|
|
Аэрозоль_3.0. Физикохимия аэрозолей
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Ставропольский государственный медицинский университет»
Министерства здравоохранения России
(ГБОУ ВПО СтГМУ Минздрава России)
Кафедра общей и биологической химии
Заведующая кафедрой
д.б.н., профессор
К.С. Эльбекьян
Реферат
Тема: «Физико-химия аэрозолей».
Выполнил: студент 109 группы
Поспелов Н.С
Проверила: ассистент кафедры,
к.п.н. Пажитнева Е.В
г. Ставрополь, 2015
Аэрозолем называется микрогетерогенная система, в которой частички твердого вещества или капельки жидкости взвешены в газе. Условное обозначение аэрозолей: Т/Г или Ж/Г.
Чтобы было ясно, насколько важным является этот вид дисперсных систем, приведем примеры аэрозолей. Космическое пространство, атмосфера Земли, воздух, которым мы дышим, — все это аэрозоли. Аэрозоли возникают естественным путем, образуются искусственно и сопутствуют промышленному производству. Ветер поднимает и разносит облака пыли, создавая пыльные бури. Пыль может подниматься на высоту 5— 6 км и переноситься на расстояния, измеряемые тысячами километров. В Норвегии, например, была обнаружена пыль пустыни Сахара. При извержении вулканов, а их на Земле более 600, в атмосферу выбрасывается несколько десятков миллионов тонн грунта, большая часть которого переходит в аэрозольное состояние. Так, в результате гигантского извержения вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. в стратосферу было выброшено такое количество пыли, что следующий, 1816 г., вошел в историю как «год без лета».
Микроорганизмы, вирусы и споры растений подхватываются потоком воздуха и образуют аэрозоли. Споры плесени и дрожжей находят в атмосфере на высоте свыше 11 км. Аэрозоли биологического происхождения переносятся на огромные расстояния — были отмечены случаи, когда споры грибов были обнаружены над Карибским морем в 1000 км от ближайшего возможного места их образования. Вода, испаряемая с водной поверхности Земли, образует аэрозоли, разрушение которых приводит к возникновению дождя, снега, града. До 30% всех естественных аэрозолей дает космическая пыль. Все это — аэрозоли, которые возникают естественным путем, без участия человека. Около 10% всех аэрозолей получается искусственно: это распыление ядохимикатов и удобрений, орошение, бытовые аэрозоли и т.д. И, наконец, третья группа аэрозолей — это промышленные аэрозоли. В шахтах, карьерах для добычи полезных ископаемых, около металлургических и химических комбинатов, при работе различных агрегатов (дробилок, мельниц, многочисленных котельных) образуются аэрозоли, загрязняющие воздух. Все виды наземного, воздушного и водного транспорта являются источниками аэрозолей за счет сгорания топлива. Достаточно отметить, что в результате сгорания топлива ежегодно выбрасывается в атмосферу более 100 т твердых и 1 млн т газообразных веществ. Производство ядерного топлива, эксплуатация атомных электростанций, испытания ядерного оружия приводят к образованию радиоактивных аэрозолей.
Таковы основные источники образования аэрозолей. Ежегодно в среднем 1 км2 земной поверхности выбрасывает в атмосферу 20 т раздробленной массы, которая превращается в атмосферные аэрозоли.
Для исследования аэрозолей применяют такие методы, как микроскопия, ультрамикроскопия, гравиметрия, химический анализ и др. Эти методы используются в целях санитарного контроля воздуха рабочих помещений и атмосферы населенных мест. Для гигиенической характеристики аэрозолей применяют также определение растворимости частиц в биологических средах, электрического заряда и удельной поверхности частиц.
Общая характеристика аэрозолей
Свойства аэрозолей определяются:
• природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды;
• частичной и массовой концентрацией аэрозоля;
• размером частиц и распределением частиц по размерам;
• формой первичных (неагрегированных) частиц;
• структурой аэрозоля;
• зарядом частиц.
Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются массовая концентрация и численная (частичная) концентрация.
Массовая концентрация — масса всех взвешенных частиц в единице объема газа.
Численная концентрация — число частиц в единице объема аэрозоля. Как бы ни велика была численная концентрация в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не может превышать 103 частиц/см3 .
Классификация Аэрозолей
1. По агрегатному состоянию дисперсной фазы:
· туман (Ж/Г);
· дым, пыль (Т/Г);
· смог (Ж+Т)/Г [Smog] = Smoke (дым) + fog (туман)
2. По дисперсности:
· туман (Ж/Г), 10-7
· дым (Т/Г), 10-9 < d < 10-5 м;
· пыль Т/Г, d > 10-5 м.
3. По методам получения:
· конденсационные;
· диспергационные.
Методы получения аэрозолей
Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены двумя разными промышленными способами :
из грубо-дисперсных систем (диспергационные методы),
из истинных растворов (конденсационные методы).
Промышленные аэрозоли можно классифицировать по различным признакам. В зависимости от способа формирования аэрозоли делятся на дисперсионные и конденсационные. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспер- гировании) твердых и жидких веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных паров, а также в результате га- зовых реакций. Дисперсионные частицы обычно значительно грубее, чем конденса- ционные, обладают большей полидисперсностью, имеют неправильную форму. Конденсационные аэрозоли, напротив, имеют правильную шаро- образную форму. При рассмотрении процессов пылеулавливания и химической очистки газов наиболее предпочтительной является классификация аэрозолей по размеру частиц. В зависимости от размера, аэрозоли делятся на пыли, дымы и туманы.
Пыль – это дисперсионный аэрозоль, состоящий из газообразной или воздушной дисперсионной среды и твердой дисперсной фазы, представ- ляющей собой частицы макроскопического размера, обладающие свойст- вом находится во взвешенном состоянии более или менее продолжитель- ное время. В зависимости от размера частиц все пыли классифицируются на гру- бую пыль с размером частиц более 50 мкм и мелко- или тонкодисперсную – размер частиц менее 5 мкм. Все пыли в зависимости от дисперсности подразделяются на пять групп (ГОСТ 12.2.043 - 80): I - наиболее крупнодисперсная; II - крупнодисперсная; III - среднедисперсная; IV - мелкодисперсная; V - наиболее мелкодисперсная пыль.
Дисперсность аэрозолей характеризует также медианный диаметр. Медианным (средним) диаметром d50 называют такой размер частиц, по которому массу аэрозоля можно разделить на две равные части: масса частиц мельче d50 составляет 50% всей массы пыли, так же как и масса частиц крупнее d50.
Плотность - масса единицы объема, кг/м3. Различают истинную, кажущуюся и насыпную плотность частиц пыли.
Истинная плотность представляет собой массу единицы объема вещества, из которого образована пыль.
Кажущаяся плотность - это масса единицы объема частиц, включая объем закрытых пор. Кажущаяся плотность монолитной частицы равна истинной плотности данной частицы.
Насыпная плотность - масса единицы объема уловленной пыли, свободно насыпанной в емкость. В объем, занимаемый пылью, входят внутренние поры частиц и промежуточное пространство между ними.
Слипаемость пыли - склонность частиц к сцеплению друг с другом, определяемая аутогезионными (когезионными) свойствами. Взаимодействие пылевых частиц между собой называется аутогезией. Аутогенным воздействием вызывается образование конгломератов пыли. Взаимодействие пылевых частиц с поверхностями называется адгезией.
Слипаемость обусловлена силами электрического, молекулярного и капиллярного происхождения. Устойчивая работа пылеулавливающего оборудования во многом зависит от слипаемости пыли. В качестве показателя слипаемости принимают прочность пылевого слоя на разрыв Р, Па. По степени слипаемости пыли разделяют на четыре группы.
I Неслипающиеся, Р < 60-Доломитовая, глиноземная, шлаковая.
II Слабослипающиеся, Р = 60...300-Коксовая, доменная, апатитовая
III Среднеслипающиеся, Р = 300...600-Несхватывающиеся влажные пыли, цементная, торфяная, металлическая, мучная, пыль с максимальным размером частиц 25 мкм.
IV Сильнослипающиеся, Р > 600-Влажные схватывающиеся пыли, цементная, гипсовая, волокнистые пыли (асбестовая, хлопковая, шерстяная); все пыли с частицами размером не более 10 мкм
Наличие схватывающихся пылей в составе загрязнителей указывает на возможность химических реакций между компонентами выбросов. Считают, что для влажной пыли степень ее слипаемости должна быть увеличена на один уровень. Слипаемость возрастает с уменьшением размера частиц.
Смачиваемость пыли. На смачивании пыли распыленной водой основано мокрое пылеулавливание. Смачиваемость дисперсных загрязнителей в определенной мере влияет на выбор средств очистки. Так, мокрые способы очистки не эффективны для плохо смачиваемых пылей.
Электрические свойства оказывают значительное влияние на поведение пыльевых частиц. Электрические силы во многом определяют процесс коагуляции, устойчивость пылевых агрегатов, взрывоопасность пыли, ее воздействие на живые организмы. Данные об электрических свойствах улавливаемой пыли используются для оптимизации работы электрофильтров, эффективность и устойчивость которых непосредственно зависят от этих свойств. Основные электрические свойства пыли - удельное электрическое сопротивление и электрический заряд пыли.
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) характеризует электрическую проводимость слоя пыли. УЭС равно сопротивлению прохождения электрического тока через куб пыли со стороной, равной 1 м (Ом · м). По значению УЭС пыль можно разделить на три группы: хорошо проводящая - < 102 Ом · м, со средней проводимостью 102...108-9 Ом·м, высокоомная > 108-9 Ом·м. Электрическое сопротивление пыли обусловлено поверхностной и объемной проводимостью. Поверхностный слой пылинок по своим электрическим свойствам отличается от основной массы вследствие того, что на поверхности адсорбируются влага и газы. Объемная (внутренняя) проводимость определяется проводимостью материала частицы. УЭС пыли зависит также от химического состава, размера и упаковки частиц.
Туманы – это конденсационный аэрозоль, состоящий как из конден- сационных, так и дисперсионных жидких частиц (брызг, капель) размером от 0,3 до 5 мкм.
Дым – это дисперсионный аэрозоль, преимущественно состоящий из твердой дисперсной фазы (размер частиц от 0,1 до 5 мкм) либо вклю- чающий твердые и жидкие частицы. На практике часто приходится встречаться с аэрозолями, включаю- щими частицы как дисперсионного, так и конденсационного происхожде- ния обычно ультрамикроскопического размера. Выбор аппарата, который бы обеспечивал эффективное улавливание взвешенных в газе аэрозолей, производится на основе подробного анализа физико-химических свойств исходной, уловленной либо вынесенной пыли.
Методы разрушения аэрозолей
Несмотря на то, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми, проблема их разрушения стоит очень остро. Основные проблемы, при разрешении которых возникает необходимость разрушения аэрозолей:
• очистка атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей;
• улавливание из промышленного дыма ценных продуктов;
• искусственное дождевание или рассеивание облаков и тумана.
Разрушение аэрозолей происходит путем
• рассеивания под действием воздушных течений или вследствие одноименных зарядов частиц;
• седиментации;
• диффузии к стенкам сосуда;
• коагуляции;
• испарения частиц дисперсной фазы (в случае аэрозолей летучих веществ).
Из очистных сооружений наиболее древним является дымовая труба.
Вредные аэрозоли стараются выпускать в атмосферу как можно выше, так как некоторые химические соединения, попадая в приземный слой атмосферы под действием солнечных лучей и в результате разных реакций, превращаются в менее опасные вещества (на Норильском горно-металлургическом комбинате, например, трехканальная труба имеет высоту 420 м). Однако современная концентрация промышленного производства требует, чтобы дымовые выбросы проходили предварительную очистку. Разработано много способов разрушения аэрозолей, но любой из них состоит из двух стадий:
первая — улавливание дисперсных частиц, отделение их от газа,
вторая — предотвращение повторного попадания частиц в газовую среду, это связано с проблемой адгезии уловленных частиц, формированием из них прочного осадка.
Дисперсность - степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц аэрозолей по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данный аэрозоль, и массу или количество частиц соответствующего размера.
Дисперсность в значительной мере определяет свойства аэрозолей. В результате измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано, в основном, тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его суммарная поверхность. Например, при измельчении тела, имеющего форму куба и размеры 10 х 10 х 10 мм, и превращении его в частицы кубической формы размером 1 мкм суммарная поверхность материала возрастет в 10 000 раз и станет равной 6 м2 (вместо 600 мм2).
В результате резкого увеличения суммарной поверхности вещества повышается поверхностная энергия, что влечет за собой увеличение физической и химической активности. Очень быстро и интенсивно протекают реакции окисления этих веществ. О повышении физической активности говорит, например, то, что измельченные вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный материал.
Мелкодисперсная пыль осаждается значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом пыли. Выбор пылеулавливающего оборудования решается главным образом на основании дисперсного состава пыли.
Имеется несколько способов выражения размеров пылевых частиц: по диаметру частицы; по размеру в свету наименьших размеров ячеек сита, через которые проходят данные частицы; по диаметру шарообразных частиц, имеющих такую же массу; по наибольшему линейному размеру частиц неправильной формы; по диаметру условных шарообразных частиц, обладающих при одинаковой плотности скоростью витания, равной скорости витания данной пылевой частицы. Точно размер частицы может быть выражен диаметром шарообразной частицы. Однако частицы такой формы практически не встречаются, поэтому для выражения размера частицы пользуются понятиями эквивалентный диаметр, седиментационный диаметр и др.
Эквивалентный диаметр частицы неправильной формы - диаметр шара, объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь которого одинакова с площадью проекции частицы.
Седиментационный диаметр частицы - диаметр шара, скорость оседания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы неправильной формы.
Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 10-7 до 1 см. Нижний предел определяется возможностью длительного самостоятельного существования весьма малых частиц; верхний предел ограничен тем, что крупные частицы весьма быстро осаждаются под действием сил тяжести и во взвешенном состоянии практически не наблюдаются.
Отбор оптимального объема проб
Объем аэрозольного потока, отбираемого в качестве пробы должен содержать количество аэрозольных частиц, достаточное для определения их физико-химических характеристик. Например, для определения хими- ческого и минералогического состава требуется 20-30 г пыли, для анализа дисперсного состава – 50–100 г, насыпной плотности и угла естественного откоса – 200–300 г, смачиваемости и слипаемости – по 15–20 г, абразивно- сти – 200–300 г. Для полного исследования обычно достаточно 800 г. Большое количество газа отбирать нецелесообразно, так как это приводит к ухудшению улавливания аэрозольных частиц в приемнике по мере нако- пления в нем частиц и, кроме того, при определенной скорости пропуска- ния газа, лимитируемой условиями улавливания частиц, лишнее количест- во пробы требует дополнительного времени. В некоторых случаях для изучения свойств частиц можно брать пробу не из газового потока, а из накопительных бункеров пылеулавливающего оборудования или с транспортеров. Для получения сопоставимых результатов каждое исследование свойств частиц должно производиться из проб пыли, выдержанных в атмо- сфере воздуха определенной влажности. Это предотвратит ошибку в оцен- ке доли основного вещества в навеске за счет изменения его влажности между проводимыми анализами. Перед проведением исследований пробу пыли тщательно перемеши- вают. Для этого ее рассыпают на листе бумаги и разравнивают на площади размером 70 × 70 см. Один край листа поднимают, заставляя пыль на листе перекатываться к противоположному краю, который, в свою очередь, так- же поднимают, опустив первый край. Так повторяют процесс перекатыва- ния до тех пор, пока валик пробы не займет всю ширину листа. После это- го перекатывание производят в перпендикулярном направлении. Процеду- ру повторяют пять-шесть раз. Для исследований пыль берут из различных мест валика шпателем.
Практическое значение аэрозолей
В медицине к аэрозолям относят распыленные в воздухе, кислороде или инертном газе лекарственные вещества.
Известно, что площадь поверхности вещества при переводе его в дисперсное состояние резко увеличивается. При дроблении частиц их суммарная площадь поверхности возрастает с уменьшением радиуса частицы. Если 1 см3 вещества в форме шара имеет радиус 0,62 см и площадь поверхности 4,72 см2, то при дроблении на сферические частицы радиусом 25 мкм число их составит 15-Ю6, а суммарная площадь поверхности будет равна 1180 см2. Для частиц радиусом 4 мкм их число равно 37*108, а суммарная площадь поверхности — около 7400 см2. Если 1 мл жидкости превратить в аэрозоль, состоящий из частиц размером 5 мкм, то образуется 15 000 000 частиц с суммарной площадью поверхности 12 000 см2, а при размере частиц 2 мкм их количество составит 240 000 000 и суммарная площадь будет равна 30 000 см2.
Так как химические реакции происходят на поверхности соприкасающихся тел, увеличение общей поверхности капель при уменьшении их размеров способствует повышению физиологической и биологической активности лекарственных средств, применяемых в виде аэрозоля. Диспергированное вещество обладает увеличенной физиологической активностью за счет возросшей суммарной поверхности дисперсной фазы.
При дроблении жидкости изменяются ее свойства, увеличивается удельная поверхность аэрозоля. Одна капля воды в парообразном состоянии содержит 3 000 000 частиц с общей поверхностью 1 500 000 см2.
Плотность — это отношение массы вещества (m) к объему (v), в котором она находится: p=m/v
В медицинской практике плотностью аэрозоля называют отношение количества ингалируемого раствора (лекарственного вещества) к объему воздуха, в котором находятся аэрозольные частицы или капли взвеси. Результаты определения выражают в г/л или мг/л. Иногда взвешенный лекарственный раствор выражают и в миллилитрах, тогда получают для выражения плотности аэрозоля отношение из двух объемов, то есть мл/л, или литр (раствора) на литр воздуха, то есть л/л. В числителе всегда находится объем использованного при распылении раствора, а в знаменателе — объем вентилируемого воздуха.
Чтобы определить плотность аэрозоля, следует объем или массу лекарственного вещества, использованного за определенное время, разделить на объем воздуха, вентилируемого за это же время. Например, в аппарате распыляется 2 мл/мин лекарственного раствора. Если за это же время производительность аппарата по воздуху составит 10 л/мин, то плотность аэрозоля будет равна: p=0.2мл/л.
Распыляемый объем приблизительно равен распыляемой массе. Следовательно, 1 мл/л примерно равен 1 г/л.
Плотность аэрозоля дает возможность установить, сколько жидкости или твердой субстанции содержится в 1 л газа. При этом следует принимать в расчет и жидкость, в которой растворено лекарственное вещество. Для антибиотиков весовая концентрация выражается в единицах биологической активности. Аэрозоли, которые вырабатываются с применением пневматических (сопловых) аппаратов, имеют более низкую плотность, чем ультразвуковые, так как в последнем случае для образования аэрозоля не требуется нагнетание воздуха. На плотность аэрозоля влияет расстояние (путь) между местом его образования и мундштуком: чем больше расстояние, тем ниже плотность распыляемого вещества.
Виды плотностей пыли и способы их определения В научной и технической литературе используется несколько понятий плотности пылевидных частиц: истинная плотность представляет собой массу единицы объема частиц пыли, за исключением объема открытых и закрытых пор; кажущаяся плотность частиц пыли – масса единицы объема частиц, включая объем закрытых пор; Электронный архив УГЛТУ 7 объемная плотность частиц пыли – масса единицы объема частиц, включая объем закрытых и открытых пор; насыпная плотность – масса единицы объема частиц, свободно насыпанных в какую-либо мерную емкость непосредственно после ее заполнения, т.е. в объем занимаемый частицами, включается объем пор и промежуточное пространство между частицами; насыпная плотность при встряхивании – масса единицы объема пыли при плотной упаковке частиц, достигаемой путем встряхи- вания. Из приведенных определений различных характеристик плотности видно, что последние две имеют прикладное значение. Они используются при расчете и проектировании бункеров, транспортных ёмкостей и пыле- погрузчиков.
Характеристика первых трех типов плотности используется для косвенных оценок других свойств пыли (седиментационный диаметр, пористость, технологическое происхождение). Для таких косвенных оценок надо иметь ввиду следующее: пыль, образующаяся при измельчении монолитного материала, имеет истинную плотность, близкую к плотности исходного материала; аэрозольные частицы, образующиеся при горении, гранулировании, сушке имеют закрытые поры; это обстоятельство проявится при сопостав- лении кажущейся плотности частиц с истинной, которая может быть опре- делена после разрушения частиц; такое сопоставление позволит оценить и дисперсный состав частиц; различные по крупности частицы имеют различную структуру; так, силикагель, моющие порошки и ряд других веществ, могут иметь в круп- ных фракциях неразрушенные полые частицы, а в тонких – разрушенные, что проявится при сопоставлении кажущейся плотности этих фракций. Частицы в системе могут обладать различной плотностью еще пото- му, что, например, в летучей золе крупные частицы содержат несгоревшие частицы топлива, а мелкие – повышенное количество солей кальция и ще- лочных металлов. Для измерения обсуждаемых характеристик использу- ются различные методы, наибольшее распространение из которых получи- ли пикнометрический и манометрический методы.
Аэрозоли благодаря широкому распространению в природе и технике играют важную роль в жизни и деятельности человека.
Природные аэрозоли — облака и туманы — имеют огромное значение для метеорологии и сельского хозяйства, поскольку они определяют выпадение осадков и в значительной степени обусловливают климат того или иного района. Такие природные явления, как дождь или снег, гроза, радуга, целиком определяются наличием в атмосфере аэрозолей. Известную роль играют аэрозоли и в биологии — пыльца растений, споры бактерий и плесени, а также легкие семена переносятся в природе в форме аэрозоля.
В производстве аэрозоли образуются при работе разного рода машин — дробилок, мельниц, вальцов, просеивающих приспособлений и т. д. Выделяющаяся пыль загрязняет производство, попадая между трущимися частями машин, ускоряет их износ, создает антисанитарные условия для работы человека. Особенно вредна пыль, содержащая мельчайшие, острые осколки кварца. Продолжительное вдыхание такой пыли вызывает тяжелое, часто со смертельным исходом заболевание — силикоз. Кварц, попадая в легкие в виде микроскопических острых осколков, разрушает ткань легких и способствует проникновению в организм разнообразных инфекций и, в частности, способствует заражению туберкулезом. Сходные заболевания вызывают аэрозоли окислов некоторых металлов, например окиси цинка. В угольных шахтах образование пыли может служить причиной сильных взрывов. Опасность взрыва возможна на всех предприятиях, перерабатывающих в порошкообразном состоянии материалы, способные гореть, но в обычном виде вполне безопасные (мука, сахар, сера). Это объясняется тем, что благодаря огромной удельной поверхности дисперсной фазы, а значит, огромной площади ее соприкосновения с воздухом и малой теплопроводности аэрозоля, способствующей местному разогреванию, реакция окисления при сгорании дисперсной фазы аэрозоля идет с колоссальной скоростью, что приводит к взрыву. Взрывы аэрозолей опаснее, чем взрывы газов, так как переход от твердого или жидкого состояния вещества к газообразному сопровождается гораздо большим увеличением объема системы, чем при газовых реакциях.
Выше мы касались главным образом отрицательного значения аэрозолей, образующихся в производственных условиях. Однако в некоторых случаях аэрозоли играют положительную роль и их приходится специально получать особыми методами. Например, распыление до состояния аэрозоля или микрогетерогенной системы применяют при подаче твердого или жидкого топлива в топки. Получение аэрозоля краски или лака путем пневматического распыления с помощью специальных пульверизаторов широко используется для окрашивания различных поверхностей и предметов. Подобный же прием применяют и при металлизации поверхностей. Огромное значение имеет распыление инсектицидов, фунгицидов и гербицидов в сельском хозяйстве при борьбе с вредными насекомыми, грибками и сорняками. В медицине аэрозоли применяют для введения лекарственных веществ в организм путем ингаляции.
Особое значение аэрозоли имеют в военном деле при светомаскировке
Широкое использование аэрозолей обусловлено их высокой эффективностью. Известно, что увеличение поверхности вещества сопровождается увеличением его активности. Незначительное количество вещества, распыленное в виде аэрозоля, занимает большой объем и обладает большой реакционной способностью. В этом состоят преимущества аэрозолей перед другими дисперсными системами.
Аэрозоли применяются:
• в различных областях техники, в том числе в военной и космической;
• в сельском хозяйстве; « в здравоохранении;
• в метеорологии; в в быту и т. д.
В последнее время в фармацевтической практике широко применяют приготовление лекарственных форм в виде аэрозолей. Использование лекарственных веществ в виде аэрозолей удобно в тех случаях, когда нужна воздействовать препаратом на большие поверхности (острые заболеваний дыхательных путей, ожоги и т. п.). Большой эффект дают лекарственные формы, содержащие в своем составе жидкие пленкообразующие вещества. При распылении такого препарата на пораженный участок он покрывается тонкой, прозрачной пленкой, которая заменяет повязку.
Остановимся подробнее на применении аэрозольных упаковок.
В настоящее время насчитывается более 300 видов товаров в аэрозольных упаковках.
Первая группа: средства бытовой химии.
• Инсектициды — препараты для уничтожения насекомых.
• Средства против моли.
• Инсектициды для обработки домашних животных.
• Средства защиты комнатных растений и плодово-ягодных культур от грибковых болезней и вредителей.
• Лаки и краски.
• Освежители воздуха.
в Полирующие и чистящие составы.
Вторая группа:
•парфюмерно-косметические средства. Средства ухода за волосами (лаки, шампуни и т.д.).
• Пены и гели для бритья.
• Кремы для рук и ног.
• Масло для и от загара.
•Дезодоранты.
•Духи, одеколоны, туалетная вода.
Третья группа: медицинские аэрозоли и фармацевтические аэрозоли.
Медицинские аэрозоли — аэрозоли одного или нескольких лекарственных препаратов в виде твердых или жидких частиц, полученные с помощью специальных стационарных установок и предназначенные, главным образом, для ингаляционного введения.
Диспергирование (измельчение) лекарственных веществ приводит к появлению у них новых свойств, во многом зависящих от размеров аэрозольных частиц или степени их дисперсности. По степени дисперсности выделяют пять групп аэрозолей: высокодисперсные (0,5-5 мкм), среднедисперсные (5-25 мкм), низкодисперсные (25-100 мкм), мелкокапельные (100-250 мкм), крупнокапельные (250-400 мкм). Аэрозоли с частицами одинакового размера называют монодисперсными, с частицами разных размеров полидисперсными. В ингаляционной терапии преимущественно используют лекарственные аэрозоли с размером частиц менее 100 мкм. Это в значительной степени обусловлено особенностями аэродинамики аэрозолей различных размеров в дыхательных путях. Частицы лекарственного вещества величиной до 0,3 мкм свободно циркулируют в дыхательных путях и не оседают на слизистых оболочках, в силу чего их использование с лечебными целями не имеет смысла. При увеличении размеров частиц лекарственного вещества снижается глубина проникновения аэрозолей в респираторный тракт. Высокодисперсные частицы величиной 2-4 мкм оседают преимущественно на стенках альвеол и бронхиол, а среднедисперсные (5-20 мкм) на слизистых крупных бронхов и в трахее. Низкодисперсные частицы проникают в глотку, а мелкокапельные полностью оседают в носовой и ротовой полостях. Поэтому так важно знать спектрограмму размеров частиц аэрозоля для каждого аэрозольного генератора и правильно выбирать последний для конкретной патологии. Размеры аэрозольных частиц определяют их суммарную поверхность, которая у них достаточно велика. Так, поверхность 1 г вещества с диаметром частиц 10 мкм составляет 6000 см3, а с диаметром частиц 1 мкм уже 60 000 см3.
Увеличение общей поверхности капель при уменьшении их размеров способствует повышению физиологической и биологической активности лекарственных средств, применяемых в виде аэрозоля.
Существует большое число методов получения аэрозолей, однако для клинической практики используются немногие. Для получения лекарственных аэрозолей применяют следующие способы : 1) струйный (при помощи выходящего из узкого сопла сжатого воздуха, распыляющего лекарство); 2) центробежный (за счет отрыва капель аэрозоля от вращающегося барабана); 3) ультразвуковой (механические колебания ультравысокой частоты разбивают лекарственный раствор на частицы); 4) пропеллентный (диспергирование частиц лекарственного вещества при помощи возгонки пропеллентов эвакуирующих газов в сжиженном состоянии); 5) паровой
При этом струйным и пропеллентным способами получают крупнодисперсный аэрозоль, центробежным – полидисперсный, а ультразвуковым и паровым – средне- и мелкодисперсный.
Наряду с распылением жидкостей в клинической практике используют устройства, которые производят диспергирование сухих веществ – мелко измельченных порошков.
Для перевода последних в аэрозольное состояние используют воздушный поток, формируемый за счет энергии вдоха пациента или энергии сжатого газа.
Медицинские аэрозоли широко применяются в ингаляционной терапии при самых различных заболеваниях. Наиболее эффективна аэрозольтерапия при болезнях дыхательных путей. Ингаляции аэрозолей можно использовать для исследования регионарных функций легких. Аэрозоли аллергенов применяют для проведения провокационных ингаляционных тестов у больных хроническими бронхитами с астматическим компонентом и бронхиальной астмой, а также для оценки бронхиальной реактивности. Лекарственные аэрозоли используют для некоторых видов иммунизации и вакцинации, а также для профилактики гриппа и других респираторных инфекций.
Аэрозоли – эффективный и единственный метод экстренной профилактической защиты от действия бактериологического оружия. Оправдал себя эрозольный способ профилактики профессиональных заболеваний на пылевых производствах. Наконец, имеется опыт использования аэрозолей в бальнеотерапии больных на курортах. Аэрозоли считаются лучшим методом санации бациллоносителей. Они также находят все более широкое применение для дезинфекции, дезинсекции, для увлажнения и дезодорации воздуха.
Следует, однако, подчеркнуть, что применение аэрозолей в медицине может быть успешным лишь при сотрудничестве медицинских работников, физиков и химиков, поскольку оно предполагает глубокое знание физиологических особенностей дыхательного аппарата, его патологических изменений при различных заболеваниях, а также физико-химических законов образования аэрозолей и их свойств.
Фармацевтические аэрозоли — готовая лекарственная форма, состоящая из баллона, клапанно-распылительной системы и содержимого различной консистенции, способного с помощью пропеллента выводиться из баллона. В состав аэрозоля входят лекарственные, вспомогательные вещества и один или несколько пропеллентов.
Четвертая группа: технические аэрозоли.
• Смазочные масла.
• Антикоррозионные покрытия.
• Защитные пленки. « Сухие смазки.
•Эмульсии для охлаждения резцов на сверлильных станках.
Пятая группа: пищевые аэрозоли.
Пищевые аэрозоли. Первые баллоны с пищевыми продуктами появились в 1947 г. в США. Они содержали кремы для отделки тортов и пирожных и применялись только в ресторанах, которые возвращали их для повторного заполнения.
Свойства аэрозолей
Размеры частиц аэрозоля
Минимальный размер частиц определен возможностью существования вещества в агрегатном состоянии. Так, одна молекула воды не может образовать ни газа, ни жидкости, ни твердого тела. Для образования фазы необходимы агрегаты по крайней мере из 20-30 молекул. Самая маленькая частица твердого вещества или жидкости не может иметь размер меньше 1 • 10-3 мкм. Чтобы рассматривать газ как непрерывную среду, необходимо, чтобы размеры частиц были гораздо больше, чем свободный пробег молекул газа. Верхний предел размеров частиц строго не определен, но частицы крупнее 100 мкм не способны длительное время оставаться взвешенными в воздухе.
Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей
Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:
• малой концентрацией частиц дисперсной фазы — так, если в 1 см3 гидрозоля золота содержится 1016 частиц, то в таком же объеме аэрозоля золота менее 107 частиц;
• малой вязкостью дисперсионной среды — воздуха, следовательно, малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц;
• малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρчаст » ρгаза.
Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в лиозолях.
Рассмотрим самый простой случай, когда аэрозоль находится в закрытом сосуде (т. е. исключены внешние потоки воздуха) и частички имеют сферическую форму радиусом г и плотность р. На такую частицу одновременно действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила трения прямо противоположного направления. Кроме того, частица находится в броуновском движении, следствием которого является диффузия.
Для количественной оценки процессов диффузии и седиментации в аэрозолях можно использовать значения
удельного потока диффузии iдиф и
удельного потока седиментации iсед..
Чтобы выяснить, какой поток будет преобладать, рассматривают их соотношение:
В этом выражении (р - р0) » 0. Следовательно, величина дроби будет определяться размером частиц.
Если r > 1 мкм, то iсед » iдиф, т. е. диффузией можно пренебречь — идет быстрая седиментация и частицы оседают на дно сосуда.
Если r < 0,01 мкм, то iсед « iдиф. В этом случае можно пренебречь седиментацией — идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации.
Таким образом, из аэрозоля быстро исчезают как очень мелкие, так и очень крупные частицы: первые вследствие прилипания к стенкам или слипания, вторые — в результате оседания на дно. Частицы промежуточных размеров обладают максимальной устойчивостью. Поэтому, как бы ни велика была численная концентрация частиц в момент образования аэрозоля, уже через несколько секунд она не превышает 10 3 част/см3.
Электрические свойства аэрозолей
Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.
1. На частицах аэрозоля не возникает ДЭС, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация.
2. Заряд на частицах возникает, главным образом, за счет неизбирательной адсорбции ионов, которые образуются в газовой фазе в результате ионизации газа космическими, ультрафиолетовыми или радиоактивными лучами.
3. Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.
4. Заряд частицы изменяется во времени как по величине, так и по знаку.
5. В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более, чем в 10 раз.
6. Специфическая адсорбция характерна для аэрозолей, частицы которых образованы сильно полярным веществом, так как в этом случае на межфазной поверхности возникает достаточно большой скачок потенциала, обусловленный поверхностной ориентацией молекул. Например, на межфазной поверхности аэрозолей воды или снега существует положительный электрический потенциал порядка 250 мВ.
Из практики известно, что частицы аэрозолей металлов и их оксидов обычно несут отрицательный заряд (Zn, ZnO, MgO, Fe203), а частицы аэрозолей неметаллов и их оксидов (SiO2, P2O5) заряжены положительно. Положительно заряжены частицы NaCl, крахмала, а частицы муки несут отрицательные заряды.
Агрегативная устойчивость. Коагуляция
В отличие от остальных дисперсных систем в аэрозолях отсутствует всякое взаимодействие между поверхностью частиц и газовой средой, а значит, отсутствуют силы, препятствующие сцеплению частиц между собой и с макроскопическими телами при соударении. Таким образом, аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Коагуляция в них происходит по типу быстрой коагуляции, т. е. каждое столкновение частиц приводит к их слипанию.
Скорость коагуляции быстро возрастает с увеличением численной концентрации аэрозоля.
Независимо от начальной концентрации аэрозоля через несколько минут в 1 см3 находится 108 -106 частиц (для сравнения — в лиозолях 1015 частиц). Таким образом, мы имеем дело с весьма сильно разбавленными системами.
Зависимость скорости коагуляции от увеличения численности концентрации аэрозоля
Начальная численная концентрация в 1 см3.
Атмосферный аэрозоль
Неотъемлемой частью воздуха являются витающие в нем твердые и жидкие аэрозольные частицы. Даже в центральных районах Антарктиды, наиболее удаленных от цивилизованного мира, в одном кубическом сантиметре воздуха содержится не менее 100 аэрозольных частиц.
Химическая природа, физические характеристики и концентрация в воздухе этих частиц в значительной степени определяют основные физико-химические свойства всей воздушной среды.
Твердые аэрозольные частицы имеют самые разнообразные формы, образующие три основных класса.
К первому классу относят частицы, размеры которых во всех трех измерениях примерно равны. Такие частички с аэродинамической точки зрения можно считать шариками или кубиками.
Ко второму классу относят частицы, размер которых в одном измерении много меньше, чем в двух других. Это пластинки, чешуйки, листочки и т.п.
К третьему классу относят частицы, размер которых в одном измерении много больше, чем в двух других. Это призмы, иглы, ворсинки, волокна и т.п.
Важнейшей характеристикой аэрозольных частиц (помимо их химической природы) является величина (размер), которая меняется в очень широком диапазоне: самая маленькая аэрозольная частица выглядит на фоне самой большой так, как выглядит детский воздушный шарик на фоне земного шара.
Одним из важнейших открытий последних лет явилось обнаружение в воздухе высокодисперсных частиц, размер которых составляет от тысячных до десятых долей микрона (микрометра (мкм): 1 мкм равен одной миллионной доле 1 м), и определение исключительной роли этих частиц в формировании среды обитания человека.
Именно эти частицы определяют качество воздуха, от которого зависят степень жизненного и трудового комфорта человека, продуктивность животных, урожайность растений и многое другое.
Различают два механизма первичного образования аэрозольных частиц: при разрушении сплошности твердых (дезинтеграции) и жидких (диспергировании) веществ и при соединении (конденсации) молекул ранее испарившегося вещества.
Процессы образования пыли при шлифовке или дроблении из-за относительной крупности частиц и благодаря хорошей их видимости невооруженным глазом хорошо известны всем. Практически не видны процессы образования пыли при разрушении волокон ткани, наших собственных волос, бумаги и других материалов и предметов, образующие хорошо всем известную домашнюю пыль.
Не наблюдая процессы первичного образования домашней пыли, мы хорошо видим процессы ее вторичного образования при взметывании с поверхностей осаждения и при специальном или случайном «выхлопывании» из «мягких» вещей (одеяло, подушка, «пыльная» одежда, тканевая обивка диванов и кресел, ковры и т.п.).Таким образом, мы видим не процесс истинного рождения аэрозольных частиц, а лишь процесс попадания уже образовавшихся аэрозольных частиц в воздух.
При разбрызгивании (диспергировании) жидких веществ образуется мельчайший аэрозоль из капелек жидкости, видимый (в самых крупных каплях), но не имеющий своего названия в русском языке. В английском языке такой аэрозоль называется «спрей» (spray).
В последние годы с появлением импортных дезодорантов и освежителей воздуха термин «спрей» все чаще стал встречаться в русской речи.Процессы образования аэрозоля конденсации чаще всего недоступны глазу человека (и оптическим средствам его усиления). Однако высокое содержание в воздухе аэрозоля конденсации с относительно крупными частицами мы ощущаем либо как запах, либо видим как дым (твердые частицы) или туман (жидкие частицы).
Считается, что аэрозоли конденсации имеют размеры от 0,001 мкм до 10 мкм, аэрозоли дезинтеграции – от 0,1 мкм до 100 мкм. Нижней границей размеров аэрозолей можно считать размер частицы, содержащей порядка 10 молекул и не отражающейся от твердой поверхности при ударе об нее.
Верхней границей размеров аэрозоля следует считать размер частицы, способной еще двигаться преимущественно вместе с газовой средой. Такая способность зависит не только от размера частицы, но и от ее формы, а главное от интенсивности турбулентности. В обычных условиях приземного слоя атмосферы для капелек воды верхней границей будет размер в 40-60 мкм.
Размер аэрозольных частиц определяет как характер их поведения в воздушной среде, так и возможности их наблюдения. Аэрозоли с размерами меньше 0,15-0,30 мкм можно обнаружить только с помощью сложного комплекса оборудования, включающего электронные микроскопы. Аэрозоли с размерами больше 0,15-0,3 мкм уже можно наблюдать с помощью оптических приборов.
Для получения полной и точной картины аэрозольной обстановки нужно знать, сколько частиц и каких размеров содержится в воздухе, для чего исследователи строят спектры распределения аэрозольных частиц по размерам. Установлено, что содержание аэрозольных частиц в чистом воздухе быстро уменьшается с увеличением размера частиц: от 1000 частиц размером 0,3 мкм до 1 частицы размером 2 мкм (в 1 кубическом сантиметре объема).
Частиц с размерами 10 мкм и более в обычных условиях в воздухе практически нет, а частицы с размером более 20 мкм, попав в воздух, очень быстро выпадают из него, образуя пыль, которую мы вынуждены все время убирать.
Мельчайшие живые организмы и их части также могут содержаться в воздухе и называются биоаэрозолями. Вирусы имеют размеры менее 0,1 мкм, бактерии – от 1 мкм до 15 мкм, споры – от 3 мкм до 20 мкм, пыльца растений – от 10 мкм до 60 мкм. Любое вещество в форме аэрозоля обладает высокой химической активностью, что обусловлено структурой возникающей дисперсной системы, обеспечивающей тесное соприкосновение двух различных фаз на поверхности.
Особенно существенным становится изменение свойств исходного вещества при очень малых размерах аэрозольной частицы, соизмеримых с сотней межатомных расстояний.
Такие частицы, обнаруживающие отклонение химических и физических свойств от свойств отдельных молекул и от свойств исходного вещества, называют кластерами. Вещество в кластерном состоянии может вступать в химические реакции, немыслимые для него в других состояниях: газообразном, жидком, твердом.
Если считать, что плазма – четвертое состояние вещества, то кластеры смело можно назвать пятым агрегатным состоянием вещества!
Подчеркнем, что аэрозольные частицы все время участвуют в различных атмосферных процессах, а потому представляют собой динамическую систему. Основными процессами являются осаждение (по самым разным причинам) и укрупнение частиц – коагуляция.
Поскольку все эти процессы разворачиваются во времени, то можно считать, что аэрозоль стареет со временем (крупнеет и исчезает). Постоянно идут процессы рождения новых, в том числе высокодисперсных, частиц.
Мощными природными источниками аэрозолей являются лесные пожары, морские штормы, пылевые бури, извержения вулканов. Одним из мощных очистителей атмосферы от аэрозолей является дождь. Все эти явления четко локализованы в пространстве и во времени и существенно меняют сложившееся до их появления аэрозольное равновесие. Атмосферный аэрозоль, наблюдаемый вдали от таких явлений, в первую очередь, от источников образования аэрозоля, принято называть фоновым. Выделяют несколько основных составляющих фонового аэрозоля.
Во-первых, это континентальный аэрозоль, имеющий размеры от нескольких мкм до нескольких десятков мкм, содержащий кремний и алюминий и представляющий различные осколки горных пород.
Во-вторых, это морской аэрозоль, имеющий размеры от самых малых до 10 мкм, содержащий натрий, калий, магний, кальций, хлор и представляющий унесенные ветром с поверхности морей и океанов и высохшие капельки морской воды.
В-третьих, это природный фотохимический смог, имеющий размер до 0,1 мкм, содержащий различные органические химические соединения и представляющий собой продукт конденсации выделяемых растениями летучих соединений (эфирных масел).
В-четвертых, это старый витающий аэрозоль, родившийся при пожарах (в значительной мере – сажа) или при извержении вулканов (в том числе частицы сульфата аммония и серной кислоты, составляющие основу стратосферного аэрозоля).
Содержащиеся в воздухе высокодисперсные аэрозольные частицы определяют функционирование теплового режима атмосферы, преобразуя и отражая в космос энергию солнечного излучения, являются основными носителями атмосферного электричества и радиоактивности, служат ядрами конденсации воды в облаках, определяя динамику влаги в атмосфере. Особенно большую роль в этих процессах играют соляные аэрозоли. |
|
|
Скачать 147 Kb.