Аэрозоли

Аэрозоль — это дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде (обычно в воздухе) твёрдых или жидких частиц. Аэрозоли относятся к коллоидным системам, где дисперсионной средой является газ, а дисперсной фазой — частицы размером от 1 нанометра до 100 микрометров. К аэрозолям относятся туманы, дымы, пыли, облака, а также искусственные продукты — от дезодорантов до ингаляторов.

Классификация аэрозолей

Аэрозоли классифицируются по нескольким признакам: агрегатному состоянию дисперсной фазы, способу образования и размеру частиц.

По агрегатному состоянию дисперсной фазы

• Туманы — аэрозоли с жидкой дисперсной фазой. Образуются при конденсации пара или распылении жидкости. Примеры: облака, туман, пар над кипящей водой, аэрозольные баллончики с жидкостью.
• Дымы — аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой, образующиеся при неполном сгорании или возгонке твёрдых веществ. Частицы дыма имеют размер от 0,01 до 1 мкм. Примеры: дым от костра, табачный дым, выхлопные газы.
• Пыли — аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой, образующиеся при механическом измельчении твёрдых тел. Частицы пыли крупнее, чем у дыма (от 1 до 100 мкм). Примеры: цементная пыль, мучная пыль, пыльца растений.

По способу образования

• Диспергационные — образуются при распылении жидкостей или измельчении твёрдых тел (например, работа пульверизатора, ветровая эрозия почвы).
• Конденсационные — образуются при конденсации паров или химических реакциях в газовой фазе (например, образование облаков, фотохимический смог).

По размеру частиц

• Грубодисперсные — частицы размером более 10 мкм. Быстро оседают под действием гравитации.
• Мелкодисперсные — частицы размером от 0,1 до 10 мкм. Могут длительно находиться в воздухе во взвешенном состоянии.
• Ультрадисперсные (наноаэрозоли) — частицы размером менее 0,1 мкм. Обладают высокой диффузионной способностью и проникают в лёгочные альвеолы.

Физические свойства аэрозолей

Основными физическими свойствами аэрозолей являются дисперсность, концентрация, оптические и электрические характеристики.

• Дисперсность — степень раздробленности вещества. Чем меньше частицы, тем выше дисперсность и тем дольше аэрозоль сохраняет устойчивость.
• Концентрация — количество частиц в единице объёма (числовая концентрация) или масса частиц в единице объёма (массовая концентрация). Измеряется в мг/м³ или частицах/см³.
• Оптические свойства — аэрозоли рассеивают и поглощают свет. Явление рассеяния света на мелких частицах объясняет голубой цвет неба (рассеяние Рэлея) и белый цвет облаков (рассеяние Ми).
• Электрические свойства — частицы аэрозолей могут нести электрический заряд, что влияет на их коагуляцию и осаждение.

Применение аэрозолей

Аэрозоли широко используются в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и быту.

Промышленность

• Пневматическое распыление — нанесение красок, лаков, покрытий с помощью краскопультов.
• Пожаротушение — использование водяных и пенных аэрозолей для тушения пожаров.
• Очистка газов — применение электрофильтров для улавливания пыли и дыма.
• Производство порошков — распылительная сушка для получения сухих порошков (молоко, кофе, моющие средства).

Медицина

• Ингаляционная терапия — доставка лекарственных препаратов в дыхательные пути с помощью небулайзеров и дозированных аэрозольных ингаляторов (например, для лечения астмы).
• Дезинфекция — распыление дезинфицирующих средств для обработки помещений.
• Вакцинация — разрабатываются аэрозольные вакцины для иммунизации через дыхательные пути.

Сельское хозяйство

• Опрыскивание — нанесение пестицидов, гербицидов и удобрений на поля с помощью авиационной и наземной техники.
• Искусственное вызывание осадков — распыление йодистого серебра или сухого льда в облаках для стимуляции дождя.

Бытовая химия

• Аэрозольные баллончики — дезодоранты, лаки для волос, освежители воздуха, краски, средства от насекомых. В качестве пропеллента (вытесняющего газа) ранее использовались хлорфторуглероды (фреоны), которые разрушают озоновый слой. С 1990-х годов в большинстве стран они заменены на углеводороды (пропан, бутан) и сжатые газы (азот, углекислый газ).

Аэрозоли и экология

Аэрозоли играют важную роль в климатических процессах и загрязнении окружающей среды.

• Парниковый эффект — некоторые аэрозоли (сажа) поглощают солнечное излучение и нагревают атмосферу. Другие (сульфатные аэрозоли) отражают солнечный свет и вызывают охлаждение.
• Образование облаков — аэрозольные частицы служат ядрами конденсации для водяного пара. Увеличение концентрации аэрозолей может приводить к образованию более мелких и долгоживущих облаков, что влияет на осадки.
• Смог — фотохимический смог образуется при взаимодействии выхлопных газов автомобилей с солнечным светом, в результате чего образуются мелкодисперсные аэрозоли, опасные для здоровья.
• Влияние на здоровье — мелкодисперсные частицы (PM2.5 и PM10) проникают в лёгкие и могут вызывать респираторные и сердечно-сосудистые заболевания. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) относит загрязнение воздуха аэрозолями к числу основных факторов риска для здоровья.

Интересные факты

• Самый распространённый природный аэрозоль — облака. Они состоят из капель воды или кристаллов льда размером от 1 до 100 мкм.
• Вулканические извержения выбрасывают в стратосферу огромные количества аэрозолей (сернистый газ, пепел), которые могут вызывать глобальное похолодание на несколько лет.
• Аэрозольные баллончики были изобретены в 1920-х годах в Норвегии, но массовое производство началось только после Второй мировой войны.
• В космосе аэрозоли встречаются в виде межзвёздной пыли, которая состоит из частиц углерода и силикатов.

Источники

• Петрянов-Соколов И. В., Сутугин А. Г. «Аэрозоли» // Большая советская энциклопедия, 3-е издание.
• Фукс Н. А. «Механика аэрозолей». — М.: Издательство АН СССР, 1955.
• Хинд У. «Аэрозоли: введение в теорию и применение». — М.: Мир, 1973.
• Всемирная организация здравоохранения. «Загрязнение воздуха и здоровье». — Женева, 2021.
• IPCC (Межправительственная группа экспертов по изменению климата). «Аэрозоли и климат». — Доклад AR6, 2021.