Aerosols

Aerosols ir dispersā sistēma, kurā smalkas cietas daļiņas vai šķidruma pilieni izkliedēti gaisā vai citā gāzē. Aerosoli var būt dabiski vai antropogēni. Dabisko aerosolu piemēri ir migla, putekļi, putekšņi, kas izdalās no mežiem, kā arī geizera garaiņi. Antropogēnu aerosolu piemēri ir dūmi, smogs, citi gaisa piesārņojumi ar sīkām daļiņām. Šķidrums vai cietās daļiņas ar diametru parasti ir <1 μm; lielākas daļiņas ar ievērojamu nogulsnēšanās ātrumu padara maisījumu par suspensiju, bet atšķirība nav skaidri saskatāma. Sadzīvē par aerosoliem dēvē no metāla flakoniem zem spiediena izsmidzināmos aerosolus. Citi aerosolu izmantošanas veidi ietver pesticīdu izplatīšanu, elpošanas orgānu slimību ārstēšanu un aizdedzināšanas tehnoloģiju izmantošanu. Slimības var izplatīties arī ar maziem pilieniņiem elpas veidā, ko arī sauc par aerosoliem (vai dažreiz bioaerosoliem).

Aerosola zinātne aptver aerosola veidošanos un noņemšanu, aerosolu tehnoloģisko pielietojumu, aerosola ietekmi uz vidi un cilvēkiem un citas tēmas.

Definīcijas 
Aerosolu definē kā gāzu cietās vai šķidrās daļiņu suspensijas sistēmu. Aerosolā ir gan daļiņas, gan suspendējošā gāze, kas parasti ir gaiss. Frederiks G. Donnans visticamāk vispirms pirmo terminu "aerosols" izmantoja pirmā pasaules kara laikā, lai aprakstītu aviācijas šķīdumu, mikroskopisko daļiņu mākoņus gaisā. Šis termins izstrādāts analoģiski terminam hidrosols, koloīda sistēma ar ūdeni kā dispersētu barotni. Primārajos aerosolos ir daļiņas, kas tiek ievadītas gāzē; sekundārie aerosoli veidojas caur gāzu daļiņu pārveidošanu.

Dažādi aerosola veidi, kas klasificēti pēc fiziskās formas un kā tie iegūti, ietver putekļus, dūmus, miglu, dūmus un miglu.

Ir vairāki aerosola koncentrācijas mērījumi. Vides zinātne un veselība bieži izmanto masas koncentrāciju (M), ko definē kā cieto daļiņu masu uz tilpuma vienību ar vienībām, piemēram, μg / m3. Parasti tiek izmantota arī skaita koncentrācija (N), daļiņu skaits tilpuma vienībās ar vienībām, piemēram, skaitlis / m3 vai skaitlis / cm3.

Daļiņu izmērs būtiski ietekmē to īpašības, un aerosola daļiņu rādiuss vai diametrs (dp) ir galvenā īpašība, ko izmanto aerosolu raksturošanai.

Aerosoli atšķiras pēc daļiņu izkliedes. Laboratorijā ražots monodisperss aerosols satur vienādas formas daļiņas. Tomēr lielākā daļa aerosolu kā polidispersas koloīdās sistēmas izraisa lielu daļiņu izmēru amplitūdu. Šķidrie pilieni gandrīz vienmēr ir gandrīz sfēriski, bet zinātnieki izmanto līdzvērtīgu diametru, lai raksturotu cietu daļiņu dažādu formu īpašības, dažas no tām ir ļoti neregulāras. Ekvivalentais diametrs ir sfēriskās daļiņas diametrs ar tādu pašu vērtību kā fiziska īpašības, neregulārai daļiņai. Ekvivalentā tilpuma diametrs (de) tiek definēts tā pat kā tāda paša tilpuma sfēras diametrs kā neregulāro daļiņu diametrs. Parasti tiek izmantots aerodinamiskais diametrs.

Izmēru sadalījums 
Monodispersam aerosolam, lai aprakstītu daļiņu lielumu, pietiek ar vienu skaitli — daļiņu diametru. Tomēr sarežģītāki daļiņu lieluma sadalījumi apraksta daļiņu izmērus polidispersā aerosolā. Šis sadalījums nosaka relatīvos daudzumus daļiņās, kas sakārtotas pēc lieluma. Viena no metodēm daļiņu izmēra sadalījuma noteikšanai izmanto katras daļiņas lieluma sarakstu paraugā. Tomēr šī pieeja izrādās apgrūtinoša, lai noskaidrotu daļiņu lielumu aerosolos ar miljoniem daļiņu un to ir neērti lietot. Cita pieeja dala pilnu izmēru diapazonu ar intervāliem un konstatē daļiņu skaitu (vai proporcijas) katrā intervālā. Tad var vizualizēt šos datus histogrammā ar katras joslas platību, kas atspoguļo daļiņu proporciju šajā lieluma tvertnē, parasti normalizē, dalot daļiņu skaitu tvertnē ar intervāla platumu, tādējādi katras sliedes laukums ir proporcionāls to daļiņu skaitam, kuru izmērs ir tāds, kāds tas ir. Ja tvertņu platums mēdz būt nulle, viens iegūst frekvences funkciju:

kur

daļiņu diametrs

 ir daļiņu frakcija ar diametru starp  un 

ir frekvences funkcija

Tādēļ platība zem frekvences līknes starp diviem izmēriem a un b attēlo daļiņu kopējo lielumu šajā lieluma diapazonā:

To var arī formulēt kopējā skaita blīvuma N izteiksmē:

Pieņemot sfēriskās aerosola daļiņas, aerosola virsmas laukumu uz tilpuma vienību (S) norāda otrajā brīdī:

Un trešais moments dod daļiņu kopējo koncentrāciju (V):

Viens arī lietderīgi var tuvināt daļiņu izmēra sadalījumu, izmantojot matemātisko funkciju. Parastā sadale parasti nepareizi apraksta daļiņu izmēra sadalījumu aerosolos, jo skeņains ir saistīts ar lielu daļiņu garu asi. Arī daudzumam, kas mainās lielā diapazonā, tāpat kā daudzi aerosola izmēri, izplatīšanas platums nozīmē negatīvas daļiņu izmēru, acīmredzami fiziski neiespējamu. Tomēr normālais sadalījums var būt piemērots dažiem aerosoliem, piemēram, testa aerosoliem, dažiem ziedputekšņu graudiem un sporām.

Plašāk izvēlēts log-normālais sadalījums piešķir numuru frekvenci šādi:

kur:

 ir lieluma sadalījuma standarta novirze un

 ir vidējais aritmētiskais diametrs.

Log-normālais sadalījumam nav negatīvu vērtību, tas var aptvert plašu vērtību diapazonu un pietiekami labi atbilst daudzām novērotajām lieluma sadalēm.

Daļiņu izmēru raksturošanai dažreiz izmanto arī citus sadalījumus: Rosin-Rammler sadalījums, ko izmanto rupji izkliedētiem putekļiem un aerosoliem; Nukiyama-Tanasawa izplatīšana ļoti plašā diapazonā; jaudas funkciju sadalījums, reizēm tiek piemērots atmosfēras aerosoliem; eksponenciālais sadalījums, ko izmanto pulverveida materiāliem; un mākoņu pilieniem — Khrgian-Mazin izplatība.

Paaudze un lietojumi 
Cilvēki rada aerosolus dažādiem mērķiem, tostarp:

 kā testa aerosoli instrumentu kalibrēšanai, pētījumu veikšanai un paraugu ņemšanas iekārtu un gaisa filtru testēšanai;
 piegādāt dezodorantus, krāsas un citus patēriņa produktus aerosolos;
 izkliedēšanai un izmantošanai lauksaimniecībā;
 respiratorās slimības ārstēšanai; un
 degvielas iesmidzināšanas sistēmās un citās sadedzināšanas tehnoloģijās.

Dažas aerosola veidošanas ierīces ir šādas:

 Aerosola izsmidzinātājs
 Atomizatora sprausla vai smidzinātājs
 Elektropretizācija
 Elektroniskā cigarete
 Vibrējošais sprauslas aerosola ģenerators (VOAG)

Gatavo aerosola daļiņu stabilitāte 
Nanomateriālu aglomerātu stabilitāte ir kritiska, lai novērtētu aerosola daļiņu lielumu sadalījumu no nano pulveriem vai citiem avotiem. Nanotehnoloģijas darba vietās strādājošie var tikt pakļauti ieelpojot kā potenciāli toksiskas vielas, strādājot ar nanomateriāliem un apstrādājot tos. Nanodaļiņas gaisā bieži veido aglomerātus, pateicoties pievilcīgiem daļiņu spēkiem, piemēram, van der Waalsa spēkam vai elektrostatiskajam spēkam, ja daļiņas tiek uzlādētas. Tā rezultātā aerosola daļiņas parasti novēro kā aglomerātus, nevis atsevišķas daļiņas. Par gaisu saturošu nanodaļiņu iedarbību un riska novērtējumu ir svarīgi zināt aerosola lielumu sadalījumu. Inhalējot cilvēkus, daļiņas ar dažādu diametru tiek novietotas dažādās centrālās un perifērijas elpošanas sistēmas vietās. Ir pierādīts, ka daļiņas nanoskaļiņā iekļūst plaušu gaisa un asins barjerā un cilvēka ķermenī, piemēram, smadzenēs, sirdī un aknās, tiek pārvietotas sekundārajos orgānos. Tāpēc nanodaļiņu aglomerātu stabilitātes zināšanas ir svarīgas, lai prognozētu aerosola daļiņu izmēru, tādējādi palīdzot novērtēt to iespējamo risku cilvēka organismā.

Ir izveidotas dažādas eksperimentālās sistēmas, lai pārbaudītu gaisā esošo daļiņu stabilitāti un to potenciālu deaglomerēt dažādos apstākļos. Ding & Riediker (2015) nesen paziņotā visaptverošā sistēma spēj saglabāt stabilu aerosolizācijas procesu un radīt aerosolus ar stabilu skaitļu koncentrāciju un vidējo izmēru no nano pulveriem. Dažādu gaisu saturošu nanomateriālu deģenerācijas potenciālu var arī pētīt, izmantojot kritiskās atveres. Šo procesu pētīja arī Stahlmecke et al. (2009). Papildus tam tika izveidota trieciena fragmentācijas ierīce, lai pētītu savienojumu enerģiju starp daļiņām.

Varētu paredzēt standarta atkaļķošanas testēšanas procedūru ar dažādu esošo sistēmu tipu attīstību. Ja ir pieejama references metode, iespējams, ka aerosola daļiņu atdalīšanas iespējamība darba vietās var tikt sakārtota dažādos nanomateriālos. Šim nolūkam varētu uzsākt testēšanu starp laboratorijām, izmantojot dažādus iestatījumus, lai izpētītu sistēmas īpašību ietekmi uz radīto nanomateriālu aerosolu īpašībām.

Atsauces 

Koloīdķīmija
Ķīmiski maisījumi