Аэрозоль

Суспензия мелких твердых частиц или капель жидкости в воздухе или другом газе

Туман и туман - это аэрозоли.

Аэрозоль — это суспензия мелких твердых частиц или капель жидкости в воздухе или другом газе . ^[1] Аэрозоли могут быть природными и антропогенными . Термин «аэрозоль» обычно относится к смеси твердых частиц и воздуха, а не только к твердым частицам. ^[2] Примерами природных аэрозолей являются туман или дымка , пыль , лесные экссудаты и пар гейзеров . Примеры антропогенных аэрозолей включают твердые загрязнители воздуха , туман от сбросов на плотинах гидроэлектростанций , оросительный туман , духи из распылителей , дым , пыль , пар от чайника, распыляемые пестициды и средства лечения респираторных заболеваний. ^[3] Когда человек вдыхает содержимое вейп-ручки или электронной сигареты , он вдыхает антропогенный аэрозоль. ^[4]

Жидкие или твердые частицы в аэрозоле обычно имеют диаметр менее 1 мкм (более крупные частицы со значительной скоростью осаждения превращают смесь в суспензию , но различие не является четким). В общем разговоре под аэрозолем часто понимают систему дозирования , которая доставляет потребительский продукт из баллончика.

Болезни могут распространяться посредством небольших капель в дыхании , ^[5] иногда называемых биоаэрозолями . ^[6]

Определения

Микрофотография , сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ): частицы летучей золы при 2000-кратном увеличении. Большинство частиц в этом аэрозоле имеют почти сферическую форму.

Аэрозольный баллончик

Аэрозоль определяется как суспензионная система твердых или жидких частиц в газе. Аэрозоль включает в себя как частицы, так и суспендирующий газ, которым обычно является воздух. ^[1] Метеорологи обычно называют их частицами — PM2,5 или PM10, в зависимости от их размера. ^[7] Фредерик Г. Доннан, предположительно , впервые использовал термин « аэрозоль» во время Первой мировой войны для описания аэрораствора , облаков микроскопических частиц в воздухе. Этот термин возник аналогично термину гидрозоль — коллоидная система с водой в качестве дисперсной среды. ^[8] Первичные аэрозоли содержат частицы, вносимые непосредственно в газ; вторичные аэрозоли образуются в результате преобразования газа в частицы. ^[9]

Ключевые группы аэрозолей включают сульфаты, органический углерод, черный углерод, нитраты, минеральную пыль и морскую соль. Обычно они слипаются вместе, образуя сложную смесь. ^[7] Различные типы аэрозолей, классифицированные в зависимости от физической формы и способа их образования, включают пыль, дым, туман, дым и туман. ^[10]

Существует несколько мер концентрации аэрозоля. В науках об окружающей среде и гигиене окружающей среды часто используется массовая концентрация ( M ), определяемая как масса твердых частиц на единицу объема, в таких единицах, как мкг/м ³ . Также обычно используется числовая концентрация ( N ), количество частиц в единице объема, в таких единицах, как количество на м ³ или количество на см ³ . ^[11]

Размер частиц оказывает большое влияние на свойства частиц, а радиус или диаметр аэрозольных частиц ( d _p ) является ключевым свойством, используемым для характеристики аэрозолей.

Аэрозоли различаются по своей дисперсности . Монодисперсный аэрозоль, изготавливаемый в лаборатории, содержит частицы одинакового размера . Однако большинство аэрозолей, представляющих собой полидисперсные коллоидные системы, имеют частицы разного размера. ^[9] Капли жидкости почти всегда имеют почти сферическую форму, но ученые используют эквивалентный диаметр для характеристики свойств твердых частиц различной формы, некоторые из которых очень неправильны. Эквивалентный диаметр — это диаметр сферической частицы с тем же значением некоторого физического свойства, что и у частицы неправильной формы. ^[12] Эквивалентный объемный диаметр ( d _e ) определяется как диаметр сферы того же объема, что и неправильная частица. ^[13] Также широко используется аэродинамический диаметр  d _a .

Генерация и приложения

Люди производят аэрозоли для различных целей, в том числе:

• в качестве тестовых аэрозолей для калибровки приборов, проведения исследований, испытаний оборудования для отбора проб и воздушных фильтров; ^[14]
• доставлять дезодоранты , краски и другие потребительские товары в спреях; ^[15]
• для рассредоточения и сельскохозяйственного применения
• для лечения респираторных заболеваний ; ^[16] и
• в системах впрыска топлива и других технологиях сгорания . ^[17]

Некоторые устройства для генерации аэрозолей: ^[3]

• Аэрозоль
• Насадка-распылитель или небулайзер
• Электроспрей
• Электронная сигарета
• Генератор аэрозолей с вибрирующим отверстием (VOAG)

В атмосфере

Аэрозольное загрязнение над северной Индией и Бангладеш

Обзор больших облаков аэрозолей вокруг Земли (зеленый: дым, синий: соль, желтый: пыль, белый: серная кислота)

На климат Земли существенное влияние оказывают несколько типов атмосферных аэрозолей: вулканическая, пустынная пыль, морская соль, происходящие из биогенных источников и антропогенные. Вулканический аэрозоль образуется в стратосфере после извержения в виде капель серной кислоты , которые могут преобладать до двух лет и отражать солнечный свет, понижая температуру. Пустынная пыль, минеральные частицы, переносимые на большие высоты, поглощают тепло и могут быть ответственны за подавление образования грозовых облаков. На поведение облаков влияют искусственные сульфатные аэрозоли , в первую очередь образующиеся в результате сжигания нефти и угля. ^[18]

Хотя все гидрометеоры , твердые и жидкие, можно охарактеризовать как аэрозоли, обычно различают такие дисперсии (т.е. облака), содержащие активированные капли и кристаллы, и аэрозольные частицы. Атмосфера Земли содержит аэрозоли различных типов и концентраций, в том числе в количествах:

• натуральные неорганические материалы: мелкая пыль, морская соль или капли воды.
• натуральные органические материалы: дым, пыльца , споры или бактерии.
• антропогенные продукты сгорания, такие как: дым, пепел или пыль

Аэрозоли можно обнаружить в городских экосистемах в различных формах, например:

• Пыль
• Сигаретный дым
• Туман из аэрозольных баллончиков
• Сажа или дым в выхлопе автомобиля

Присутствие аэрозолей в атмосфере Земли может влиять на ее климат, а также на здоровье человека.

Последствия

Аэрозоли оказывают охлаждающий эффект, который невелик по сравнению с радиационным воздействием (эффектом потепления) парниковых газов. ^[19]

• Извержения вулканов выбрасывают в атмосферу большое количество серной кислоты , сероводорода и соляной кислоты . Эти газы представляют собой аэрозоли и в конечном итоге возвращаются на землю в виде кислотных дождей , оказывая ряд неблагоприятных последствий на окружающую среду и жизнь человека. ^[20]
• Аэрозоли взаимодействуют с энергетическим балансом Земли двумя способами: прямо и косвенно.

Например, прямым эффектом является то, что аэрозоли рассеивают и поглощают поступающую солнечную радиацию. ^[21] Это в основном приведет к охлаждению поверхности (солнечное излучение рассеивается обратно в космос), но может также способствовать потеплению поверхности (вызванному поглощением поступающей солнечной энергии). ^[22] Это станет дополнительным элементом парникового эффекта и, следовательно, будет способствовать глобальному изменению климата. ^[23]

Косвенные эффекты относятся к воздействию аэрозоля на образования, непосредственно взаимодействующие с радиацией. Например, они способны изменять размер частиц облаков в нижних слоях атмосферы, тем самым изменяя способ отражения и поглощения света облаками и, следовательно, изменяя энергетический баланс Земли. ^[20]

Есть основания полагать, что антропогенные аэрозоли фактически компенсируют воздействие парниковых газов в некоторых районах, поэтому в Северном полушарии наблюдается более медленное приземное потепление, чем в Южном полушарии, хотя это всего лишь означает, что Северное полушарие будет поглощать тепло позже через океанские течения. приносящие теплые воды с юга. ^[24] Однако в глобальном масштабе аэрозольное охлаждение снижает нагрев, вызванный парниковыми газами, не компенсируя его полностью. ^[25]

• Когда аэрозоли поглощают загрязняющие вещества, это способствует их осаждению на поверхность земли, а также в водоемы. ^[23] Это может нанести ущерб как окружающей среде, так и здоровью человека.
• Аэрозоли в диапазоне 20 мкм демонстрируют особенно длительное время стойкости в помещениях с кондиционированием воздуха из-за их поведения «реактивного гонщика» (перемещаются вместе с воздушными струями, выпадают под действием силы тяжести в медленно движущемся воздухе); ^[26] поскольку аэрозоли такого размера наиболее эффективно адсорбируются в носу человека, ^[27] первичном очаге инфекции при COVID-19 , такие аэрозоли могут способствовать пандемии.
• Аэрозольные частицы с эффективным диаметром менее 10 мкм могут проникать в бронхи, а с эффективным диаметром менее 2,5 мкм — до области газообмена в легких ^[28] , что может быть опасным для здоровья человека.

Распределение размеров

То же самое гипотетическое логарифмически нормальное распределение аэрозоля, нанесенное сверху вниз в виде распределения числа в зависимости от диаметра, распределения площади поверхности в зависимости от диаметра и распределения объема в зависимости от диаметра. Типичные названия режимов показаны вверху. Каждое распределение нормализовано так, чтобы общая площадь составляла 1000.

Для монодисперсного аэрозоля достаточно одного числа — диаметра частиц — для описания размера частиц. Однако более сложные распределения частиц по размерам описывают размеры частиц в полидисперсном аэрозоле. Это распределение определяет относительное количество частиц, отсортированных по размеру. ^[29] Один из подходов к определению распределения частиц по размерам использует список размеров каждой частицы в образце. Однако этот подход оказывается утомительным для проверки в аэрозолях с миллионами частиц и неудобным в использовании. Другой подход разбивает диапазон размеров на интервалы и определяет количество (или пропорцию) частиц в каждом интервале. Эти данные могут быть представлены в виде гистограммы , где площадь каждого столбца представляет долю частиц в контейнере этого размера, обычно нормируемую путем деления количества частиц в контейнере на ширину интервала, чтобы площадь каждого столбца была пропорциональна. количеству частиц в диапазоне размеров, который он представляет. ^[30] Если ширина интервалов стремится к нулю , функция частоты имеет вид: ^[31]

${\displaystyle \mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

где

${\displaystyle d_{p}}$диаметр частиц

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$представляет собой долю частиц, имеющих диаметры от и + ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$это функция частоты

Следовательно, площадь под кривой частоты между двумя размерами a и b представляет собой общую долю частиц в этом диапазоне размеров: ^[31]

${\displaystyle f_{ab}=\int _{a}^{b}f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

Его также можно сформулировать в терминах полной плотности числа N : ^[32]

${\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

Если предположить, что аэрозольные частицы имеют сферическую форму, то площадь поверхности аэрозоля на единицу объема ( S ) определяется вторым моментом : ^[32]

${\displaystyle S=\pi /2\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}}$

А третий момент дает общую объемную концентрацию ( V ) частиц: ^[32]

${\displaystyle V=\pi /6\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}}$

Распределение частиц по размерам может быть аппроксимировано. Нормальное распределение обычно плохо описывает распределение частиц по размерам в аэрозолях из-за асимметрии, связанной с длинным хвостом более крупных частиц. Кроме того, для количества, которое варьируется в широком диапазоне, как это происходит со многими размерами аэрозолей, ширина распределения подразумевает отрицательные размеры частиц, что физически нереалистично. Однако нормальное распределение может быть подходящим для некоторых аэрозолей, таких как тестовые аэрозоли, некоторые пыльцевые зерна и споры . ^[33]

Более широко выбранное логнормальное распределение дает частоту чисел как: ^[33]

${\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(ln(d_{p})-{\bar {d_{p}}})^{2}}{2\sigma ^{2}}}}\mathrm {d} d_{p}}$

где:

${\displaystyle \sigma }$- стандартное отклонение распределения по размерам и

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$– средний арифметический диаметр.

Логнормальное распределение не имеет отрицательных значений, может охватывать широкий диапазон значений и достаточно хорошо соответствует многим наблюдаемым распределениям размеров. ^[34]

Другие распределения, которые иногда используются для характеристики размера частиц, включают: распределение Канифоли-Раммлера , применяемое к крупнодисперсной пыли и аэрозолям; распределение Нукиямы-Танасавы для аэрозолей чрезвычайно широкого диапазона размеров; распределение степенной функции , иногда применяемое к атмосферным аэрозолям; экспоненциальное распределение , применяемое к порошкообразным материалам; для облачных капель – распределение Хргяна–Мазина. ^[35]

Физика

Конечная скорость частицы в жидкости

Для низких значений числа Рейнольдса (<1), верных для большинства движений аэрозоля, закон Стокса описывает силу сопротивления твердой сферической частицы в жидкости. Однако закон Стокса справедлив только тогда, когда скорость газа на поверхности частицы равна нулю. Однако для мелких частиц (< 1 мкм), характерных для аэрозолей, это предположение неверно. Чтобы объяснить эту неудачу, можно ввести поправочный коэффициент Каннингема , всегда больший 1. Включая этот коэффициент, можно найти связь между силой сопротивления, действующей на частицу, и ее скоростью: ^[36]

${\displaystyle F_{D}={\frac {3\pi \eta Vd}{C_{c}}}}$

где

${\displaystyle F_{D}}$- сила сопротивления, действующая на сферическую частицу

${\displaystyle \eta }$- динамическая вязкость газа

${\displaystyle V}$скорость частицы

${\displaystyle C_{c}}$– поправочный коэффициент Каннингема.

Это позволяет нам рассчитать конечную скорость частицы, претерпевающей гравитационное осаждение в неподвижном воздухе. Пренебрегая эффектами плавучести , находим: ^[37]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}}$

где

${\displaystyle V_{TS}}$- конечная скорость осаждения частицы.

Конечная скорость также может быть получена для других видов сил. Если закон Стокса справедлив, то сопротивление движению прямо пропорционально скорости. Константа пропорциональности – это механическая подвижность ( B ) частицы: ^[38]

${\displaystyle B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}}$

Частица, движущаяся с любой разумной начальной скоростью, приближается к своей конечной скорости экспоненциально со временем e -свертывания, равным времени релаксации: ^[39]

${\displaystyle V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}}$

где:

${\displaystyle V(t)}$скорость частицы в момент времени t

${\displaystyle V_{f}}$конечная скорость частицы

${\displaystyle V_{0}}$- начальная скорость частицы

Чтобы учесть влияние формы несферических частиц, к закону Стокса применяется поправочный коэффициент, известный как коэффициент динамической формы . Она определяется как отношение силы сопротивления нерегулярной частицы к силе сопротивления сферической частицы с тем же объемом и скоростью: ^[13]

${\displaystyle \chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}}$

где:

${\displaystyle \chi }$- динамический коэффициент формы

Аэродинамический диаметр

Аэродинамический диаметр частицы неправильной формы определяется как диаметр сферической частицы с плотностью 1000 кг/м ³ и той же скоростью осаждения, что и частица неправильной формы. ^[40]

Если пренебречь поправкой на скольжение, то частица оседает с конечной скоростью, пропорциональной квадрату аэродинамического диаметра d a _: [ ^40]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}}$

где

${\displaystyle \ \rho _{0}}$= стандартная плотность частиц (1000 кг/м ³ ).

Это уравнение дает аэродинамический диаметр: ^[41]

${\displaystyle d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}}$

Можно применить аэродинамический диаметр к частицам загрязняющих веществ или к вдыхаемым лекарствам, чтобы предсказать, где в дыхательных путях откладываются такие частицы. Фармацевтические компании обычно используют аэродинамический диаметр, а не геометрический диаметр, для характеристики частиц в ингаляционных лекарствах. ^{[ нужна цитата ]}

Динамика

Предыдущее обсуждение было сосредоточено на одиночных аэрозольных частицах. Напротив, динамика аэрозолей объясняет эволюцию полных популяций аэрозолей. Концентрации частиц будут меняться со временем в результате многих процессов. Внешние процессы, которые перемещают частицы за пределы исследуемого объема газа, включают диффузию , гравитационное осаждение, а также электрические заряды и другие внешние силы, вызывающие миграцию частиц. Второй набор процессов, внутренних для данного объема газа, включает образование частиц (зародышеобразование), испарение, химическую реакцию и коагуляцию. ^[42]

Дифференциальное уравнение , называемое общим динамическим уравнением аэрозоля (GDE), характеризует эволюцию плотности частиц в аэрозоле вследствие этих процессов. ^[42]

${\displaystyle {\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}=-\nabla \cdot n_{i}\mathbf {q} +\nabla \cdot D_{p}\nabla _{i}n_{i}+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {growth} }+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {coag} }-\nabla \cdot \mathbf {q} _{F}n_{i}}$

Изменение во времени = Конвективный транспорт + броуновская диффузия + взаимодействие газа с частицами + коагуляция + миграция под действием внешних сил.

Где:

${\displaystyle n_{i}}$– плотность частиц размерной категории ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$скорость частицы

${\displaystyle D_{p}}$- коэффициент диффузии Стокса-Эйнштейна для частиц

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$скорость частицы, связанная с внешней силой

Коагуляция

Когда частицы и капли в аэрозоле сталкиваются друг с другом, они могут подвергаться слиянию или агрегации. Этот процесс приводит к изменению гранулометрического состава аэрозоля, при этом мода увеличивается в диаметре по мере уменьшения общего числа частиц. ^[43] Иногда частицы могут рассыпаться на множество более мелких частиц; однако этот процесс обычно происходит преимущественно с частицами, слишком крупными, чтобы их можно было рассматривать как аэрозоли.

Режимы динамики

Число Кнудсена частицы определяет три различных динамических режима, которые определяют поведение аэрозоля:

${\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}$

где – длина свободного пробега взвешенного газа, – диаметр частицы. ^[44] Для частиц в свободномолекулярном режиме K _n >> 1; частицы малы по сравнению со средней длиной свободного пробега суспендирующего газа. ^[45] В этом режиме частицы взаимодействуют с взвешенным газом посредством серии «баллистических» столкновений с молекулами газа. По существу, они ведут себя аналогично молекулам газа, стремясь следовать линиям тока и быстро диффундируя посредством броуновского движения. Уравнение массового потока в свободномолекулярном режиме имеет вид: ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle I={\frac {\pi a^{2}}{k_{b}}}\left({\frac {P_{\infty }}{T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{T_{A}}}\right)\cdot C_{A}\alpha }$

где a — радиус частицы, P _∞ и PA _— давления вдали от капли и на поверхности капли соответственно, k _b — постоянная Больцмана, T — температура, CA _— средняя тепловая скорость и α — масса коэффициент размещения. ^{[ нужна цитата ]} Вывод этого уравнения предполагает постоянное давление и постоянный коэффициент диффузии.

Частицы находятся в режиме континуума , когда K _n << 1. ^[45] В этом режиме частицы велики по сравнению со средней длиной свободного пробега суспендирующего газа, а это означает, что суспендирующий газ действует как непрерывная жидкость, обтекающая частицу. ^[45] Молекулярный поток в этом режиме составляет:

${\displaystyle I_{cont}\sim {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)}$

где a — радиус частицы A , MA _— молекулярная масса частицы A , D _AB — коэффициент диффузии между частицами A и B , R — постоянная идеального газа, T — температура (в абсолютных единицах, таких как кельвины ), а P _A∞ и P _AS — давления на бесконечности и на поверхности соответственно. ^{[ нужна цитата ]}

Переходный режим содержит все частицы, находящиеся между свободномолекулярным режимом и режимом континуума, или K _n ≈ 1. Силы, испытываемые частицей, представляют собой сложную комбинацию взаимодействий с отдельными молекулами газа и макроскопических взаимодействий. Полуэмпирическое уравнение, описывающее массовый поток:

${\displaystyle I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}}$

где I _cont — поток массы в непрерывном режиме. ^{[ нужна цитата ]} Эта формула называется интерполяционной формулой Фукса-Сутугина. Эти уравнения не учитывают эффект тепловыделения.

Разделение

Конденсация и испарение

Теория разделения аэрозолей регулирует конденсацию и испарение с поверхности аэрозоля соответственно. Конденсация массы приводит к увеличению режима гранулометрического состава аэрозоля; и наоборот, испарение приводит к уменьшению моды. Нуклеация — это процесс образования аэрозольной массы в результате конденсации газообразного предшественника, в частности пара . Чистая конденсация пара требует пересыщения, парциального давления, превышающего давление пара . Это может произойти по ^{трем причинам :}

1. Понижение температуры системы снижает давление пара.
2. Химические реакции могут увеличивать парциальное давление газа или понижать давление его паров.
3. Добавление дополнительного пара в систему может снизить равновесное давление пара в соответствии с законом Рауля .

Существует два типа процессов нуклеации. Газы преимущественно конденсируются на поверхностях ранее существовавших аэрозольных частиц, что известно как гетерогенная нуклеация . Этот процесс приводит к увеличению диаметра в режиме гранулометрического состава при постоянной числовой концентрации. ^[46] При достаточно высоком пересыщении и отсутствии подходящих поверхностей частицы могут конденсироваться в отсутствие ранее существовавшей поверхности, что известно как гомогенная нуклеация . Это приводит к добавлению очень мелких, быстро растущих частиц к распределению частиц по размерам. ^[46]

Активация

Вода покрывает частицы аэрозолей, активируя их , обычно в контексте образования капель облаков (например, естественное засеивание облаков аэрозолями с деревьев в лесу). ^[47] Следуя уравнению Кельвина (основанному на кривизне капель жидкости), более мелким частицам для поддержания равновесия требуется более высокая относительная влажность окружающей среды , чем более крупным частицам. Следующая формула дает относительную влажность в равновесии:

${\displaystyle RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%}$

где — давление насыщенного пара над частицей в равновесии (вокруг изогнутой капли жидкости), p ₀ — давление насыщенного пара (плоская поверхность той же жидкости), а S — степень насыщения. ${\displaystyle p_{s}}$

Уравнение Кельвина для давления насыщенного пара над искривленной поверхностью:

${\displaystyle \ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}}$

где радиус капли r _p , поверхностное натяжение капли σ , плотность жидкости ρ , молярная масса M , температура T и молярная газовая постоянная R.

Решение общего динамического уравнения

Общего решения общего динамического уравнения (ОДУ) не существует ; ^[48] ​​Общие методы, используемые для решения общего динамического уравнения, включают: ^[49]

• Метод моментов ^[50]
• Модальный/секционный метод, ^[51] и
• Квадратурный метод моментов ^{[52] [53]} / метод разложения моментов в ряд Тейлора, ^{[54] [55]} и
• Метод Монте-Карло. ^[56]

Обнаружение

Аэрозоль можно измерять либо на месте , либо с помощью методов дистанционного зондирования .

Наблюдения на месте

Некоторые доступные методы измерения на месте включают:

• Аэрозольный масс-спектрометр (АМС)
• Анализатор дифференциальной подвижности (DMA)
• Электрический аэрозольный спектрометр (ЭАС)
• Аэродинамический прибор для определения размера частиц (APS)
• Аэродинамический классификатор аэрозолей (ААС)
• Спектрометр частиц широкого диапазона (WPS)
• Импактор для равномерного наложения микроотверстий (MOUDI)
• Счетчик частиц конденсата (СПК)
• Эпифаниометр
• Электрический ударник низкого давления (ELPI)
• Масс-анализатор аэрозольных частиц (АПМ)
• Центробежный масс-анализатор частиц (CPMA)

Подход дистанционного зондирования

Подходы дистанционного зондирования включают в себя:

• Солнечный фотометр
• Лидар
• Визуализирующая спектроскопия

Выборочная выборка по размеру

Частицы могут откладываться в носу , рту , глотке и гортани (область дыхательных путей), глубже в дыхательных путях (от трахеи до конечных бронхиол ) или в альвеолярной области . ^[57] Место осаждения аэрозольных частиц в дыхательной системе во многом определяет последствия воздействия таких аэрозолей на здоровье. ^[57] Это явление побудило людей изобрести пробоотборники аэрозолей, которые отбирают подмножество аэрозольных частиц, достигающих определенных частей дыхательной системы. ^[58]

Примеры этих подмножеств распределения частиц аэрозоля по размерам, важных для гигиены труда, включают вдыхаемые, торакальные и вдыхаемые фракции. Фракция, которая может попасть в каждый отдел дыхательной системы, зависит от осаждения частиц в верхних отделах дыхательных путей. ^[59] Вдыхаемая фракция частиц, определяемая как доля частиц, первоначально находящихся в воздухе, которые могут попасть в нос или рот, зависит от скорости и направления внешнего ветра, а также от распределения частиц по размерам по аэродинамическому диаметру. ^[60] Грудная фракция представляет собой долю частиц окружающего аэрозоля, которые могут достичь грудной клетки или области грудной клетки. ^[61] Вдыхаемая фракция — это доля частиц в воздухе, которые могут достичь альвеолярной области. ^[62] Для измерения вдыхаемой фракции частиц в воздухе используется предварительный коллектор с фильтром для отбора проб. Предварительный коллектор исключает частицы, поскольку дыхательные пути удаляют частицы из вдыхаемого воздуха. Фильтр отбора проб собирает частицы для измерения. Для предварительного коллектора обычно используют циклонную сепарацию , но другие методы включают в себя ударные установки, горизонтальные элютриаторы и мембранные фильтры с большими порами . ^[63]

Двумя альтернативными критериями выбора размера, часто используемыми при мониторинге атмосферы, являются PM ₁₀ и PM _2,5 . PM ₁₀ определяется ISO как частицы, которые проходят через селективный по размеру впускной канал с отсечкой эффективности 50 % при аэродинамическом диаметре 10 мкм, а PM _2,5 — как частицы, которые проходят через селективный по размеру впускной канал с отсечкой эффективности 50 %. при аэродинамическом диаметре 2,5 мкм . PM ₁₀ соответствует «торакальной конвенции», как определено в ISO 7708:1995, раздел 6; PM _2,5 соответствует «конвенции о вдыхаемых веществах высокого риска», как это определено в ISO 7708:1995, 7.1. ^[64] Агентство по охране окружающей среды США заменило старые стандарты для твердых частиц, основанные на общем количестве взвешенных частиц, на другой стандарт, основанный на PM _10, в 1987 году ^[65] , а затем ввело стандарты для PM _2,5 (также известных как мелкие твердые частицы) в 1997 году. ^[66 ]

Смотрите также

• Аэрогель
• Аэропланктон
• Аэрозольная передача
• Биоаэрозоль
• Осаждение (аэрозольная физика)
• Глобальное затемнение
• Распылитель
• Монотерпен
• Впрыск стратосферного аэрозоля

Рекомендации

1. Hinds 1999, с. 3.
2. Сейнфельд Дж., Пандис С. (1998). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons . п. 97. ИСБН 978-0-471-17816-3.
3. Хиди 1984, с. 254.
4. «Табак: электронные сигареты». www.who.int . Проверено 24 августа 2021 г.
5. Хунцикер, Патрик (01 октября 2021 г.). «Минимизация воздействия респираторных капель, «реактивных пассажиров» и аэрозолей в больничных палатах с кондиционированием воздуха с помощью стратегии «Щит и раковина». БМЖ Опен . 11 (10): e047772. doi : 10.1136/bmjopen-2020-047772. ISSN  2044-6055. ПМЦ 8520596 . ПМИД  34642190. 
6. Фуллер, Джоанна Котчер (31 января 2017 г.). Хирургические технологии – Электронная книга: Принципы и практика. Elsevier Науки о здоровье. ISBN 978-0-323-43056-2.
7. «Аэрозоли: крошечные частицы, большое воздействие». Earthobservatory.nasa.gov . 2 ноября 2010 г.
8. Хиди 1984, с. 5.
9. Hinds 1999, с. 8.
10. Колбек и Лазаридис 2014, с. Ч. 1.1.
11. Хиндс 1999, стр. 10–11.
12. Хиндс 1999, с. 10.
13. Hinds 1999, с. 51.
14. Хиндс 1999, с. 428.
15. Хиди 1984, с. 255.
16. Хиди 1984, с. 274.
17. Хиди 1984, с. 278.
18. «Атмосферные аэрозоли: что это такое и почему они так важны?» Исследовательский центр НАСА в Лэнгли. 22 апреля 2008 г. Проверено 27 декабря 2014 г.
19. Форстер, Пирс М.; Смит, Кристофер Дж.; Уолш, Тристрам; Лэмб, Уильям Ф.; и другие. (2023). «Индикаторы глобального изменения климата 2022: ежегодное обновление крупномасштабных индикаторов состояния климатической системы и влияния человека» (PDF) . Данные науки о системе Земли . Программа «Коперник». 15 (6): 2295–2327. Бибкод : 2023ESSD...15.2295F. дои : 10.5194/essd-15-2295-2023 .Рис. 2(а).
20. Аллен, Боб. «Атмосферные аэрозоли: что это такое и почему они так важны?». НАСА . Проверено 8 июля 2014 г.
21. Хайвуд, Элли (05 сентября 2018 г.). «Аэрозоли и климат». Королевское метеорологическое общество . Проверено 7 октября 2019 г.
22. «Пятый оценочный отчет - Изменение климата, 2013 г.» . www.ipcc.ch. _ Проверено 7 февраля 2018 г.
23. Коммалапати, Рагхава Р.; Валсарадж, Каллиат Т. (2009). Атмосферные аэрозоли: характеристика, химия, моделирование и климат . Том. 1005. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. стр. 1–10. дои : 10.1021/bk-2009-1005.ch001. ISBN 978-0-8412-2482-7.
24. Антропогенные аэрозоли, парниковые газы, а также поглощение, транспортировка и хранение избыточного тепла в климатической системе Ирвинг, Д.Б.; Вейффельс, С.; Черч, JA (2019). «Антропогенные аэрозоли, парниковые газы и поглощение, транспорт и хранение избыточного тепла в климатической системе». Письма о геофизических исследованиях . 46 (9): 4894–4903. Бибкод : 2019GeoRL..46.4894I. дои : 10.1029/2019GL082015 . hdl : 1912/24327 .
25. GIEC AR6 WG1 - Рисунок РП.2 https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i/
26. Хунцикер, Патрик (16 декабря 2020 г.). «Минимизация воздействия респираторных капель, «реактивных пассажиров» и аэрозолей в больничных палатах с кондиционированием воздуха с помощью стратегии «Щит и потоп». medRxiv 10.1101/2020.12.08.20233056v1 . 
27. Кесаванатан, Яна; Свифт, Дэвид Л. (1998). «Отложение частиц в носовом проходе человека: влияние размера частиц, скорости потока и анатомических факторов». Аэрозольная наука и технология . 28 (5): 457–463. Бибкод : 1998AerST..28..457K. дои : 10.1080/02786829808965537. ISSN  0278-6826.
28. Грейнджер, Дон. «Вулканические выбросы». Группа данных наблюдения Земли, факультет физики Оксфордского университета . Оксфордский университет . Проверено 8 июля 2014 г.
29. Джиллавенкатеса, А; Дапкунас, С.Дж.; Лин-Сьен, Лам (2001). «Характеристика размера частиц». Специальное издание NIST . 960–1.
30. Хиндс 1999, стр. 75–77.
31. Hinds 1999, с. 79.
32. Hidy 1984, с. 58.
33. Hinds 1999, с. 90.
34. Хиндс 1999, с. 91.
35. Хиндс 1999, стр. 104–5.
36. Хиндс 1999, с. 44-49.
37. Хиндс 1999, с. 49.
38. Хиндс 1999, с. 47.
39. Хиндс 1999, с. 115.
40. Hinds 1999, с. 53.
41. Хиндс 1999, с. 54.
42. Хиди 1984, с. 60.
43. Хиндс 1999, с. 260.
44. Барон, Пенсильвания и Виллеке, К. (2001). «Движение газа и частиц». Измерение аэрозолей: принципы, методы и приложения .
45. ДеКарло, PF (2004). «Морфология частиц и характеристика плотности с помощью комбинированных измерений подвижности и аэродинамического диаметра. Часть 1: Теория». Аэрозольная наука и технология . 38 (12): 1185–1205. Бибкод : 2004AerST..38.1185D. дои : 10.1080/027868290903907 .
46. Hinds 1999, с. 288.
47. Спраклен, Доминик В.; Бонн, Борис; Карслоу, Кеннет С. (28 декабря 2008 г.). «Бореальные леса, аэрозоли и воздействие на облака и климат». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 366 (1885): 4613–4626. Бибкод : 2008RSPTA.366.4613S. дои : 10.1098/rsta.2008.0201. ISSN  1364-503X. PMID  18826917. S2CID  206156442.
48. Хиди 1984, с. 62.
49. Фридлендер 2000.
50. Халберт, HM; Кац, С. (1964). «Некоторые проблемы технологии частиц». Химико-техническая наука . 19 (8): 555–574. дои : 10.1016/0009-2509(64)85047-8.
51. Ландгребе, Джеймс Д.; Працинис, Сотирис Э. (1990). «Дискретно-секционная модель получения частиц газофазной химической реакцией и аэрозольной коагуляцией в свободномолекулярном режиме». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 139 (1): 63–86. Бибкод : 1990JCIS..139...63L. дои : 10.1016/0021-9797(90)90445-T.
52. Макгроу, Роберт (1997). «Описание динамики аэрозоля квадратурным методом моментов». Аэрозольная наука и технология . 27 (2): 255–265. Бибкод : 1997AerST..27..255M. дои : 10.1080/02786829708965471 .
53. Маркизио, Даниэле Л.; Фокс, Родни О. (2005). «Решение уравнений баланса населения прямым квадратурным методом моментов». Журнал аэрозольной науки . 36 (1): 43–73. Бибкод : 2005JAerS..36...43M. doi : 10.1016/j.jaerosci.2004.07.009.
54. Ю, Минчжоу; Линь, Цзяньчжун; Чан, Татлеунг (2008). «Новый метод моментов для решения уравнения коагуляции частиц в броуновском движении». Аэрозольная наука и технология . 42 (9): 705–713. Бибкод : 2008AerST..42..705Y. дои : 10.1080/02786820802232972. hdl : 10397/9612 . S2CID  120582575.
55. Ю, Минчжоу; Линь, Цзяньчжун (2009). «Метод момента расширения Тейлора для коагуляции агломератов за счет броуновского движения во всем размерном режиме». Журнал аэрозольной науки . 40 (6): 549–562. Бибкод : 2009JAerS..40..549Y. doi : 10.1016/j.jaerosci.2009.03.001.
56. Крафт, Муркус (2005). «Моделирование частицных процессов». Журнал порошков и частиц KONA . 23 :18–35. дои : 10.14356/kona.2005007 .
57. Hinds 1999, с. 233.
58. Хиндс 1999, с. 249.
59. Хиндс 1999, с. 244.
60. Хиндс 1999, с. 246.
61. Хиндс 1999, с. 254.
62. Хиндс 1999, с. 250.
63. Хиндс 1999, с. 252.
64. «Загрязнение твердыми частицами - PM10 и PM2,5» . Признание, Оценка, Контроль. Новости и мнения Diamond Environmental Limited . 10 декабря 2010 г. Проверено 23 сентября 2012 г.
65. «Твердые частицы (PM-10)» . Архивировано из оригинала 1 сентября 2012 года . Проверено 23 сентября 2012 г.
66. «Основная информация» . Проверено 23 сентября 2012 г.

Источники

• Колбек, Ян; Лазаридис, Михалис, ред. (2014). Аэрозольная наука: технологии и приложения . Джон Уайли и сыновья - Наука. ISBN 978-1-119-97792-6.
• Фридлендер, СК (2000). Дым, пыль и дымка: основы поведения аэрозолей (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-512999-7.
• Хиндс, Уильям К. (1999). Аэрозольные технологии (2-е изд.). Уайли - Межнаучный. ISBN 978-0-471-19410-1.
• Хиди, Джордж М. (1984). Аэрозоли. Промышленная и экологическая наука . ISBN Academic Press, Inc. 978-0-12-412336-6.

Внешние ссылки

• Международная ассамблея по исследованию аэрозолей. Архивировано 21 января 2020 г. в Wayback Machine.
• Американская ассоциация исследований аэрозолей
• Руководство NIOSH по аналитическим методам (см. главы, посвященные отбору проб аэрозолей)