Дисперсный состав пыли кратко

Обновлено: 02.07.2024

Применимость того или иного метода анализа пыли зависит не только от ее степени дисперсности и других свойств, но также и от того, какую характеристику ее дисперсного состава необходимо получить. Например, для характеристики степени запыленности воздуха в особо чистых производственных помещениях определяют содержание числа частиц пыли в единице объема, и соотношение фракций выражается в процентах от числа частиц. Исследования задержки пыли в легких человека также базируются на определении числа частиц и их распределения по фракциям.

Для характеристики порошкообразных материалов и для оценки эффективности пылеулавливающих аппаратов в подавляющем большинстве случаев дисперсный состав необходимо оценивать по соотношению масс фракций. Это связано с тем, что, за исключением фильтров особого назначения, эффективность пылеуловителей выражается отношением массы уловленной к массе поступившей в аппарат пыли. То же относится и к фракционным степеням очистки воздуха в пылеуловителях. Гигиенисты при оценке вредности пыли также считают целесообразным исходить из массы пыли в единице объема воздуха, характеризующей степень опасности заболевания пневмокониозами.

В ряде случаев наиболее важной характеристикой степени дисперсности пыли или порошков является их удельная поверхность. От этой величины зависит интенсивность процессов, происходящих на поверхности частиц, например адсорбции.

Коузовым А.П. в 1987 году предложена классификация методов, причем методы сгруппированы на основе принципов, положенных в их основу. Кроме того, для удобства выбора они разделены на три группы в зависимости от того, какая характеристика степени дисперсности исследуемого материала получается в результате его анализа:

По массе фракций

I. Механическое разделение частиц (просеивание, фильтрация)

II. Седиментометрия (отмучивание, измерение плотности столба суспензии, пофракционное осаждение, накопление осадка, отбор весовых проб, электрофотоседиментометрия)

III. Сепарация в потоке, так называемые гидродинамические методы (в вертикальных сосудах, в центробежных аппаратах, в струйных аппаратах-ловушках, в электрическом поле.

По числу частиц во фракциях.

1. Счет и измерение размеров частиц (световым микроскопом, электронным микроскопом);

II. Счет частиц с распределением их по размерам на основе косвенных показателей (ультрамикроскопия, измерение электрических зарядов частиц, измерение рассеяния света, кондуктометрия).

По условным усредненным показателям

I. Определение удельной поверхности (измерение воздухопроницаемости слоя порошка при различных условиях, измерение адсорбции газов, измерение скорости растворения, вычисление по функции распределения, найденной весовыми или счетными методами);

II Вычисление условных усредненных размеров частиц.

Большинство перечисленных методов предназначено для анализа порошков. Применение их для анализа дисперсного состава пыли требует предварительного отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды. В основном для анализа пыли используются различные виды импакторов, ротационные сепараторы и некоторые типы фотометрических приборов.

Рассмотрим некоторые из методов анализа.

Ситовой анализ основан на механическом разделении частиц по крупности. Материал загружается на сито с ячейками известного размера и путем встряхивания, постукивания, вибрации или другими способами разделяется на две части – остаток и проход. Просеивая материал через набор различных сит, можно разделить пробу на несколько фракций. Размеры частиц этих фракций ограничены размерами отверстий используемых в анализе сит. Самый распространенный наименьший размер сит – 40 мкм.

Просев может считаться законченным, если через сито начинает проходить очень малое количество материала, которое в последовательных одинаковой продолжительности просевах остается постоянным. Обычно просев можно заканчивать, если остаток на сите уменьшается не более чем на 0,2 % в течение 2 минут.

После окончания ситового анализа каждая фракция должна взвешиваться с точностью до 0,01 г. Суммарная масса всех фракций не должна отклоняться от массы исходной навески, взятой для анализа более чем на 2 % (потери). Потери разносятся по всем анализируемым фракциям пропорционально их массам.

Седиментометрический анализ.В седиментометрических методах анализа формулы, характеризующие процесс оседания дисперсной фазы, в подавляющем большинстве случаев выводятся применительно к движению одной шарообразной частицы. При этом предполагается, что в процессе оседания частицы не оказывают друг на друга влияния.

Достоверность анализов, проводимых седиментометрическими методами, зависит не только от точности расчетных формул, но и от соблюдения следующих основных требований, предъявляемых к анализируемой дисперсной системе (суспензии):

а) полного диспергирования частиц анализируемого порошка в жидкости или иной среде, в которой будет происходить седиментация этих частиц;

б) отсутствия процессов коагуляции;

в) отсутствия примесей, искажающих процесс седиментации частиц, в том числе приводящих к образованию на поверхности частиц различных пленок;

г) отсутствия факторов, приводящих к локальным изменениям плотности суспензии (температурными градиентами);

д) химической гомогенности и нерастворимости анализируемого порошка в дисперсионной среде;

е) полного смачивания частиц дисперсионной средой.

Диаметр частицы можно определить по формулам, зная скорость ее оседания в вязкой среде, плотность среды, плотность частицы, вязкость среды. Для этой цели можно воспользоваться графиками, выражающими непосредственную связь между диаметром частицы и скоростью ее оседания.

При сопоставлении результатов седиментометрических анализов с результатами, получаемыми другими методами, надо иметь в виду, что размеры частиц, условно называемые их диаметрами, будут совпадать только при частицах строго шарообразной формы. Для сопоставления седиментационного и эквивалентного геометрического диаметров используется динамический коэффициент формы. Это квадрат отношения сопротивления среды при движении частицы неправильной формы к соответствующему сопротивлению одинаковой по объему шарообразной частицы (μ=(δ_с/δ_ч) 2 ).

Гидроаэродинамические методы. Они основаны на разделении дисперсной фазы на фракции в восходящем потоке. Их можно разделить на две группы. В одной используются приборы с постоянной скоростью жидкости или газа. В приборах другой группы скорость движения среды переменная. И тут и там разделение дисперсной фазы на фракции в достижимых пределах точности происходит путем выноса фракции наиболее тонких частиц — меньших заданного размера. Сходство этих методов с седиментометрическим заключается только в том, что как те, так и другие используют различие скорости падения частиц под воздействием силы тяжести. Все частицы, скорость витания которых меньше максимальной скорости потока, выносятся из сепаратора. Более грубые остаются во взвешенном состоянии или падают на дно. Анализируемая проба, аналогично процессу просева через сито, делится на две фракции, соответствующие проходу и остатку на сите. В данном случае границей фракции является граничная скорость оседания или скорость потока среды, при которой происходит процесс сепарации частиц.

В ряде аэродинамических методов выделение частиц дисперсной фазы происходит во вращающемся воздушном потоке под влиянием инерционных сил (в основном центробежной). В этих приборах дисперсная фаза не делится на фракции. Из воздушной среды одновременно выделяются все фракции. Поэтому в каждом из этих методов применяется специфическая методика расчета распределения частиц на фракции, основанная на теоретических или экспериментальных зависимостях. В некоторых случаях этот расчет заменяется специальной тарировкой показаний прибора при заданных режимах его воздушной нагрузки.

При анализе дисперсного состава пыли аэродинамические методы имеют преимущество перед гидродинамическими в том отношении, что получаемые характеристики основаны на поведении частиц в воздушной среде. Это обстоятельство с точки зрения техники обеспыливания воздуха является весьма важным.

Методы определения дисперсного анализа по косвенным показателям.

Современные приборы для автоматического счета и определения фракционного состава частиц, взвешенных в дисперсионной среде, созданы на основе определения электропроводимости суспензии и измерении рассеяния света частицами. Эти приборы позволяют резко сократить время на анализ дисперсного состава суспензий и аэрозолей. Подсчет и измерение десятков тысяч частиц производится всего за несколько минут. Это ультраскопия, фотометрические методы и кондуктометрический метод.

При ультрамикроскопических исследованиях наблюдение частиц дисперсных систем производится в темном поле, которое создается при боковом освещении или при использовании темнопольных конденсоров. Глаз наблюдателя видит не сами частицы, а свет, рассеиваемый их поверхностью. Поэтому при помощи ультрамикроскопов нельзя непосредственно наблюдать форму и структуру аэрозольных частиц.

Метод кондуктометрии основан на изменении электропроводимости электролита в момент прохода частицы через отверстие в стенке двух сосудов, в которых установлены электроды.

Влажность воздуха.

Содержание водяного пара в атмосферном воздухе (влажность воздуха) наряду с содержанием кислорода является важнейшим показателем чистоты воздуха для живых организмов и техники. Влажность воздуха, изменяющаяся в зависимости от погодных условий, имеет большое значение для здоровья и самочувствия человека, а также для животного и растительного мира.

Способность сухого воздуха поглощать водяные пары ограниченна и зависит от температуры. При температуре точки росы воздух насыщен парами: охлаждение вызывает выделение воды, нагревание способствует дополнительному ее поглощению.

Для определения влажности воздуха используются почти все известные методы химического и физического анализа. В большинстве случаев для анализа влажности воздуха применяются непрерывно работающие приборы, устанавливаемые в соответствующих местах, которые показывают и регистрируют характерную для данного участка влажность воздуха или содержание остаточной воды в осушенном воздухе.

Физико-химические свойства пыли: дисперсность

Пыль представляет собой совокупность мелких частиц твердого вещества (пылинок), способных вследствие своих малых размеров находиться более или менее длительное время во взвешенном состоянии в воздухе. Взвешенная в воздухе пыль представляет собой аэрозоль. В наружной атмосфере, а тем более в воздухе закрытых помещений всегда содержится то или иное количество пыли. В условиях производства выделение пыли в подавляющем большинстве случаев связано с процессами механического измельчения, как-то: бурения, дробления, помола, истирания. Пыли, возникающие при горении, плавлении, возгонке и других химических или термических процессах, называют дымами.

Дисперсность пыли. Способность пылинок удерживаться в воздухе или выпадать из него зависит от размеров взвешенных в воздухе частиц и от их удельного веса. Каждая взвешенная в воздухе частица подвергается воздействию двух противоположно направленных сил: силы тяжести, с одной стороны, и силы трения, испытываемого частицей со стороны воздуха при ее падении, — с другой. Если сила тяжести больше силы трения, частицы падают с возрастающей скоростью. Если сила трения уравновешивает силу тяжести, падение частиц происходит в силу инерции с постоянной скоростью, пропорциональной удельному весу частицы и квадрату ее радиуса.

Таким образом, более крупные пылинки оседают во много раз быстрее, чем мелкие. Более крупные кварцевые пылинки, примерно в 10 м и выше, в спокойном воздухе оседают быстро и, поскольку расстояние от места выделения пыли до места ее возможного оседания на полу, стенах, оборудовании не превышает нескольких метров, в течение нескольких минут выпадают из тока воздуха. Частицы размером от 10 до 0,1 и в спокойном воздухе оседают медленно, а частицы менее 0,1 u почти совсем не оседают. В подвижном воздухе пылинки оседают медленнее. Частицы пыли в 2 u, которые в спокойном воздухе оседают, в подвижном воздухе практически не оседают.

В воздухе рабочих помещений преобладают мелкие частицы пыли размером до 10 u, причем от 40 до 90% пылинок имеют размер менее 2 u. Пылинки размером более 100 ц. встречаются редко, пылинки в 25—100 u также немногочисленны. Более высокий процент пылинок размером до 2 ц. наблюдается при пылях минеральных и металлических, более низкий процент — при растительных и животных пылях.

Со степенью дисперсности, определяющей поведение пыли в воздухе, теснейшим образом связана судьба пыли в дыхательных путях. Вопрос о том, каких размеров пылинки могут проникать в глубокие дыхательные пути и далее в легочную ткань, является важным вопросом в этиологии пневмокониозов. Исследования легких у некоторых лиц, умерших от силикоза, показали, что большинство частиц (95— 99%), найденных в легочной ткани погибших от силикоза, имело диаметр менее 5 u.

Поэтому считается, что наибольшую опасность представляет пыль с размерами частиц менее 5 u. Однако пылевые частицы удлиненной формы (кварцевые, угольные, асбестовые), волокнистые (стеклянное и минеральное волокно, текстильное), в виде пластинок (слюда, разные полевые шпаты) могут проникать в легкие даже в том случае, если размер их значительно превышает 10 u.

физико-химических свойств пыли и от основных параметров газовых потоков, которые должны быть хорошо изучены и учтены при проектировании и эксплуатации систем газоочистки.

Важнейшей характеристикой золы и пылей является их плотность, кг/м 3 или г/см 3 . Принято рассматривать истинную, насыпную и кажущуюся плотности.

Истинная плотность частицы представляет собой отношение массы гладкой монолитной частицы к занимаемому ею объему.

Кажущаяся плотность частиц представляет собой отношение массы частиц к занимаемому ими объему, включая поры, пустоты, неровности и т.п.

Насыпная плотность пыли, в отличие от истинной, учитывает наличие

воздушных зазоров между частицами свеженасыпанной пыли. Насыпной плотностью пользуются для определения объема, который занимает пыль в бункерах в первое время до начала ее слеживания. Насыпная плотность слежавшейся пыли обычно в 1,2−1,5 раза больше, чем у свеженасыпанной.

На величину насыпной и кажущейся плотности пыли существенное влияние оказывают различные физико-химические процессы (вибрация, коагуляция, спекание, смачивание, окисление и т.д.).

Для правильного выбора пылеулавливающего аппарата необходимы, прежде всего, сведения о дисперсном составе пылей.

Дисперсный состав пылей определяют экспериментально. Для этого чаще всего используют приборы, называемые импакторами. Работа импактора основана на избирательной сепарации частиц по размерам при пропускании газа через ряд последовательно установленных сопел уменьшающегося сечения, под которыми находятся плоские осадительные пластины (подложки). Проба газа изокинетично прокачивается через прибор с постоянным расходом. На подложках импактора происходит инерционное осаждение частиц, причем средний размер их на каждой последующей подложке (ступени импактора) получается меньше, чем на предыдущей. Самые мелкие частицы (не осевшие на подложках предыдущих ступеней импактора) задерживаются абсолютным фильтром. Таким образом, анализируемые частицы оказываются рассортированными на фракции, число которых равно числу ступеней (каскадов) импактора, включая ступень абсолютного фильтра. Используют пяти-, шести- и семикаскадные импакторы.

Результаты определения дисперсного состава пыли обычно представляют в виде зависимости массовых (иногда счетных) фракций частиц от их размера.

Под фракцией понимают массовые (счетные) доли частиц, содержащихся в определенном интервале размеров частиц. Распределение частиц пылей по размерам могут быть различными, однако на практике они часто согласуются с логарифмическим нормальным законом распределения Гаусса (ЛНР). В интегральной форме это распределение описывается формулой:

(7)

где М(d_a) − относительная доля частиц размером менее d_a; d_m − медианный размер частиц, при котором доли частиц размером более и менее dm равны; lgσ −среднеквадратичное отклонение в функции ЛНР.

Графики ЛНР частиц обычно строят в вероятностно-логарифмической системе координат, текущий размер частиц откладывают на оси абсцисс, а на оси ординат − относительную долю частиц с размерами меньше d_a. Шкала оси абсцисс представляет собой логарифм диаметра частиц, а шкала оси ординат строится путем вычисления каждого из значений шкалы по уравнению:

(8)

Цифровые значения этой функции табулированы и приводятся в сокращенном виде:

М (d_a), %	у	М (d_a), %	у
-2,326	0,0
-1,645	0,126
-1,282	0,253
-1,036	0,385
15,9	-1,00	0,524
-0,842	0,675
-0,675	0,824
-0,524	84,1	1,00
-0,384	1,036
-0,253	1,282
-0,126	1,645
2,326

Если в этой системе координат интегральное распределение частиц по размерам описывается прямой линией, то данное распределение подчиняется

ЛНР. В этом случае d_m находят как абсциссу точки графика, ордината которой равна 50 %, а lgσ = lgd84,1−lgd_m. Для характеристики пылей и сравнения их между собой достаточно иметь два параметра: d_m и lgσ . Значение d_m дает средний размер частиц, а lgσ − степень полидисперсности пыли. В табл. 2 приведены значения dm и lgσ для некоторых пылей.

Технологический процесс	Вид пыли	dm, мкм	lgσ
Заточка инструмента	Металл, абразив	0,214
Размол в шаровой мельнице	Цемент	0,468
Сушка угля в барабане	Каменный уголь	0,334
Экспериментальные исследования	Кварцевая пыль	3,7	0,405

По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп:

I − очень крупнодисперсная пыль, d_m > 140 мкм;

II − крупнодисперсная пыль, d_m = 40.140 мкм;

III − среднедисперсная пыль, d_m = 10.40 мкм;

IV − мелкодисперсная пыль, d_m = 1.10 мкм;

V − очень мелкодисперсная пыль, d_m

Насыпная плотность пыли, в отличие от истинной, учитывает наличие

(7)

(8)

Цифровые значения этой функции табулированы и приводятся в сокращенном виде:

М (d_a), %	у	М (d_a), %	у
-2,326	0,0
-1,645	0,126
-1,282	0,253
-1,036	0,385
15,9	-1,00	0,524
-0,842	0,675
-0,675	0,824
-0,524	84,1	1,00
-0,384	1,036
-0,253	1,282
-0,126	1,645
2,326

Технологический процесс	Вид пыли	dm, мкм	lgσ
Заточка инструмента	Металл, абразив	0,214
Размол в шаровой мельнице	Цемент	0,468
Сушка угля в барабане	Каменный уголь	0,334
Экспериментальные исследования	Кварцевая пыль	3,7	0,405

По дисперсности пыли классифицированы на 5 групп:

I − очень крупнодисперсная пыль, d_m > 140 мкм;

II − крупнодисперсная пыль, d_m = 40.140 мкм;

III − среднедисперсная пыль, d_m = 10.40 мкм;

IV − мелкодисперсная пыль, d_m = 1.10 мкм;

V − очень мелкодисперсная пыль, d_m

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Результаты определения дисперсного состава могут быть представлены в виде таблицы, в которой приведены проценты массы или числа частиц, с размерами меньше или больше заданного. Пример - таблица 2.4.

Фракции пыли с частицами меньше или больше заданного размера

Размер частиц d, мкм

Масса частиц больше d, %

Масса частиц меньше d, %

Совокупность всех фракций аэрозоля называют фракционным составом его дисперсной фазы, которую можно представлять графически. Откладывая по оси абсцисс значения интервалов, составляющих фракции, а по оси ординат - доли или процентные содержания частиц соответствующих фракций, получают гистограммы - ступенчатые графики фракционного состава. С уменьшением интервалов фракций гистограммы приближаются к плавным кривым. Иногда такие кривые бывают близки по форме к кривой нормального распределения случайных величин, которая описывается двумя параметрами - средним диаметром частиц D_m и стандартным отклонением  от него:

D = M_i . D_i/M_i;  = [M_i(D_m - D_i) 2 /M_i] 1/2 , (2.1)

i= 1 i= 1 i= 1 i= 1

где М_i - число частиц в i-той фракции.

Теоретически обосновано, что дисперсность пыли, образующейся при измельчении материала в течение достаточно длительного времени, подчиняется логарифмически нормальному закону распределения.

Распределение частиц в реальных аэрозолях отличается от нормального, но для многих из них все же может быть приведено по форме к нормальному, если на графиках по оси абсцисс вместо размеров частиц откладывают значения их логарифмов. В таких случаях считают, что размеры частиц аэрозоля распределены по логарифмически нормальному закону. Кривую логарифмически нормального распределения также можно задать двумя параметрами - логарифмами среднего диаметра и стандартного отклонения от него:

lgD_m = M_i . lgD_i/M_i; lg = [M_i(lgD_m - lgD_i)/M_i] 1/2 , (2.2)

i= 1 i= 1 i= 1 i= 1

Интегральные кривые нормального и логарифмически нормального распределений имеют форму интеграла вероятностей, что позволяет использовать таблицы его значений во всех расчетах, связанных с распределением частиц аэрозоля по размерам.

Удобно построить специальную координатную сетку, в которой интегральная кривая логарифмически нормального распределения преобразуется в прямую линию. График дисперсного состава пыли обычно выполняют в вероятностно-логарифмической системе координат. По оси абсцисс такой системы координат откладывают значения размеров частиц в логарифмическом масштабе, а по оси ординат - доли или процентное содержание частиц в вероятностном масштабе, т.е. значения интеграла вероятностей для соответствующих долей или процентных содержаний частиц.

Стандартное отклонение lg  определяется из свойства интеграла вероятностей соотношением:

lg = lgD_84,1 – lgD_m = lgD_m – lgD_15,9, (2.3)

где D_84,1 и D_15,9 - абсциссы точек в вероятностно-логарифмической системе координат (рис. 2.1), ординаты которых имеют значения 84,1 % и 15,9%. Распределения, близкие к логарифмически нормальным, аппроксимируют прямыми и считают, что они однозначно определяются параметрами  и D_m.

Рис. 2.1. Вероятностно-логарифмическая система координат

ГОСТ 12.2.043-80 подразделяет все пыли в зависимости от дисперсности на пять групп: I — наиболее крупнодисперсная пыль; II — крупнодисперсная пыль; III — среднедисперсная пыль; IV — мелкодисперсная пыль; V — наиболее мелкодисперсная пыль. Номограмма для определения группы дисперсности пыли показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Номограмма для определения группы дисперсности пыли:

 — размер частиц пыли, мкм; D - суммарная масса всех частиц пыли, имеющих размер менее данного S, % (от общей массы частиц пыли);

I-V - зоны, характеризующие группы дисперсности пыли.

Если линия, характеризующая дисперсный состав пыли, проходит по нескольким участкам номограммы, пыль относят к группе, более высокой по дисперсности.

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/м 3 .

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.

Удельная поверхность аэрозоля  отношение поверхности всех частиц к их массе или объему.

Значение удельной поверхности позволяет судить о дисперсности пыли.

Слипаемость пыли. Склонность частиц к сцеплению друг с другом определяется аутогезионными (когезионными) свойствами и в технике пылеочистки получила название "слипаемость".

Взаимодействие пылевых частиц между собой называется аутогезией. Аутогенным воздействием вызывается образование конгломератов пыли. Взаимодействие пылевых частиц с поверхностями называется адгезией.

Обычно, когда речь идет о взаимодействии пылевых частиц между собой, явления аутогезии именуют слипаемостью. Она 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, Па.

По степени слипаемости пыли могут быть разделены на четыре группы (табл. 2.5.).

Читайте также: