Сообщение аэрозоли в природе
Обновлено: 05.07.2024
АЭРОЗО́ЛИ (от аэро . и золи ), дисперсные системы , состоящие из мелких (твёрдых или жидких) частиц, взвешенных в воздухе или любой др. газовой среде. Совокупность этих частиц – дисперсная фаза – перемещается вместе с газовой дисперсионной средой. Частицы А. могут также смещаться относительно самой среды в результате броуновского движения, направленного движения под действием сил инерции, гравитации, электрич. поля, давления света, под влиянием разности темп-р или концентраций частиц в разл. местах системы.
Архив статей > Экология > Аэрозоли друзья и аэрозоли-враги. 1. Аэрозоли-друзья
АЭРОЗОЛИ-ДРУЗЬЯ И АЭРОЗОЛИ-ВРАГИ
I. АЭРОЗОЛИ-ДРУЗЬЯ
Н. А. Фукс
Химия и Жизнь №9, 1971 г, с. 44-49
Аэрозоли - это газы, содержащие взвешенные твердые или жидкие частицы. Воздух, которым мы дышим,- аэрозоль: в каждом кубическом сантиметре воздуха плавают десятки тысяч взвешенных частиц. Самые крупные из них, большие пылинки размером в несколько микрон, можно видеть невооруженным глазом в пучке солнечных лучей. Но таких больших частиц немного, у остальных же столь малые размеры - от десятых до тысячных долей микрона,- что обнаружить и сосчитать их можно лишь косвенным путем.
Хотя частиц в единице объема много, весовая концентрация их из-за ничтожно малой массы частиц очень низка: в городах она колеблется между 0,2 и 20 мг/м 3 , а вдали от городов в безветренную погоду кубический метр воздуха содержит лишь сотые доли миллиграмма взвесей. Даже в атмосферных облаках и туманах концентрация водяных капелек не превышает обычно 1 г/м 3 . Что ж, концентрация действительно мала, но, несмотря на это, аэрозоли играют в жизни человека и природы весьма важную роль.
Есть разные системы классификации аэрозолей. Воспользуемся простейшей: аэрозоли могут быть полезными для людей, а могут быть вредными. Эта статья - о полезных аэрозолях.
Начнем с атмосферных облаков, ибо они первенствуют среди аэрозолей, ведь именно через них осуществляется круговорот воды в природе. Попытаемся представить себе, что за жизнь была бы на Земле, если бы водяной пар не конденсировался в атмосфере, образуя облака. Тогда вода могла бы возвращаться на Землю единственным путем - конденсируясь прямо на поверхности, иными словами, только через росу. И приземный слой атмосферы неизбежно был бы пересыщен паром.
Но в такой атмосфере растения не смогли бы испарять влагу, и, значит, стал бы неосуществимым важнейший жизненный процесс - перенос воды от корней к листьям. А так как лишь зеленые растения способны синтезировать из воздуха и минеральных солей органические вещества, стала бы невозможной и жизнь животных на суше; только в воде жизнь была бы возможна.
Значение облаков не исчерпывается круговоротом воды. Они поглощают длинноволновую радиацию, испускаемую поверхностью Земли, и большую часть полученного тепла возвращают обратно - поэтому облачные ночи всегда теплее ясных. В жарких краях облака защищают живую природу от прямых солнечных лучей и умеряют жару. Таким образом, облака смягчают климат планеты.
Как же образуются облака? Для этого тоже необходимы аэрозоли. Когда аэрозольных частиц нет, водяной пар конденсируется только при довольно высоком (четырехкратном) пересыщении. В атмосфере такое пересыщение возможно лишь на высоте около 10 км. Возникшие здесь облака состояли бы из ледяных частиц, и жизнь на суше, как и в случае отсутствия облаков, вряд ли была бы возможна. К счастью, в атмосфере достаточно "ядер конденсации" - аэрозольных частиц, на которых водяной пар конденсируется при значительно меньших пересыщениях.
Наиболее активные ядра - капельки растворов: морской соли (мельчайшие брызги морской воды) и серной кислоты (из сернистого газа, выбрасываемого вулканами, трубами ТЭЦ, металлургических и иных заводов). Эти ядра конденсируют на себе влагу даже при неполном насыщении атмосферы водяным паром, образуя в очень сырую погоду дымку. При малейшем пересыщении на ядрах начинается быстрый рост капелек - так образуются облака или туман.
Но каким образом из облачных капелек размером в сотые доли миллиметра получаются капли дождя размером от 0,1 мм (моросящий дождь) до нескольких миллиметров (ливень)? И здесь основую роль играют аэрозоли. Температура верхней части облаков в холодных и умеренных поясах обычно бывает ниже нуля, и капли находятся в переохлажденном состоянии. Такие облака устойчивы, дождь из них не идет. Однако в атмосфере взвешены небольшие количества частиц некоторых минералов. Их называют ледяными ядрами, потому что соприкосновение их с переохлажденными каплями вызывает замерзание воды. Давление пара льда ниже, чем переохлажденной воды, и поэтому замерзшая частица конденсирует на себе пар, а окружающие ее переохлажденные капельки испаряются. Льдинки растут и начинают падать, они сталкиваются с капельками, захватывают их, а затем, выйдя из холодной зоны, тают и выпадают на землю в виде дождя.
Когда был выяснен механизм образования дождя из переохлажденных облаков, возникла естественная мысль: а нельзя ли стимулировать этот процесс, введя в облака искусственные ледяные ядра? Наиболее активными оказались частицы йодистого серебра. Во многих странах проводились опыты по засеву облаков аэрозолями АgI. Облака удавалось заморозить, а вот вызвать осадки - далеко не всегда.
Заметим, кстати, что подобные опыты непросто истолковать. Предположим, после засева пошел дождь, но пошел ли он благодаря засеву? А может быть, он пошел бы сам по себе! Американский физик Ленгмюр предложил вызывать дождь с помощью АgI после двух удачных опытов, и пресса подняла по этому поводу шум; а многолетняя проверка показала, что результаты довольно скромны: количество осадков удается повысить таким способом примерно на 10%.
Более успешно применение аэрозоля йодистого серебра для борьбы с градом. Градинки также возникают в верхней части грозовых облаков, однако из-за сильных восходящих течений они долго движутся по облаку и успевают вырасти настолько, что при падении на землю не успевают растаять. Если ввести в переохлажденное ядро грозового облака (а его можно определить при помощи радиолокатора) аэрозоль и таким образом заморозить капельки, то вместо града образуется ледяная "крупа", не приносящая вреда посевам.
Перейдем теперь к биологической части атмосферного аэрозоля, иначе говоря, к аэропланктону. Он содержит всевозможные микроорганизмы, бактерии, грибки, споры, цветочную пыльцу, семена, мелких насекомых и пр. Некоторых обитателей аэропланктона ветер переносит на сотни и даже тысячи километров, и они не гибнут. Этот перенос очень важен для распространения организмов по нашей планете. Он способствует сохранению видов, потому что при изменении биологических условий в одной местности некоторые виды погибают, но они могут развиться в других краях, куда залетели их семена или споры.
Напомним также о ветровом опылении растений, в том числе столь важных, как злаки. Хотя вероятность того, что пыльца попадет на пестик цветка, ничтожна, ветроопыляемые растения вырабатывают так много пыльцы, что практически все цветы оказываются опыленными.
Хотя ветровая эрозия почвы - бич сельского хозяйства, однако и она порой приносит человеку пользу. В течение многих веков ветры сносили почву в пустынях Центральной Азии и несли ее на восток. Крупные частицы быстро выпадали из пылевого облака, а тончайшие частицы, пролетев тысячи километров, дошли до северного Китая. Так образовались плодородные лёссовые отложения в бассейне реки Хуанхэ.
Теперь от природных аэрозолей перейдем к тем, которые создает человек. Среди них первое место по масштабам принадлежит аэрозолям из жидких и твердых топлив. Нефтепродукты распыляются в форсунках и образуют туман, который затем сжигается в топках паровых котлов или камерах двигателей внутреннего сгорания. Уголь сейчас сжигают в виде пыли. Если распылять жидкости, растворы или суспензии и в образовавшийся туман вводить поток горячего газа, то можно быстро высушить капельки; такая "распылительная" сушка нередко применяется для получения сухого молока и других продуктов. Окраска распыленными жидкими материалами давно уже вытесняет малярную кисть. А в последнее время появилась электроокраска: материал распыляют сильным электрическим полем, и электрические силы заставляют осесть заряженный туман на заземленном изделии.
Для борьбы с вредителями и болезнями культурные растения опрыскивают жидкими ядохимикатами. Ту же технику используют для дезинфекции и дезинсекции помещений. Туманы из растворов гипохлорита, гликолей, резорцина оказались превосходными средствами для стерилизации воздуха в операционных. Вдыхание туманов из лекарственных препаратов (аэрозолетерапия) - эффективный метод лечения болезней дыхательных путей. Обнадеживающие результаты дает и аэрозольная иммунизация людей и животных.
Очень удобными для использования оказались аэрозоли, полученные из аэрозольных баллончиков. В баллончики под давлением помещают фреоновые растворы лаков, инсектицидов, лекарственных препаратов, косметических и прочих средств. Как только открывается клапан, раствор вытесняется парами фреона через сопло. При атмосферном давлении фреон бурно вскипает, разрывает раствор на мелкие капельки и быстро испаряется; в воздухе остается струя аэрозоля.
В последние годы началась разработка аэрозольных ракетных двигателей. Нелетучую жидкость распыляют в сильном электрическом поле. Полученный заряженный туман пропускают через линейный ускоритель, в котором капельки разгоняются электрическим полем до скорости в несколько километров в секунду и выбрасываются из ракеты. Такой двигатель может работать лишь в вакууме, то есть на очень большой высоте.
Больше всего распыляют самую дешевую жидкость - воду. Примеров применения можно привести множество. Важнейшие из них: тушение пожаров, орошение посевов, охлаждение стенок реакторов, охлаждение, увлажнение и очистка промышленных газов от пыли и газообразных примесей, борьба с пылью в шахтах.
Многие технические материалы получают в виде аэрозолей, которые затем осаждают. Так, при неполном сгорании газообразных углеводородов образуется сажевый аэрозоль, при сжигании паров SiCl4 - аэрозоль высокодисперсного кремнезема ("белая сажа"), а паров АlСl3 - аэрозоль окиси алюминия. Сжиганием цинка получают аэрозоль ZnО (цинковые белила). Когда выплавляют цинк, часть его паров конденсируется, образуя цинковую пыль - важный материал для органического синтеза. Так же при выплавке серы получают аэрозоль серы и серный цвет, необходимый для борьбы с болезнями растений.
Искусственные туманы широко применялись в мировых войнах для маскировки. Дымом, образующимся при горении влажного хвороста, с незапамятных времен защищали сады от заморозков. Еще одно старинное применение аэрозолей - воздушная сортировка порошков и сыпучих тел, основанная на том, что мелкие аэрозольные частицы падают в воздухе медленнее, чем крупные, а чешуйчатые - медленнее, чем округленные. Пример такой сортировки - отвеивание зерна от половы.
Аэрозоли из песка и других твердых материалов создаются в пескоструйных аппаратах; с помощью узкой струйки корундового порошка становится возможной тонкая обработка хрупких материалов. Еще одно применение аэрозолей - для копчения: вкус копченостям придают частицы дыма.
Эта статья должна была убедить читателя в том, что у человека много аэрозолей-друзей. Однако аэрозолей-врагов у него еще больше. Но это - тема другой статьи.
Для образования облаков необходимы аэрозоли. Пар конденсируется на мельчайших ядрах конденсации - гигроскопических частицах. Там, где температура ниже нуля, образуются переохлажденные облачные капли размером в сотые доли миллиметра. Облако устойчиво, дождь из него не идет.
Но в атмосфере есть также ледяные ядра, твердые аэрозольные частицы, способные вызвать замерзание переохлажденных капелек. На этих льдинках конденсируется пар, льдинки растут, тяжелеют и опускаются ниже. Попав в теплую зону, где температура выше нуля, льдинки тают и падают на землю каплями размером до нескольких миллиметров. Идет дождь.
А в нижней части вклейки изображен еще один аэрозоль - пыльца растений. Без аэрозолей было бы немыслимым ветровое опыление, так. часто встречающееся в природе
Аэрозоли – это собирательное название крошечных частиц, парящих в атмосфере. Они оказывают гораздо большее влияние на планету, чем вы могли бы подумать, и человеческая деятельность играет здесь свою роль.
У самых ярких закатов, облачного неба и дней, когда все вокруг закашливаются, есть кое-то общее: все это происходит из-за аэрозолей – крошечных частиц, плавающих в воздухе. Аэрозоли могут быть крошечными капельками, частицами пыли, кусочками мелкого черного углерода и другими веществами, которые, паря в атмосфере, изменяют весь энергетический баланс планеты.
Аэрозоли оказывают огромное влияние на климат планеты. Некоторые из них, такие как черный и коричневый углерод, согревают атмосферу Земли, а другие, такие как капли сульфата, охлаждают ее. Ученые считают, что в целом весь спектр аэрозолей в конечном итоге слегка охлаждает планету. Но до сих пор не совсем ясно, сколь силен этот эффект охлаждения и насколько он прогрессирует в течение дней, лет или столетий.
Что такое аэрозоли?
Аэрозоли выделяются как из природных, так и из антропогенных источников. Например, пыль поднимается от пустынь, высохших берегов рек, пересохших озер и многих других источников. Концентрации аэрозолtq в атмосфере поднимаются и опускаются в зависимости от климатических явлений; в холодные, сухие периоды в истории планеты, такие как последний ледниковый период, пыли в атмосфере было больше, чем во время более теплых периодов истории Земли. Но люди повлияли на этот естественный цикл – некоторые участки планеты оказались загрязнены продуктами нашей деятельности, а другие стали излишне влажными.
Морские соли являются еще одним естественным источником аэрозолей. Они выбиваются из океана ветром и морскими брызгами и имеют тенденцию заполнять нижние части атмосферы. А некоторые виды очень взрывоопасных вулканических извержений, напротив, могут выстреливать частицами и каплями высоко в верхние слои атмосферы, где они могут плавать в течение нескольких месяцев или даже лет, подвешенные за много миль от поверхности Земли.
Человеческая деятельность производит много различных типов аэрозолей. В результате сжигания ископаемого топлива образуются частицы, хорошо известные как парниковые газы – таким образом, все автомобили, самолеты, электростанции и промышленные процессы производят частицы, которые могут накапливаться в атмосфере. Сельское хозяйство производит пыль, а также другие продукты, такие как аэрозольные азотные продукты, которые влияют на качество воздуха.
Загрязнение воздуха связано с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, инсульта, заболеваний легких, астмы. По некоторым недавним оценкам, мелкие частицы в воздухе привели к более чем четырем миллионам преждевременных смертей во всем мире в 2016 году, и сильнее всего пострадали дети и пожилые люди. Риски для здоровья от воздействия мелких частиц наиболее высоки в Китае и Индии, особенно в городских районах.
Как аэрозоли влияют на климат?
Аэрозоли влияют на климат двумя основными способами: изменяя количество тепла, которое попадает в атмосферу или выходит из нее, и влияя на то, как образуются облака.
Но другие аэрозоли, такие как маленькие частицы черного углерода от сгоревшего угля или дерева, работают наоборот, поглощая тепло от солнца. В конечном итоге это согревает атмосферу, хотя и охлаждает поверхность Земли, тормозя лучи солнца. В целом, этот эффект, вероятно, слабее, чем охлаждение, вызываемое большинством других аэрозолей – но, вне сомнений, он тоже оказывает свое влияние, и чем больше углеродного материала накапливается в атмосфере, тем больше нагревается атмосфера.
Аэрозоли также влияют на формирование и рост облаков. Капли воды легко сливаются вокруг частиц, поэтому богатая частицами аэрозолей атмосфера способствует образованию облаков. Белые облака отражают падающие лучи солнца, предотвращая их попадание на поверхность и нагревание земли и воды, но они также поглощают постоянно излучаемое планетой тепло, задерживая его в нижних слоях атмосферы. В зависимости от типа и местоположения облаков, они могут либо обогревать окрестности, либо охлаждать их.
Аэрозоли имеют сложный набор различных воздействий на планету, и люди напрямую повлияли на их присутствие, количество и распределение. И хотя климатические последствия сложны и непостоянны, последствия для здоровья людей очевидны: чем больше в воздухе мелких частиц, тем больше это вредит здоровью человека.
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.
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 км 2 земной поверхности выбрасывает в атмосферу 20 т раздробленной массы, которая превращается в атмосферные аэрозоли.
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;
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 10 3 частиц/см 3 .
Классификация Аэрозолей
1. По агрегатному состоянию дисперсной фазы:
· смог (Ж+Т)/Г [Smog] = Smoke (дым) + fog (туман)
2. По дисперсности:
· туман (Ж/Г), 10 -7 -5 м;
· дым (Т/Г), 10 -9 -5 м;
· пыль Т/Г, d > 10 -5 м.
3. По методам получения:
Методы получения аэрозолей
Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены двумя разными путями:
из грубо-дисперсных систем (диспергационные методы),
из истинных растворов (конденсационные методы).
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;
• диффузии к стенкам сосуда;
• 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.
Практическое значение аэрозолей
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.
Читайте также: