В настоящее время в медицинской практике широко применяются спреи и аэрозоли. Эти лекарственные формы часто используются для наружного применения, они предназначаются для нанесения лекарственного средства на рану, на кожу, на слизистые оболочки, а также для ингаляций. В спреях и многих аэрозолях примерно одинаковый принцип подачи лекарственного препарата, который содержится там в виде жидких и твердых частиц, взвешенных в газовой среде. Так как обе эти формы имеют одинаковый принцип подачи, то их часто путают. Однако между ними есть определенные различия, которые необходимо учитывать при выборе лекарственной формы.
Определение
Спрей распыляется с помощью механического насоса, при этом давление во флаконе и давление вне его одинаковое.
Аэрозоль распыляется за счет образования во флаконе избыточного давления, бывает непрерывного или дозирующего действия.
Сравнение
В момент использования и спрей, и аэрозоль создают стабильное распыление частиц. Для аэрозоля они составляют 2-5 мкм, для спрея – больше 5 мкм. Флаконы в том и в другом случае герметично закупорены, поэтому возможность попадания в них воздуха или загрязнений полностью исключается. Аэрозоли и спреи с успехом применяются в медицинской практике для распыления различных лекарственных средств. Так, например, противоожоговые препараты (Пантенол, Олазоль) выпускаются в виде аэрозоля. В спреях сегодня можно встретить немало лекарственных препаратов, предназначенных для лечения носа (Аквамарис, Долфин).
Выводы сайт
- Спрей распыляется с помощью механического насоса, при этом давление во флаконе равно атмосферному. Аэрозоль подается под давлением.
- Спрей распыляет более крупные частицы (более 5 мкм), аэрозоль – мелкие (2-5 мкм).
В современной медицине лекарственные препараты выпускаются в различных формах, удобных для доставки действующего вещества к больному органу.
Одной из таких форм для наружного применения сегодня является спрей. Набрызгивание лекарственного состава на кожу, слизистую оболочку горла или другую пораженную зону позволяет равномерно нанести лекарство, не беспокоя больного прикосновениями и не рискуя внести инфекцию. Спрей является довольно новой формой лекарственных препаратов, и далеко не все потребители знают, что это такое и чем спреи отличаются от аэрозолей.
Что такое спрей?
Для местного применения спрей является одной из наиболее удобных форм, так как представляет собой дисперсию мельчайших твердых и жидких частиц лекарства в газовой среде.
Он используется для нанесения лечебных составов на поверхность кожи, раневую или ожоговую поверхность, на слизистые оболочки полости рта, носоглотки, вагины и т.д. Кроме того, спрей чрезвычайно удобен для ингаляций.
В чем разница между спреем и аэрозолем?
Иногда даже врачи не совсем уверенно различают спреи и аэрозоли. Между тем, разница имеется, и достаточно заметная. Основное отличие между ними заключается в способе извлечения препарата из флакона:
— в аэрозоле лекарство поступает наружу благодаря избыточному давлению внутри баллона, после открытия выпускного клапана;
— спрей подается путем механического выжимания поршневым микронасосом мелкодисперсной взвеси препарата в воздухе, при этом внутри флакона давление приближается к обычному атмосферному давлению.
Разница заключается и в размере частиц диспергированного вещества: в аэрозоле их диаметр составляет от 1 до 5 мкм, в спрее – от 10 до 50 мкм, причем их скорость невысока. Поэтому выпускное отверстие флакона спрея следует располагать ближе к поверхности кожи, чем при распылении аэрозоля из баллончика.
Преимущества спреев как лекарственной формы
Спрей оказался чрезвычайно эффективной и удобной лекарственной формой наружного, местного интраназального действия, обладающей широким рядом достоинств.
— Распыленный на больное или пораженное место, спрей оказывает чрезвычайно быстрый терапевтический эффект. Скорость воздействия и действенность лекарства в ряде случаев сравнима с внутривенной инъекцией.
— Дисперсная форма повышает химическую и фармакологическую активность лекарства, что дает возможность обходиться более низкими дозами действующего вещества. Это, в свою очередь, обеспечивает щадящий эффект лечения.
— Благодаря микроскопическим размерам частицы лекарства намного легче проникают в складки, полости и карманы дыхательных путей, впитываются поверхностью кожи и слизистыми оболочками.
— Спрей может применяться в тех случаях, когда пероральный способ приема лекарств не дает нужного эффекта, поскольку действующее вещество разрушается желудочным соком.
— Распыление лекарственного состава уменьшает негативные побочные эффекты от его воздействия на организм.
— До распыления лекарство находится в стерильном, чистом состоянии в герметично закрытом флаконе. Препарат не пересыхает и не вбирает в себя влагу воздуха, находясь в той форме, которую фармацевты сочли оптимальной для воздействия на организм больного.
— При помощи дозирующего клапана лекарство распыляется точно отмеренными порциями, исключающими передозировку.
— Удобный и быстрый способ применения доступен практически каждому больному, независимо от его физического состояния.
Следует заметить, что обычно аэрозоли более активно способствуют проявлению побочных эффектов лечения, чем спреи. В то же время они распыляют препарат наиболее мелкими частицами, что в некоторых случаях является важным фактором лечения.
Благодаря отсутствию специального газа-носителя, характерного для аэрозоля, спреи более приятны на вкус, если речь идет о лекарствах для верхних дыхательных путей. Прозрачный флакон позволяет видеть, сколько препарата осталось неиспользованным и каково его качество: не появился ли осадок или помутнение состава.
В настоящее время спрей является оптимальной, наиболее практичной и эффективной формой применения лекарственных средств наружного применения. Многие препараты, ранее выпускавшиеся в виде аэрозолей, сегодня переведены в форму спреев, что не замедлило позитивно сказаться на интенсивности их продаж.
АЭРОЗОЛИ
[от греч. аёг- и лат. sol(utio)-раствор], с газовой дисперсионной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Классификация. По способу образования различают конденсационные и диспергационные А. Первые возникают в результате присоединения друг к другу молекул в-ва в пересыш. паре (т. наз. гомог. нуклеация) или конденсации на присутствующих в нем ионах или мельчайших частицах др. в-ва - ядрах конденсации (гетерог. нуклеация). Конденсац. А. с жидкой дисперсной фазой наз. туманами, с твердой - дымами.
К конденсационным относятся и А., образующиеся при горении, хим. и фотохим. р-циях в газовой фазе, напр. при получении оксидов Si и Ti термич. гидролизом их хлоридов в пламени. Важнейший из таких А. - смог, возникающий в атмосфере в результате фотохим. р-ций между газообразными примесями под действием интенсивного солнечного освещения. Особенность конденсации продуктов хим. р-ций - возможность каталитич. действия конденсиров. частиц на превращ. исходных в-в. Конденсац. А. могут образоваться также вследствие испарения тел, в т. ч. в результате воздействия плазмы и лазерного излучения, с послед. конденсацией паров.
Диспергационные А. с твердыми частицами () образуются в атмосфере в прир. условиях, а также при измельчении твердых тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т. п. А. с жидкой дисперсной фазой (иногда их наз. спреями) возникают при распаде струй или пленок жидкости, напр. при распылении жидкого в двигателях внутр. сгорания. Важные практич. случаи образования жидких А.-распыление жидкости под воздействием расположенного в ней источника акустич. колебаний, разрушение струй при воздействии поля электрич. потенциала.
Часто возникают смешанные А., состоящие из частиц разл. происхождения. Так, при взрывном разрушении твердых тел происходит, как правило, в-ва и его испарение с послед. конденсацией паров и образованием А.
Основные характеристики. Дисперсионную среду характеризуют хим. составом, т-рой, давлением, степенью ионизации, параметрами внеш. физ. полей, полем скоростей течения, наличием турбулентности и ее параметрами, наличием и величиной градиентов т-ры и концентрации компонентов. Важнейшие параметры дисперсной фазы А. - объемная доля частиц и их массовая доля , число частиц в единице объема (счетная ) n р, средний размер частицы и ее электрич. заряд. Параметры дисперсной фазы атм. А. при нормальных т-ре и давлении составляют: d p 1-10 8 см -3 , 10 -18 -10 -1 , 10 -19 В верх. слоях атмосферы п р = 10 5 -10 14 см -3 , 10 -19 -10 -33 . Наряду с усредненными величинами дисперсную фазу характеризуют распределением частиц по размерам и по величине электрич. заряда (последнее даже для монодисперсных А.). Если в-во дисперсной фазы радиоактивно, необходимо знать также уд. частиц.
Взаимод. между дисперсной фазой и дисперсионной средой определяется процессами переноса массы, энергии, импульса, электрич. заряда и др., а также явлениями на границе раздела фаз. Процессы переноса описываются ур-ниями, конечный вид к-рых зависит от числа Кнудсена Кп =, где -длина своб. пробега газовых молекул, диаметр частицы А. При Кп 1 и, следовательно, > дисперсионная среда может рассматриваться как сплошная; в этом случае говорят о континуальном режиме процессов переноса. Если Кп 1, А. можно рассматривать как смесь двух газов, молекулы одного из к-рых - частицы А. - намного тяжелее молекул дисперсионной среды. В такой системе процессы переноса описываются с помощью ур-ний газокинетич. теории (т. наз. свободномолекулярный режим). Наконец, при Кп 1 (диаметр частиц при атм. давл. 0,01-1,0 мкм) процессы переноса рассчитываются приближенными методами динамики разреженных газов (переходный режим). Точность ур-ний, описывающих процессы переноса в свободномолекулярном и континуальном режимах на границах указанного интервала размера частиц, определяющего значения Кп, составляет ок. 10%. На процессы переноса в А. влияет движение частиц относительно среды под действием внеш. сил или по инерции; оно характеризуется числом Маха Ма=, где и р -скорость частиц относительно среды, -скорость теплового движения молекул среды. При анализе характера переноса импульса вместо числа Маха часто используют число Рейнольдса Re = 4Ma/Kn.
Свойства.
Важнейшие св-ва А. - способность частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преим. как единое целое и при столкновении прилипать друг к другу или к к.-л. пов-сти с вероятностью, равной единице. В покоящейся среде частицы А. поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собств. тепловому движению, энергия к-рого для частиц любой массы равна 3 / 2 kT,>
где k
- постоянная Больцмана, T - абс. т-ра, и вследствие обмена энергией с молекулами среды. Распределение концентрации частиц по высоте обычно характеризуют параметром 
(перреновской высотой), где
Ускорение силы тяжести, -масса частицы. Для достаточно малых частиц, когда Н р
намного превосходит их линейный размер, энергии теплового движения достаточно для поддержания частиц во взвешенном состоянии даже в отсутствие дисперсионной среды. Если же размер частиц сравним с Нр
или больше него, то для поддержания частиц во взвешенном состоянии необходима дополнит. энергия, получаемая при соударениях с молекулами среды. Соотношение между двумя этими видами энергии характеризуется числом Шмидта , где -концентрация газовых молекул, -длина их своб. пробега. При Sc < 10 7 существен лишь вклад собств. теплового движения частиц; при атм. давлении этому условию соответствуют частицы единичной плотности размером ~2 мкм. При So > 10 5 имеет значение лишь обмен энергией между частицами и средой. При 10 7 < Sc < 10 5 оба вклада соизмеримы. В турбулентной среде частицам А. присущи две осн. формы движения - увлечение дисперсионной средой и смещение относительно нее. Поддержание частиц во взвешенном состоянии определяется их инерционностью и характеризуется т. наз. турбулентным числом Шмидта Sc T , равным отношению коэффициентов турбулентной диффузии частиц и молекул соеды D T . Величина наз. степенью обтекания,
-степенью увлечения частиц. Способность частиц А. сохраняться во взвешенном состоянии без приложения возмущающего воздействия к дисперсионной среде отличает А. от псевдоожиженного (кипящего) слоя, к-рый также является двухфазной системой с газовой дисперсионной средой.
Частицы А. могут смещаться относительно среды, гл. обр. под действием внеш. полей, напр. поля силы тяжести, в к-ром частицы оседают, а также сил инерции (если среда движется ускоренно), градиентов т-р и концентраций. Скорость движения частиц определяется внеш. силой и силой сопротивления среды движению частиц. В большинстве случаев эти силы уравновешивают друг друга, и частицы движутся с постоянной скоростью; лишь в средах с сильной турбулентностью и в акустич. полях движение ускоренное. Отношение скорости vстационарного движения частицы к действующей на нее силе наз. подвижностью частицы В.
В континуальном режиме 
, где -вязкость среды (ф-ла Стокса). Эта ф-ла позволяет рассчитывать В с
точностью до 10% при Кп > 0,1 и Re < 0,6. При больших Re вводят поправочные множители, являющиеся ф-циями Re. В области 1 < Кп < 0,1 в ф-лу Стокса вводят поправочный множитель Кеннингема, равный (1 + А 1 Кп),>
где A 1 - эмпирич. постоянная. В свободномолекулярном режиме при Кп > 10 В = (Ai +
Q/3) (ф-ла Эпштейна), где Q - др. эмпирич. постоянная. В переходном режиме для расчета Впредложен ряд эмпирич. ф-л, из к-рых наиб. распространена ф-ла Милликена:
, где b-эмпирич. постоянная. Для капель масляного тумана, напр., в ф-ле Эпштейна ( А 1 + Q) =>
1,154, в ф-ле Милликена A 1 = 1,246, Q = 0,42, b = 0,87. Значение Вопределяет коэф. тепловой диффузии частиц D = kTB,
наз. иногда коэффициентом броуновской диффузии.
При наличии в дисперсионной среде градиентов т-ры или концентрации частицы А. движутся даже при отсутствии внеш. сил; соответствующие явления наз. термо- и диффузиофорезом. В свободномолекулярном режиме аналогичен термодиффузии (см. Диффузия); в континуальном режиме он обусловлен тангенциальной силой, действующей на частицу вследствие возникновения потока газа (термич. скольжения) вблизи неоднородно нагретой пов-сти частицы. Частный случай термофореза - фотофорез: движение частиц под действием светового облучения. Этот эффект обусловлен неравномерным нагревом частиц и среды, гл. обр. из-за различной их способности отражать и поглощать свет. Диффузиофорез, обусловленный градиентом концентрации при постоянном полном давлении, происходит, напр., вблизи пов-стей испарения или конденсации.
Частицы А. размером менее 1 мкм всегда прилипают к твердым пов-стям при столкновении с ними. Столкновение частиц друг с другом при броуновском движении приводит к коагуляции А. Для монодисперсных А. со сферич. частицами скорость коагуляции
где n - число частиц в единице объема, К-т. наз. коэф. броуновской коагуляции. В континуальном режиме Крассчитывают по ф-ле Смолуховского , в свободномолекулярном - по ф-ле 
, где и р -средняя скорость теплового движения аэрозольных частиц, -коэф., учитывающий влияние межмол. сил и для разл. в-в имеющий значение от 1,5 до 4. Для переходного режима точных ф-л для вычисления Кне существует. Помимо броуновского движения А. может иметь и др. причины. Т. наз. градиентная коагуляция обусловлена разностью скоростей частиц в сдвиговом потоке; кинематическая - разл. скоростью движения частиц относительно среды (напр., в поле гравитации); турбулентная и акустическая - тем, что частицы разного размера сближаются и сталкиваются, будучи в разной степени увлечены пульсациями или звуковыми колебаниями среды (последние две причины существенны для инерц. частиц размером не менее 10 -6 м). На скорость коагуляции влияет наличие электрич. заряда на частицах и внеш. электрич. поля.
Аэрозольные частицы способны приобретать электрич. заряд, если они образуются конденсацией на ионах. Незаряженные частицы могут захватывать газовые , направленно движущиеся к частицам во внеш. поле или диффундирующие в среде. Диспергационные частицы могут приобретать заряд и в процессе образования -при разбрызгивании жидкостей (баллоэлектрич. эффект) или распылении порошков (трибоэлектрич. эффект), при освещении (фотоэффект), радиоактивном распаде и т. п. В А., образующихся при высокой т-ре, напр. при испарении и послед. конденсации паров, заряды на частицах возникают также в результате термоэлектронной или термоионной эмиссии.
А. обладают ярко выраженным рассеянием света, закономерность к-рого определяется диапазоном значений параметра , где -длина волны излучения. При 1 сечение светорассеяния возрастает с уменьшением размера частиц. С уменьшением сечение становится пропорциональным . Поэтому высокодисперсные частицы рассеивают видимое, а тем более ИК-излучение слабо. При фиксиров. размере частицы сечение светорассеяния убывает пропорционально . При рассеянии света частицами А. меняется состояние поляризации излучения. Измерения светорассеяния и состояния поляризации рассеянного света используют для определения размеров частиц и распределения по размерам. См. также Дисперсные системы.
В технике образование А. часто нежелательно, т. к. приводит к загрязнению атмосферы (в т. ч. производственной) и технол. потоков. Кроме того, большую опасность представляют взрывы пылей в сахарном, мукомольном и нек-рых др. произ-вах. Все это вызвало к жизни развитие методов пылеулавливания и туманоулавливания. Вместе с тем хим. пром-сть либо непосредственно использует аэрозольное состояние в-ва в технол. процессах, либо производит продукты в аэрозольной форме для послед. их использования. Через аэрозольное состояние получают мн. высокодисперсные продукты - , пигменты, компоненты высокоэнергетич. топлив. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значит. часть твердого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине и ветеринарии, для защиты посевов от с.-х. вредителей, обработки складских помещений, предотвращения выпадения града. Широкое применение в быту нашли аэрозольные баллончики - устройства, в к-рых жидкий препарат или суспензия выдавливается из резервуара и распыляется давлением хладона (см. Бытовая ).
неоднородные системы, состоящие из взвешенных в газообразной среде частицтвердогоилижидкого вещества размером обычно 10~6 или 10~2 см. В криминалистике используются для выявления следов, их фиксации и пр. Некоторые виды А. используются правоохранительными органами при действиях в особых условиях (при массовых беспорядках и др.).
Отличное определение
Неполное определение ↓
АЭРОЗОЛИ
неоднородные полидисперсные системы из взвешенных в газообразной среде частиц твердого или жидкого вещества размером 10–6-10–2 см. Различают А. конденсационные (дымы, туманы, смог) и диспергационные (пыль и жидкие частицы). А. могут быть естественные и искусственные. Их свойства определяются природой вещества, из которого состоят частицы, природой дисперсионной среды, массовой концентрацией А. (общей массой частиц в ед. объема), частичной концентрацией (числом частиц в ед. объема), размером, формой и зарядом частиц. А. широко применяются в сельском хозяйстве (опыление растений инсектицидами, искусственное дождевание, борьба с градом и т.д.), промышленности (пневматическое, окрашивание, распыление топлива для сжигания и т.д.), медицине (аэрозолетерапия), метеорологии (для рассеивания туманов), для борьбы с запыленностью воздуха, загрязнением атмосферы и др. В гражданской защите большое значение имеют мероприятия по осаждению и устранению радиоактивных А. и аэрозольных ОВ при применении ОМП и техногенных авариях. Защитные свойства А. используются при световом излучении ядерного взрыва и лучевого оружия.
АЭРОЗОЛИ
(от греч. aеr – воздух и лат. solluti – раствор) свободные дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и дисперсной фазой, состоящей их твердых или жидких частиц.
Сам термин аэрозоль был предложен профессором Доннаном (Англия) в конце первой мировой войны для обозначения высокодисперсных систем, таких как ядовитые дымы фенилхлорарсина, которые начали применять в военных целях. Независимо от Доннана этим термином стал пользоваться и немецкий ученый Шмаусс, которому принадлежит первая статья (1920 г.), где он был использован.
Классификация.
1. По агрегатному состоянию дисперсной фазы:
туманы (Ж/Г) – дисперсная система, состоит из капелек жидкости;
дымы (Т/Г) – аэрозоли с твердыми частицами кондансационного происхождения;
пыли (Т/Г) – твердые частицы, образованные путем деспиригирования;
смог (Ж+Т/Г) – система смешанного типа, когда на твердых частицах конденсируется влага (туман, образовавшийся на частицах дыма);
2. По дисперсности:
ультрадисперсные аэрозоли (наночастицы) с размерами 0,001 – 0,01 мкм;
высокодисперсные аэрозоли (ВДА) 0,01 – 0,1 мкм;
среднедисперсные аэрозоли 0,1 – 10 мкм;
грубодисперсные аэрозоли 10 – 100 мкм.
Появление нового класса наночастиц произошло совсем недавно, когда стало возможным создание нового поколения аэрозольных приборов для изучения этих ультрадисперсных аэрозолей.
Характерные размеры аэрозольных частиц:
3. По методам получения:
конденсационные;
диспергационные.
Аэрозоли могут возникают естественным путем, образуются искусственно и сопутствуют промышленному производству.
Аэрозоли, которые возникают естественным путем :
До 30% всех естественных аэрозолей дает космическая пыль. Ежегодно в среднем 1 км 2 земной поверхности выбрасывает в атмосферу 20т раздробленной массы, которая превращается в атмосферные аэрозоли.
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, таки аэрозоли биологического происхождения могут переносятся на огромные расстояния (отмечены случаи, когда споры грибов были обнаружены над Карибскимморем 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.
Аэрозоли, которые получают искусственно:
Около 10% всех аэрозолей получается искусственно: это распыление ядохимикатов и удобрений, орошение, бытовые аэрозоли и т. д.
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 сказать, что в результате сгорания топлива ежегодно выбрасывается в атмосферу более 100т твердых и 1 млн.т газообразных веществ).
Производство ядерного топлива, эксплуатация атомных электростанций, испытания ядерного оружия приводят к образованию радиоактивных аэрозолей.
Основные безразмерные критерии подобия для описания аэродисперсных систем.
Они возникают при анализе и обезразмеривании определяющих уравнений, описывающих тот или иной элементарный процесс с одиночной частицей.
Кроме того, данные критерии имеют самостоятельное значение для понимания специфики и закономерностей процессов и явлений с аэрозолями.
Число Маха
где q p и q g – характерные скорости движения частицы и газа соответственно
Оно возникает при анализе уравнений газовой динамики и характеризует скоростные режимы движения аэрозольной частицы относительно центра масс газа.
Диапазон изменения критерия: от очень малых значений до единицы. Для атмосферных аэрозолей характерен диапазон M <<1, поэтому можно сказать, что динамика аэрозолей – это низкоскоростная аэродинамика.
Умеренные числа M ≈1 могут быть характерны для ряда технологических аэрозольных приложений.
Число Рейнольдса
где ρ– плотность
u – среднемассовая скорость
η – вязкость газа
R– радиус частицы
Оно возникает при анализе уравнений газовой динамики и выражает соотношение сил инерции и сил вязкого трения в газе.
Диапазон изменения критерия – от 0 до очень больших значений.
Для атмосферных и технологических аэрозолей число Re изменяется от очень малых (гравитационное осаждение частиц) до очень больших значений (турбулентный перенос частиц, газоочистные аппараты).
Число Кнудсена
где λ – средняя длина свободного пробега молекул газа
R – радиус частицы
Оно возникает при анализе уравнения Больцмана, применяемого для описания дисперсионной газовой среды, и характеризует структурность газа.
Формальный диапазон изменения критерия 0 < Kn < ∞
Для атмосферных аэрозолей 0.001мкм ≤ R ≤ 100мкм , λg ≈ 0. 065мкм при н.у., тогда
10−3 ≤ Kn ≤ 100
Число Стокса
где τ – время механической релаксации частицы
L – некоторый характерный размер процесса
Оно возникает при анализе уравнений движения частицы в механике аэрозолей и характеризует соотношение между силами инерции частицы и силами вязкого трения в газах.
Диапазон изменений критерия может быть достаточно большим (особенно для процессов с технологическими аэрозолями).
Число Брауна
где v p и v g –тепловая скорость движения аэрозольной частицы и молекулы газа
Возникает при анализе уравнений броуновского движения аэрозолей, характеризует интенсивность броуновского движения аэрозольных частиц. Диапазон изменения критерия от 0 до 1.
Для атмосферных аэрозолей обычно число Брауна Br << 1 (за исключением ультрадисперсного аэрозоля, где Br ≤ 1).
Свойства 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 – масса всех взвешенных частиц в единице объема дисперсной системы:
массовая и объемная доли :
,
где m 0
и V 0
– общая масса и общий объем дисперсной
системы
численная концентрация – число частиц в единице объема дисперсной системы
Где V 0 –общий объем дисперсной системы
N ч – число частиц
Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:
малой концентрацией частиц дисперсной фазы
(например, в 1 см 3 гидрозоля золота содержится 1016 частиц, а в таком же объеме аэрозоля золота менее 107 частиц).
малой вязкостью дисперсионной среды (воздуха), т.е., малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц
малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρ част » ρ газа
Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в гидрозолях.
Броуновское движение
Это непрерывное хаотичное равновероятностное для всех направлений движение частиц, распространяющихся за счет воздействия дисперсионной среды.
Согласно уравнению Эйншнейна, средний квадрат смещения частицы х 2 за промежуток времени t вдоль оси x равен:
где K – коэффициент сопротивления (сила, действующая на частицу, движущуюся со скоростью 1м/с)
В случае справедливости закона Стокса K=3d, так что уравнение приобретает вид:
Первые измерения броуновского движения частиц в газах, сделанные Де Бройлем, подтвердили справедливость уравнения Эйншнейна.
Диффузия
Это самопроизвольные процесс распространения дисперсионной фазы из области с большей концентрацией а область с меньшей концентрации.
где n – концетнрация частиц в данной плоскости.
По закуну Фика:
где D – коэффициент диффузии.
Тогда, можно выразить коэффициент диффузии в функции размера частицы:
где член представляет собой подвижность частицы.
Электрические свойства аэрозолей
До сих пор аэрозольные частицы рассматривались как незаряженные, и пренебрегали действием электрических сил как между самими частицами, так и между частицами и приложенным внешним электрическим полем. В реальности большинство аэродисперсных систем обладает электрическим зарядом, это свойство фактически является универсальным как для технологических, так и для природных атмосферных аэрозолей.
Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.
Большинство аэрозолей несут заряд, который может постоянно перераспределяться между частицами;
Внешние электрические поля могут влиять как на величину заряда частиц, так и на характеристики их движения;
На частицах аэрозоля не возникает двойной электрический слой, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация;
Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.
В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более чем в 10 раз.
К основным процессам, приводящим к образованию заряда на частице, относятся прямая ионизация частиц; статическая электризация частиц; столкновения с ионами; ионизация частиц электромагнитным излучением (УФ, рентгеновским или гамма-излучением).
Согласно Смолуховскому, заряд зависит от числа положительных и отрицательных ионов, находящихся в капельке в момент ее отделения от жидкости, т.е. определяется концентрация ионов в жидкости, то есть:
где - средний квадрат заряда капельки, выраженный через число элементарных
N – концентрация ионов одного знака в жидкости
V – объем капельки
Эта теория была проверена Натансоном в опытах с жидкостями, имеющими очень низкую концентрацию ионов (менее 310 -9 моль/л), например с трансформаторным маслом. Он нашел, что распределение зарядов вполне симметрично во всей области размеров капелек 0,5 – 2,1 мк.
Но заряд жидкой капли не может достичь предельного значения кроме случая, когда ее размеры очень малы.
На заряд накладывается дополнительное ограничение, известное как предел Рэлея. Сильно заряженная капля будет испаряться до тех пор, пока внешняя сила электрического поля на поверхности капли не превысит внутреннюю силу ее поверхностного натяжения. В этот момент капля разорвется на части, а ее заряд распределится по большей поверхности нескольких более мелких капелек.
Рэлей получил выражение для количества электронов на капле, необходимого для ее разрыва:
где σ – коэффициент поверхностного натяжения
d – диаметр капли
Правильность этой формулы была подтверждена экспериментально
Устойчивость
Под устойчивостью системы понимается способность системы сохранять свои свойства, дисперсионный состав, равномерное распределение частиц по объему.
Есть два вида устойчивости:
1. Молекулярно-кинетическая устойчивость – это устойчивость дисперсной системы по отношению к действию силы тяжести. Она препятствует седиментации и определяется наличием броуновского движения, зависит от степени дисперсности частиц, вязкости среды, температуры.
2. Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять свою степень дисперсности.
Аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Устойчивость аэрозолей является лишь кинетической, термодинамические факторы устойчивости отсутствуют.
К нарушению устойчивости аэрозолей приводят следующие процессы:
седиментация частиц, которая по причине малой вязкости среды протекает быстрее, чем в гидрозолях;
коагуляция частиц, протекающая в газовой среде из-за интенсивного броуновского движения с большой скоростью, которая ещё более возрастает с увеличение концентрации аэрозоля. Ускорению коагуляции способствует повышенная влажность среды;
влияние температуры, особенно на устойчивость туманов, так как их равновесное состояние возможно только при условии, когда давление насыщенного пара дисперсных жидких частиц равно давлению насыщенного пара жидкости, из которой они образованны ( 0). При > 0 идет испарение капель, а при < 0 – конденсация.
а) Испарение
Продолжительность существования аэрозолей ограничивается скоростью испарения отдельных частиц; для данного вещества при постоянной температуре испарение будет происходить с максимальной скоростью в случае, когда окружающий воздух не содержит паров вещества; для вопроса об устойчивость аэрозолей эта максимальная скорость испарения имеет существенное значение.
Если построить графическую зависимость площади поверхности s от времени t для капельки чистого высококипящего вещества, то полученный график сначала приблизительно линеен (ds/dt=const), но затем постепенно отклоняется от оси времени. Причем кривизна тем заметнее, чем меньше частица. То есть, скорость испарения мелких капелек постепенно падает по мере уменьшения их размеров.
Расчеты времени полного испарения капелек важны при сравнении устойчивости различных веществ в аэродисперсном состоянии, но полное испарение частиц маловероятно. Наличие нелетучих примесей, присутствовавших в исходном веществе, или возникших уже в дисперсном состоянии в результате окисления или разложения, или приобретенных при столкновении с частицами пыли в воздухе, может замедлять испарение и даже останавливать его.
Поэтому «время полуиспарения» капли, т.е время, в течение которого капля потеряет за счет испарения половину своей первоначальной массы, оказывается более удобным параметром.
б) Коагуляция
Коагуляция – наиболее важный процесс межчастичного взаимодействия в аэрозолях. Ее надо понимать как эффект слипания, агрегирования первичных частиц в процессе их взаимного движения и парных столкновений (тройные столкновения частиц обычно не учитываются как весьма маловероятные).
Слияние жидких капель называется коалесценцией , для твердых частиц часто используется термин агломерация. Оба эффекта в целом можно характеризовать как агрегацию частиц.
В общем случае под коагуляцией понимают уменьшение степени дисперсности частиц (т.е. их укрупнение) при снижении числовой концентрации частиц.
Рассмотрим теорию коагуляции Смолуховского.
Монодисперсный аэрозоль из сферических частиц, которые первоначально были
равномерно распределены в объеме газа. Они испытывают поступательное броуновское движение, которое приводит к их сближению и столкновениям. Каждое парное столкновение частиц приводит к их слипанию.
Рассматривается
процесс броуновской диффузии частиц
из неограниченного объема газа к одной
неподвижной частице – так называемой
«поглощающей сфере».
В итоге, решение уравнения Смолуховского имеет вид:
Эти уравнения позволяют предсказать изменение числовой концентрации монодисперсных частиц во времени.
Видно, что данный процесс является достаточно медленным, а скорость изменения концентрации частиц сильно зависит от их начальной концентрации.
Зависимость числовой концентрации частиц n от времени для броуновской коагуляции монодисперсного аэрозоля (разные кривые соответствуют различной начальной концентрации частиц)
Оптические свойства
Определяются рассеянием светового потока при прохождении через аэрозоль.
Интенсивность излучения I, рассеянного в данном направлении определенным объемом аэрозоля, становится пропорциональной счетной концентрации частиц n и радиусу частиц в некоторой степени p, т.е. :
Специфические свойства
К особенностям физических свойств аэрозолей, связанным с газообразной дисперсной средой, относятся явления термофореза, фотофореза.
Явление термофореза наблюдается в аэрозолях под влиянием градиента температуры.
Термофорезом называют движение частиц аэрозоля в направлении области более низких температур. Причиной этого служит то, что более нагретую сторону частицы молекулы газа бомбандируют с большей скоростью. Чем менее нагретую. Частица получает импульс для движения в сторону более низкой температуры.
Фотофорезом называют перемещение частиц аэрозоля при одностороннем освещении. Направление движения зависит от многих свойств частиц – размера, формы, прозрачности и т.д.
Фотофорез отсутствует или проявляется очень слабо у веществ, хорошо отражающих свет, например фторида кальция, трехокиси сурьмы, и очень заметно у сильных поглотителей света: сажи, железных опилок.
Если сильнее нагревается сторона частицы, обращенная к источнику света, то благодаря усилившейся бомбардировке этой стороны молекулами окружающего газа частица смещается от источника света – имеет место положительный фотофорез. Если же сильнее будет нагреваться противоположная сторона частицы, то получается обратные эффект – отрицательный фотофорез.
Стоит сказать о роли фотофореза в медицине. Фотофорез лекарств метод, в основе которого лежит одновременное воздействие излучением и лекарственным веществом.
Суть фотофореза: на ограниченный участок кожи (до 80 см 2) наносится около 1 мл р-ра лекарственного вещества и равномерно распределяется по поверхности кожи. Далее этот участок облучают расфокусированным лучом красного или инфракрасного света. Время облучения около 10-20 мин. В основе фотофореза лежит повышение проницаемости кожи под влиянием низкоинтенсивного лазерного излучения и ускорение диффузии лекарств.
Фотофорез имеет большой диапазон воздействия на организм. Он способен повышать повышать иммунитет, увеличивать выработку антител, усиливать клеточный обмен, синтез коллагена и эластина, улучшать микроциркуляцию крови и лимфы, усиливать проникновение питательных веществ в глубину кожи, нормализовать АД и т.д.
Методы получения аэрозолей
Аэрозоли образуются при взрывах, дроблении и распылении веществ, а так же в процессах конденсации при охлаждении перенасыщенных паров воды и органических жидкостей.
Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены двумя разными путями:
из грубо-дисперсных систем (диспергационные методы),
из истинных растворов (конденсационные методы).
Конденсационный метод .
Связан с образованием в гомогенной системе новой фазы. Обязательным условием ее образования является наличие пересыщенного пара, конденсация которого и приводит к образованию частиц дисперсной фазы.
Объемная конденсация пересыщенного пара может происходить в трех случаях:
*при адиабатическом расширении (образование облака);
*при смешении паров и газов, имеющих разные температуры (образование атмосферных туманов);
*при охлаждении газовой смеси.
Кроме того, конденсационный аэрозоль может образовываться в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов:
при сгорании топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочного дыма;
при сгорании фосфора на воздухе образуется белый дым (Р 2 О 5);
при взаимодействии газообразных NH 3 и НСl образуется дым МН 4 Сl (тв);
окисление металлов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химических процессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидов металлов.
Особенность конденсации продуктов химических реакций – возможность каталитического действия конденсированных частиц на превращение исходных веществ.
Диспергационный метод.
Диспергационные аэрозоли образуются при измельчении (распылении) твердых и жидких тел в газовой среде и при переходе порошкообразных веществ во взвешенных состояниях при действии воздушных потоков.
Распыление твердых тел происходит в две стадии:
измельчение
распыление.
Среди методов распыления жидкостей различают следующие:
1. Пневматическое (или аэродинамическое)распыление;
2. Гидравлическое (или гидродинамическое) распыление;
3. Центробежное распыление;
4. Прочие методы (электростатическое, акустическое, с помощью пропеллентов и другие)
Перевод вещества в состояние аэрозоля должен быть осуществлен в момент применения аэрозоля, так как в отличие от других дисперсных систем (эмульсий, суспензий), аэрозоли нельзя приготовить заранее. В бытовых условиях почти единственным средством получения жидких и порошкообразных аэрозолей является устройство, называемое «аэрозольной упаковкой», вещество в нем упаковывается под давлением и распыляется при помощи сжиженных или сжатых газов.
Самобалансирующийся волчок Уолтона и Пруэтта.
Приводится в действие сжатым воздухом (вход справа), угловая скорость вращения – несколько тысяч оборотов в секунду, радиальное ускорение – порядка миллиона g. Жидкость подается сверху из узкой трубки (3) в центр ротора (2) и растекается на его поверхности в виде тонкой пленки. Капли отрываются от конуса ротора, тонокодисперсный туман выходит в зазор между вращающимся ротором и корпусом волчка.
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.
