АЕРОЗОЛІ

АЕРОЗОЛІ (грец. aer — повітря + нім. solе — колоїдний розчин) — вільнодисперсні системи з газовим дисперсійним середовищем і твердою чи рідкою дисперсною фазою. Термін А. вперше використаний англійським хіміком Ф.Дж. Доннаном під час Першої світової війни для визначення хмар отруйних речовин. А. класифікують за агрегатним станом дисперсної фази, за дисперсністю і методами одержання. За агрегатним станом розрізняють: тумани — системи з рідкою дисперсною фазою; дим, пил — з твердою фазою. Дими, які утворюються при згоранні палива і адсорбують вологу з атмосфери, є одночасно димами і туманами. Такі системи існують над великими промисловими містами й називаються смогом [англ. smog = smoke (дим) + fog (туман)]. За дисперсністю аерозолі з твердою дисперсною фазою розділяють на дими з частинками 10–9–10–5 м і пил, частинки якого >10–5 м. Тумани містять краплинки розміром 10–7–10–5 м, які мають сферичну форму, частинки димів можуть бути голчастими, пластинчастими, зіркоподібними та ін. За методами одержання розрізняють диспергаційні та конденсаційні А. Диспергаційні А. одержують при механічному, пневматичному, УЗ-подрібненні та розпиленні твердих тіл і рідин у форсунках, пульверизаторах та інших установках. Цікавим методом одержання А. з рідкою дисперсною фазою, що має найдрібніші і до того ще й сильно заряджені уніполярно частинки, є електродинамічне розпилення рідин під дією електричного струму високої напруги (20–30 кВ). Методи диспергації приводять до утворення полідисперсних і відносно грубодисперсних А. Більш однорідні за розміром і високодисперсні А. отримують конденсаційними методами, до яких відносять: перехід насиченої пари в рідкий та твердий стан (напр. утворення туману та хмар), а також хімічні реакції, що призводять до появи нових рідких або твердих фаз. Обов’язковою умовою виникнення А. шляхом конденсації є присутність перенасиченої пари. За цієї умови А. може утворюватися: при охолодженні газової суміші, що містить пару; при змішуванні газів і пари, які мають різні температури; при адіабатичному розширенні пари, у результаті хімічних реакцій газоподібних речовин, коли утворюється нова фаза з низьким тиском насиченої пари. Властивості А. зумовлюються: природою речовини дисперсної фази; природою газового дисперсійного середовища; масовою або частинковою концентрацією А. (загальною масою або кількістю частинок, що містяться в одиниці об’єму А.); середнім розміром, формою та зарядом частинок дисперсної фази. Для радіоактивних А. потрібна додаткова характеристика радіоактивності (питома радіоактивність частинок А. та ін.). Особливості А. як дисперсних систем зумовлені низькою в’язкістю газового дисперсійного середовища, великою різницею в густині дисперсної фази і дисперсійного середовища і випадковим зарядом частинок А. У зв’язку із цим у високодисперсних А. яскраво виражена дифузія та інтенсивний броунівський рух частинок дисперсної фази, що приводить до частих зіткнень частинок між собою, їх швидкої агрегації в більші агрегати і, як наслідок, до самодовільного і швидкого зниження частинкової концентрації А. Дисперсність А. безперервно змінюється також і внаслідок випарювання частинок або конденсації на їх поверхні пари (ізотермічна перегонка в А.). У мікрогетерогенних А., де частинки дисперсійної фази не беруть участі у броунівському русі (у зв’язку з великою масою), відбувається швидка седиментація. Отже, теорія броунівського руху Ейнштейна і Смолуховського застосовна для А. середньої дисперсності (10–6 м>r>10–8 м). Із кінетичними властивостями пов’язані характерні для А. явища термофорезу, фотофорезу і термопреципітації. Термопреципітація — осадження частинок А. на холодних поверхнях внаслідок втрати частинками кінетичної енергії. Цим пояснюється осадження пилу на стінках та стелях поблизу радіаторів, ламп, печей та ін. Явище термофорезу полягає в русі частинок А. в напрямку зниження температури. Термофорез виникає внаслідок того, що на більш нагрітий бік частинки молекули газу налітають з більшою швидкістю, ніж на менш нагрітий, і тому надають частинці імпульс у напрямку зниження температури. Фотофорез — це рух частинок А. при однобічному освітленні променем, він є окремим випадком термофорезу. Розподіл температури всередині освітленої частинки залежно від розміру, форми, прозорості й коефіцієнта заломлення може бути різним, і частинка А. може рухатися як у напрямку променя світла (позитивний фотофорез), так і назустріч йому (негативний фотофорез). Явища термофорезу і фотофорезу спостерігаються в атм. А. при утворенні й переміщенні хмар і туманів.

А. є менш стійкими дисперсними системами, ніж системи з рідким дисперсійним середовищем. Кінетична стійкість А. зумовлюється їх високою дисперсністю і низькою концентрацією. При осіданні частинок ультрамікрогетерогенних А. утворюється градієнт концентрацій, який є рушійною силою дифузії частинок у напрямку, протилежному седиментації. При рівності дифузійного й седиментаційного потоку встановлюється так звана седиментаційно-дифузійна рівновага, яка характеризує термодинамічну стійкість таких систем. Частинкова концентрація на висоті h становить:

vh = v0 exp(-vgρ0)/kT),

де v0 — частинкова концентрація на висоті h = 0; vh — частинкова концентрація на висоті h; v — об’єм частинки; g — прискорення сили тяжіння; ρ і ρ0 — густина частинок і середовища відповідно; k — константа Больцмана; Т — температура. Мірою термодинамічної стійкості до седиментації є висота he, протягом якої концентрація дисперсної фази змінюється в е раз.

he = kt/vgρ0).

Чим більша висота he, тим більша седиментаційна стійкість системи. Стійкість збільшується при підвищенні температури, зменшенні розмірів частинок і різниці в густині частинок і середовища. Агрегативно А. є дуже нестійкими системами внаслідок відсутності електростатичного й адсорбційно-сольватного факторів стабілізації, характерних для ліозолів. У багатьох випадках стійкість А. підвищується завдяки присутності стабілізатора. Стабілізація при цьому здійснюється шляхом набуття електричного заряду або шляхом утворення захисного шару на поверхні частинки. Частинки А. набувають заряду внаслідок адсорбції на їх поверхні газових іонів, які виникають під дією на газ УФ-, рентгенівських, космічних променів та радіоактивних випромінювань або за рахунок тертя частинок одна об одну та стінку апаратури. Знак заряду частинок А. залежить і від хімічного складу пилу і диму: основні речовини (CaO, ZnO, MgO, Fe2O3) дають негативно заряджений пил, а кислі (SiO2, P2O5, а також вугілля) — позитивно заряджений. На відміну від ліозолів, частинки А. не мають дифузного шару протиіонів, крім того, частинки А. можуть нести різні за знаком і величиною заряди або бути нейтральними. При цьому найвищу стійкість мають А. з одноіменно зарядженими частинками (уніполярні). Коагуляція аерозолів є швидкою коагуляцією. Кінетика коагуляції А. описується рівнянням Смолуховського:

v = v0 /(1 + Kv0τ) або v = v0 /(1 + τ/θ),

де v — сумарне число частинок дисперсної фази до часу τ; v0 — початкове число частинок; θ = 1/(Kv0) — час половинної коагуляції; K — константа швидкості коагуляції. Швидкість коагуляції збільшується з підвищенням концентрації аерозолю, під впливом конвекції, механічного перемішування, УЗ-коливань. Коагуляції сприяє полідисперсність і анізометрична форма частинок. На стійкість туманів особливо впливає температура, оскільки рівновага у них можлива тільки, якщо тиск насиченої пари частинок (р) дорівнює тиску насиченої пари рідини, з якої вони утворюються (p0). При р>p0 відбувається випаровування крапель, а при р<р0 — конденсація. При осіданні заряджених частинок А. виникає потенціал седиментації. Це явище має значення для великих об’ємів А. В атмосфері при осіданні крапельок виникають великі електричні поля. Швидкість седиментації підсилюється конвекцією, у цих умовах досягається напруженість поля Е >300 В/см, яка відповідає електричному розряду блискавки. Найважливіші оптичні властивості А. — розсіяння і поглинання світла — залежать від розміру, форми й природи частинок. Якщо розмір частинок значно менший за довжину хвилі світла, що падає, то А. розсіює світло й підпорядковується закону Релея. Цим пояснюється блакитний колір неба і червоний колір зорі. Конус Тиндаля (див. Тиндаля ефект) особливо яскраво виражений в А. внаслідок великої різниці показників заломлення дисперсної фази і газового дисперсійного середовища. Утворення А. небажане в процесі добування та переробки руд, вугілля, подрібнення матеріалів, виробництва цементу, спалювання палива, тому що це зумовлює втрату цінних речовин, забруднення атмосфери, шкідливо впливає на здоров’я людей, деталі машин та механізмів. Особливо шкідливі патогенні, радіоактивні А. та смоги. Внаслідок їх взаємодії з хмарами випадають так звані кислотні дощі, що підкислюють ґрунт, знижують його родючість, ставки та озера перетворюються на розчини кислот, у яких гине риба, сохнуть ліси. А. здатні також утворювати небезпечні вибухові суміші з повітрям (вугільний, цукровий, борошняний пил). Методи боротьби з А. ґрунтуються на усуненні причин їх виникнення, факторів стабілізації та прискоренні природних процесів руйнування (седиментація, коагуляція, коалесценція). Для руйнування А. на практиці користуються декількома основними методами: фільтрацією, зміною швидкості та напрямку руху потоку А., дією звукових хвиль високої частоти (2–10 Кгц), електричного поля високої напруги (до 50 000 В), високої температури, введенням речовин, які можуть бути центрами кристалізації або конденсації. Тонке очищення А. досягається його фільтруванням крізь паперові, волокняні тканинні та пористі керамічні фільтри або промиванням зустрічним потоком рідини (кондиціонери, скрубери). Виділення дисперсної фази з А. шляхом зміни швидкості та напрямку його руху проводиться у спеціальних апаратах — циклонах, мультициклонах, ротаційних уловлювачах, де великі відцентрові сили примушують тверді частинки втрачати швидкість і осідати на дно апарата. Під дією звукових хвиль частинки А. вібрують, що призводить до їх частих зіткнень. Процес коагуляції відбувається дуже швидко, протягом кількох секунд. Під дією електричного поля високої напруги відбувається іонізація молекул газу, частинки А. адсорбують ці іони і набувають додаткового заряду, що сприяє їх осіданню на протилежно зарядженому електроді. Розпилення тонко подрібненого піску, твердого СО2 або АgI з літака на верхню частину хмари викликає швидку коалесценцію крапель води, які випадають у вигляді дощу. А. широко використовують для вирішення різних практичних завдань. Так, ЛП у формі А. широко застосовують при інфекційних, алергічних захворюваннях легень, бронхів, горла тощо. Ця форма дозволяє сполучати кілька високоефективних лікарських речовин, які забезпечують необхідний спектр дій: блокаду больового синдрому, локалізацію запального процесу, антимікробну дію, захист рани від забруднення і т.д. Популярність фармацевтичних А. пояснюється ще й простотою застосування, можливістю з одного балона обробити декілька хворих, яким необхідна лікарська допомога. За типом застосування аерозольні ліки підрозділяються на інгалятори, аеропласти, мазі, піни. Обов’язковим компонентом аерозольних сумішей є пропеленти чи гази. У сільському господарстві А. використовують для захисту рослин від шкідників та хвороб, розпилення інсектицидів та ін. Проблеми А. набувають великого значення у зв’язку з вирішенням багатьох питань метеорології, боротьби із запиленістю і забрудненням повітря міст і робочих приміщень та розповсюдженням грипу, туберкульозу, чуми та ін.

Башура Г.С., Неугодов П.П., Хаджай Я.И., Теллерман Л.С. Фармацевтические аэрозоли. — М., 1978; БСЭ. — М., 1983; Фізична і колоїдна хімія / В.І. Кабачний, Л.К. Осіпенко, Л.Д. Грицан та ін. — Х., 1999.