6.1. Краткая характеристика аэрозолей
Аэрозоли — это системы, представляющие собой твердые или жидкие частицы, взвешенные в газообразной среде. По механизму возникновения различают аэрозоли диспергации и конденсации. Диспергационные аэрозоли появляются при разбрызгивании жидкостей, измельчении твердых тел, взмучивании порошков и т. п., а конденсационные аэрозоли – при конденсации паров воды, металлов и их окислов и др. Механизмы возникновения радиоактивных аэрозолей могут быть точно такими же, как и у стабильных аэрозолей. Вместе с тем, помимо указанных процессов, радиоактивные аэрозоли могут возникать и в результате особых явлений. Так, возможна активация первоначально неактивных частиц под действием нейтронного облучения; при распаде некоторых радиоактивных газов (например, радона, торона) появляются короткоживущие радиоактивные изотопы висмута и полония, представляющие собой твердые частицы; процесс образования радиоактивных аэрозолей наблюдается у поверхности с α-активными веществами, когда в результате обратной отдачи из препарата в воздух могут вылетать атомы и увлекаемые ими агрегаты, состоящие из нескольких активных атомов. Свойства аэрозолей зависят от природы вещества, из которого состоят частицы, и состава газовой среды, концентрации аэрозолей по массе и числу частиц в единице объема, размера, формы и заряда частиц.
Аэрозоли с твердой дисперсной фазой образуются при дроблении, измельчении, трении, сварке, обработке, распылении твердых веществ; аэрозоли с жидкой дисперсной фазой образуются при разбрызгивании, конденсации, испарении и др.
По дисперсности (диаметру частиц) аэрозоли делятся на следующие группы:
- мелкодисперсные, до 0,1 мкм;
- средней дисперсности, от 0,1 до 10 мкм;
- крупнодисперсные, более 10 мкм.
Крупнодисперсные аэрозоли оседают с ускорением и находятся в воздухе непродолжительное время. Аэрозоли средней дисперсности оседают в неподвижном воздухе с постоянной скоростью, зависящей от диаметра и удельного веса частиц (частицы диаметром 1 мкм оседают на 1 м в среднем за несколько часов). Мелкодисперсные аэрозоли движутся подобно атомам и молекулам воздуха, т. е. находятся в броуновском движении и практически не оседают.
Основные процессы, которые наблюдаются в аэрозолях, – это седиментация, броуновское движение и диффузия, коагуляция. Аэрозольные частицы, находящиеся во взвешенной среде, подвергаются влиянию ряда факторов (гравитация, сопротивление среды, электрические и магнитные поля и т. п.).
В вакууме аэрозольные частицы движутся в гравитационном поле, подчиняясь закону свободного падения. В газовой среде действуют сила выталкивания и сила сопротивления среды, поэтому движение частиц в этом случае становится равномерным, ибо сила гравитации и сопротивления становится равной. Скорость седиментации частиц с размерами до 1 мкм в газовой среде подчиняется следующей закономерности:
(6.1), где 
— скорость седиментации; 
— радиус частиц; 
— ускорение силы тяжести; 
— плотность частицы; 
— плотность газовой среды; 
— вязкость газовой среды.
Скорость седиментации частиц меньшего размера незначительна. В табл. 6.1 показана скорость седиментации частиц кремния в воздухе в зависимости от их размеров.
Таблица 6.1
Скорость седиментации кремния в зависимости от размера частиц
Радиус частиц, мкм | Скорость седиментации, см/с | Радиус частиц, мкм | Скорость седиментации, см/с |
|---|---|---|---|
50 | 47 | 5 | 0,7 |
25 | 15 | 2,5 | 0,18 |
20 | 10 | 1 | 0,03 |
10 | 3 | 0,5 | 0,01 |
Причиной броуновского движения является динамическое воздействие на частицу давления, вызываемого молекулами газообразной среды, которые совершают хаотическое тепловое движение и ударяются о поверхность частицы.
Для относительно крупных частиц число этих ударов в единицу времени настолько значительно, что движение частицы отсутствует. Для мелких частиц число молекул, ударяющихся о поверхность частицы, невелико, поэтому становятся заметными колебания в числе ударов в единицу времени. В результате этого величина давления, действующего с разных сторон частицы, не будет постоянной, поэтому она в этом случае совершает беспорядочное движение.
Перемещение частиц в произвольном направлении 
за время 
может быть найдено по формуле:
(6.2), где 
— коэффициент диффузии частиц аэрозоля.
В табл. 6.2 представлены величина и скорость седиментации () для частиц разного размера (частиц шарообразной формы с плотностью, равной единице).
Таблица 6.2
Величины , 
, в зависимости от размеров аэрозольных частиц
Радиус частицы, см |
|
|
|
|---|---|---|---|
10–7 | 1,28·10–2 | 1,6·10–1 | 1,31·10–6 |
10–6 | 1,35·10–4 | 1,64·10–2 | 1,37·10–5 |
10–5 | 2,21·10–6 | 2,1·10–3 | 2,24·10–4 |
10–4 | 1,27·10–7 | 5,03·10–4 | 1,28·10–2 |
10–3 | 1,38·10–8 | 1,66·10–5 | 1,21 |
Коагуляция аэрозоля — это процесс слипания или слияния частиц при соприкосновении их друг с другом. Слипание частиц происходит под влиянием молекулярных сил приближения и электрического притяжения. Как правило, в аэрозолях можно обнаружить скрытую и явную коагуляцию. При скрытой коагуляции частицы размером 0,1 мкм образуют небольшие по размеру агрегаты, которые оседают с малой скоростью. В дальнейшем эти агрегаты образуют крупные частицы (явная коагуляция), выпадающие быстро.