Размеры частиц

Диапазон изменения размеров аэрозолей составляет 5-6 порядков, что требует обоснования границ для нижних и верхних характерных диаметров частиц. Казалось бы, что нижняя граница размеров достаточно очевидна: частица дисперсной фазы должна содержать хотя бы несколько молекул.

Но и многие газы и пары даже при обычных давлениях и температурах содержат ассоциаты молекул — димеры, тримеры, тетрамеры и т.д.  кластеры молекул, удерживаемых Ван-дер-Ваальсовскими силами. Кроме того, молекулы известных химических и биологических полимеров зачастую очень велики. Какие образования такого рода можно считать аэрозольными частицами, а какие нет?

С точки зрения коллоидной химии ответ кажется очевидным: молекулы, даже самые крупные, не образуют дисперсную фазу по определению. Но как же быть с малыми кластерами в газовой фазе, начиная с какого числа молекул в таком кластере его можно считать частицей? Кроме того, бурное развитие нанотехнологий, в том числе и в физике аэрозолей, требует стандартного определения и описания свойств наночастиц (самой мелкой фракции частиц в современных классификациях). По мнению Петрянова-Соколова и Сутугина (1989) критерием здесь может служить качественное различие в динамическом поведении газовых молекул и самых малых аэрозольных частиц. Известно, что газовые молекулы испытывают процессы рассеяния на твердых поверхностях после того, как на них образовался, по крайней мере, монослой адсорбата. Кроме того, сама адсорбция — обратимый процесс, существует и десорбция молекул в газовую фазу. Оказывается, что самые малые, но устойчивые молекулярные кластеры не отскакивают от поверхности при любых столкновениях с ней, а необратимо прилипают практически со 100%-ной вероятностью. Эти частицы способны «погасить» в себе энергию удара, перевести кинетическую энергию движения в потенциальную энергию взаимодействия молекул кластера между собой и с атомами поверхности. Такие свойства кластера проявляются тогда, когда он содержит не менее 6-10 молекул. Размеры такой частицы можно принять за нижнюю границу размеров аэрозолей. С увеличением размеров (≥109 молекул в частице) у них появляется способность к отскоку при столкновениях с поверхностью.

Верхняя граница размеров аэрозолей также может быть определена, во-первых, исходя из динамического поведения частиц дисперсной фазы и, во-вторых, из требования относительной временной устойчивости аэродисперсной системы в целом. Действительно, к аэрозолям относят такие свободнодисперсные системы, в которых частицы перемещаются в основном совместно с потоками содержащего их газа, т.е. составляют вместе с газом достаточно устойчивую единую систему. В плотной атмосфере с развитой турбулентностью частицы крупнее 100 мкм будут вести себя как аэрозольные. В условиях микрогравитации на орбитальной еще более крупные частицы демонстрируют «аэрозольное» поведение.

Чтобы охарактеризовать частицы сложной формы и структуры (например, те же вторичные частицы фрактальной размерности), вводят большое количество условных параметров, имеющих размерность длины и называемых эквивалентными диаметрами.

Кроме того, даже для изометрических (и более того, для сферических частиц) необходим набор таких эквивалентных диаметров, характеризующих их различные физические свойства.

Наиболее употребительными из них являются следующие:

  1. Проективный диаметр — диаметр круга, имеющего ту же площадь, что и площадь проекции частицы на плоскость наблюдения (используется при микроскопическом анализе осадка аэрозоля на специальную поверхность), см. уточняющие детали про диаметры Ферета и Мартина при проективных измерениях в книге: Райст П. Аэрозоли — введение в теорию, 1987;
  2. Эквивалентный массовый диаметр — диаметр сферы из того же вещества и имеющей ту же массу, что и исходная частица (используется при оценках массовой концентрации аэрозолей). Возможно введение эквивалентного поверхностного диаметра (диаметр сферы из того же вещества и имеющей ту же площадь поверхности, что и исходная частица), полезного при анализе поверхностных свойств аэрозолей;
  3.  Аэродинамический диаметр — диаметр сферы единичной плотности (т.е. плотности воды), имеющей ту же скорость смещения относительно газовой среды под действием такой же силы, какую испытывает анализируемая частица (полезен при анализе характеристик движения частиц в газе, очень употребителен в вопросах механики аэрозолей в целом);
  4. Стоксовский диаметр — диаметр сферы из того же вещества, имеющей ту же скорость осаждения под действием силы тяжести, что и рассматриваемая частица;
  5. Эквивалентный оптический диаметр — диаметр сферы, имеющей то же сечение рассеяния излучения, что и характеризуемая частица (необходим при рассмотрении вопросов оптики аэрозолей).

Помимо системы эквивалентных диаметров частиц, возникают и другие их характеристики, когда речь идет об анализе распределений частиц по размерам, но это уже другая категория характерных диаметров.

По степени дисперсности аэрозоли традиционно принято подразделять на

  1.  высокодисперсные аэрозоли (ВДА) с размерами частиц в интервале 0,01 – 0,1 мкм;
  2.  среднедисперсные аэрозоли (иногда используется термин тонкодисперсные) с размерами в интервале 0,1 – 10 мкм;
  3.  грубодисперсные аэрозоли с размерами в диапазоне 10-100 мкм.

В последнее десятилетие обозначился и стал общепризнанным новый, четвертый класс частиц ультрадисперсные аэрозоли или наноаэрозоли (частицы с размерами менее 0,01 мкм, т.е. меньше 100 Å). Совершенно очевидно, что физические свойства этих четырех классов частиц должны коренным образом отличаться друг от друга.

Характерные размеры аэрозольных частиц и способы их улавливания

j9508269