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]
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 .
Люди производят аэрозоли для различных целей, в том числе:
Некоторые устройства для генерации аэрозолей: [3]
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:
Аэрозоли можно обнаружить в городских экосистемах в различных формах, например:
Присутствие аэрозолей в атмосфере Земли может влиять на ее климат, а также на здоровье человека.
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]
где
Следовательно, площадь под кривой частоты между двумя размерами a и b представляет собой общую долю частиц в этом диапазоне размеров: [31]
Его также можно сформулировать в терминах полной плотности числа N : [32]
Если предположить, что аэрозольные частицы имеют сферическую форму, то площадь поверхности аэрозоля на единицу объема ( S ) определяется вторым моментом : [32]
А третий момент дает общую объемную концентрацию ( V ) частиц: [32]
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 логарифмически нормальное распределение дает частоту чисел как: [33]
где:
Логарифмически нормальное 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]
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]
где
Это позволяет нам рассчитать конечную скорость частицы, претерпевающей гравитационное осаждение в неподвижном воздухе. Пренебрегая эффектами плавучести , находим: [37]
где
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]
Частица, движущаяся с любой разумной начальной скоростью, приближается к своей конечной скорости экспоненциально со временем e -свертывания, равным времени релаксации: [39]
где:
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]
где:
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]
где
Это уравнение дает аэродинамический диаметр: [41]
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 ]
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]
Изменение во времени = Конвективный транспорт + броуновская диффузия + взаимодействие газа с частицами + коагуляция + миграция под действием внешних сил.
Где:
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.
Число Кнудсена частицы определяет три различных динамических режима, которые определяют поведение аэрозоля:
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:
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:
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:
где I cont — поток массы в непрерывном режиме. [ нужна цитата ] Эта формула называется интерполяционной формулой Фукса-Сутугина. Эти уравнения не учитывают эффект тепловыделения.
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 :
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]
Вода покрывает частицы аэрозолей, активируя их , обычно в контексте формирования 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:
где - давление насыщенного пара над частицей в равновесии (вокруг изогнутой капли жидкости), p 0 - давление насыщенного пара (плоская поверхность той же жидкости) и S - степень насыщения.
Уравнение Кельвина для давления насыщенного пара над искривленной поверхностью:
где радиус капли r p , поверхностное натяжение капли σ , плотность жидкости ρ , молярная масса M , температура T и молярная газовая постоянная R.
Общего решения общего динамического уравнения (ОДУ) не существует ; [48] Общие методы, используемые для решения общего динамического уравнения, включают: [49]
Аэрозоль можно измерять либо на месте , либо с помощью методов дистанционного зондирования .
Некоторые доступные методы измерения на месте включают:
Подходы дистанционного зондирования включают в себя:
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 в окружающем аэрозоле, 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 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 ]