании людьми частицы разного диаметра осаждаются в различных местах центральной и периферийной дыхательной системы. Было показано, что наноразмерные частицы проникают через воздушный барьер в легких и перемещаются во вторичные органы человеческого тела, такие как мозг, сердце и печень. Следовательно, знание стабильности агломератов наночастиц важно для прогнозирования размера аэрозольных частиц, что помогает оценить их потенциальный риск для человеческого организма.

Были созданы различные экспериментальные системы для проверки стабильности частиц в воздухе и их способности дезагломерироваться в различных условиях. Недавно описанная комплексная система способна поддерживать устойчивый процесс аэрозолизации и генерировать аэрозоли со стабильной числовой концентрацией и средним размером из нанопорошков. Потенциал деагломерации различных переносимых по воздуху наноматериалов также может быть изучен с использованием критических отверстий. Кроме того, было разработано устройство ударной фрагментации для исследования энергии связи между частицами.

Стандартная процедура испытаний на деагломерацию может быть предусмотрена с развитием различных типов существующих систем. Вероятность деагломерации аэрозольных частиц в производственных условиях может быть оценена для различных наноматериалов, если доступен эталонный метод. С этой целью может быть запущено межлабораторное сравнение результатов испытаний на различных установках, чтобы изучить влияние характеристик системы на свойства генерируемых аэрозолей из наноматериалов.

Обнаружение

Аэрозоль можно измерить на месте или с помощью методов дистанционного зондирования .

Наблюдения на месте

Некоторые доступные методы измерения на месте включают:

Подход с дистанционным зондированием

Подходы дистанционного зондирования включают:

Выборочная выборка по размеру

Частицы могут откладываться в носу , рту , глотке и гортани (область дыхательных путей головы), глубже в дыхательных путях (от трахеи до конечных бронхиол ) или в альвеолярной области . Местоположение осаждения аэрозольных частиц в дыхательной системе в значительной степени определяет последствия воздействия таких аэрозолей на здоровье. Это явление побудило людей изобрести пробоотборники аэрозолей, которые отбирают подмножество частиц аэрозоля, которые достигают определенных частей дыхательной системы. Примеры этих подмножеств гранулометрического состава аэрозоля, важного для профессиональной гигиены, включают вдыхаемые, грудные и вдыхаемые фракции. Фракция, которая может попасть в каждую часть дыхательной системы, зависит от отложения частиц в верхних частях дыхательных путей. Вдыхаемая фракция частиц, определяемая как доля частиц, изначально содержащихся в воздухе, которые могут попасть в нос или рот, зависит от скорости и направления внешнего ветра, а также от гранулометрического состава по аэродинамическому диаметру. Грудная фракция - это доля частиц в атмосферном аэрозоле, которые могут достичь грудной клетки или грудной клетки. Вдыхаемая фракция - это доля частиц в воздухе, которые могут достичь альвеолярной области. Для измерения вдыхаемой фракции частиц в воздухе используется предварительный коллектор с фильтром для отбора проб. Предварительный сборник исключает частицы, поскольку дыхательные пути удаляют частицы из вдыхаемого воздуха. Фильтр для отбора проб собирает частицы для измерения. Обычно для предварительного коллектора используется циклонная сепарация , но другие методы включают ударные, горизонтальные отстойники и мембранные фильтры с большими порами .

Двумя альтернативными критериями отбора по размеру, часто используемыми при атмосферном мониторинге, являются ТЧ 10 и ТЧ 2,5 . ТЧ 10 определяется ISO как частицы, которые проходят через входное отверстие с избирательным размером с отсечкой 50% эффективности при аэродинамическом диаметре 10 мкм, а ТЧ 2,5 как частицы, которые проходят через входное отверстие с избирательным размером с отсечкой 50% эффективности. при аэродинамическом диаметре 2,5 мкм . PM 10 соответствует «грудному условию», как определено в ISO 7708: 1995, раздел 6; PM 2.5 соответствует «условию респирабельности высокого риска», как определено в ISO 7708: 1995, 7.1. Агентство по охране окружающей среды США заменили старые стандарты для твердых частиц на основе общей концентрации взвешенных частиц с другим стандартом на основе PM 10 в 1987 году , а затем введены стандарты для ТЧ 2.5 (также известный как штраф частиц) в 1997 году.

Атмосферный

Спутниковый снимок, на котором видно загрязнение аэрозолями из космоса
Загрязнение аэрозолями над северной Индией и Бангладеш

Несколько типов атмосферных аэрозолей оказывают значительное влияние на климат Земли: вулканические, пустынная пыль, морская соль, происходящая из биогенных источников и созданная руками человека. Вулканический аэрозоль образуется в стратосфере после извержения в виде капель серной кислоты, которые могут сохраняться до двух лет и отражать солнечный свет, понижая температуру. Пустынная пыль и минеральные частицы, уносимые на большие высоты, поглощают тепло и могут препятствовать образованию грозовых облаков. Созданные человеком сульфатные аэрозоли, в первую очередь из-за сжигания нефти и угля, влияют на поведение облаков.

Хотя все гидрометеоры , твердые и жидкие, можно охарактеризовать как аэрозоли, обычно проводится различие между такими дисперсиями (т.е. облаками), содержащими активированные капли и кристаллы, и частицами аэрозоля. Атмосфера Земли содержит аэрозоли различных типов и концентраций, в том числе количества:

Аэрозоли можно найти в городских экосистемах в различных формах, например:

  • Пыль
  • Сигаретный дым
  • Туман из аэрозольных баллончиков
  • Сажа или пары в выхлопных газах автомобилей

Присутствие аэрозолей в атмосфере Земли может повлиять на ее климат, а также на здоровье человека.

Эффекты

Например, прямой эффект заключается в том, что аэрозоли рассеивают и поглощают приходящую солнечную радиацию. Это в основном приведет к охлаждению поверхности (солнечное излучение рассеивается обратно в космос), но также может способствовать нагреванию поверхности (вызванному поглощением поступающей солнечной энергии). Это будет дополнительным элементом к парниковому эффекту и, следовательно, будет способствовать глобальному изменению климата.
В Косвенные эффекты относятся к аэрозолями интерферирующих с образованиями , которые взаимодействуют непосредственно с излучением. Например, они могут изменять размер частиц облаков в нижних слоях атмосферы, тем самым изменяя способ отражения и поглощения света облаками и, следовательно, изменяя энергетический баланс Земли.
Имеются данные, позволяющие предположить, что антропогенные аэрозоли фактически компенсируют воздействие парниковых газов, поэтому в северном полушарии наблюдается более медленное нагревание поверхности, чем в южном полушарии, хотя это просто означает, что северное полушарие поглотит тепло позже за счет океанских течений, приносящих более теплые воды. с юга.
  • Когда аэрозоли поглощают загрязнители, это способствует их осаждению на поверхности земли, а также в водоемах. Это может нанести вред окружающей среде и здоровью человека.
  • Аэрозоли в диапазоне 20 мкм демонстрируют особенно долгое время удержания в помещениях с кондиционированием воздуха из-за их поведения «наездника» (движутся воздушными струями, гравитационно выпадают в медленно движущийся воздух); Поскольку аэрозоль такого размера наиболее эффективно адсорбируется в носу человека, первичном очаге инфекции COVID-19 , такие аэрозоли могут способствовать пандемии.
  • Частицы аэрозоля с эффективным диаметром менее 10 мкм могут попадать в бронхи, в то время как частицы с эффективным диаметром менее 2,5 мкм могут проникать в область газообмена в легких, что может быть опасно для здоровья человека.

Смотрите также

использованная литература

Процитированные работы

  • Колбек, Ян, Михалис Лазаридис (редакторы) (2014). Аэрозольная наука: технология и применение . Джон Уайли и сыновья - Наука. ISBN 978-1-119-97792-6.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  • Фридлендер, СК (2000). Дым, пыль и дымка: основы поведения аэрозолей (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-512999-7.
  • Хайндс, Уильям К. (1999). Аэрозольные технологии (2-е изд.). Wiley - Interscience. ISBN 978-0-471-19410-1.
  • Хиди, Джордж М. (1984). Аэрозоли, промышленность и экология . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-412336-6.

дальнейшее чтение

внешние ссылки