Аэрозоли - наши друзья и враги

    Химический  символ кадмия Cd курильщики могут считать аббревиатурой английских слов Cancer disease – раковое заболевание. Рак легких – наиболее вероятный результат длительного воздействия аэрозоля оксида кадмия, поступающего в альвеолы с табачным дымом. Кадмий поражает сердечную, мышечную, нервную системы, а также органы дыхания, приводит к тяжелому костному заболеванию “итай-итай” (хрупкость и ломкость костей).

    В табачном дыме содержатся такие канцерогенные  вещества, как ароматические амины, нитрозосоединения, различные металлы (мышьяк, свинец, медь и пр.), провоцирующие опасные заболевания органов пищеварения, мочевого пузыря, почечной лоханки. Не меньшей опасности подвергаются люди, вынужденные дышать прокуренным воздухом.

        В результате сжигания жидкого топлива в воздух планеты ежегодно попадает по разным оценкам 180-260 тыс. т свинцовых частиц, что почти в 100 раз превышает поступление свинца при вулканических извержениях (2-3 тыс. т в год).

       Металлосодержащие и органические частицы выбрасываются предприятиями цветной металлургии, химическими, цементными и другими производствами.

        При вдыхании городского воздуха крупные аэрозоли (более 10^-6 м) задерживаются в носоглотке и верхних дыхательных путях, а те, что менее 10^-6 м (а их до 80% в антропогенных выбросах) проникают в легкие, а затем в капилляры и, соединяясь с эритроцитами, отравляют кровь. Это приводит к таким опасным заболевания, как анемия, головные и мышечные боли.  

         Токсичные вещества нарушают рост растений, снижают урожайность, ведут к потерям в животноводстве, постепенной гибели деревьев, растительности, а, следовательно, к ухудшению жизни людей. Эти вещества обладают свойством накапливаться с течением времени в отдельных звеньях трофической цепи с увеличением концентрации в последующем звене.  

    Пыль  во вдыхаемом воздухе вызывает тяжелое  заболевание легких: силикоз (кварцевая  пыль), антракоз (угольная), асбестоз (асбестовая). Не менее опасна пыль бериллия, хрома. Взвеси пыли многих промышленных производств (например, лесопильной, мукомольной, сахарной) при большой концентрации обладают взрывоопасностью.

    Бактериальные аэрозольные частицы, образующиеся при кашле, чихании, разговоре больных, могут служить источником инфекционных болезней, в том числе, гриппа. Пыльца растений, особенно в период их вегетации, вызывает аллергические заболевания.  

    Всем  известен пачкающий эффект сажи. Материал сажевых частиц может быть маслянистым  и липким из-за присутствия в нем  органических веществ, что обеспечивает прочную связь с поверхностями, затрудняя их очистку. Накопившийся слой сажи на листьях препятствует фотосинтезу.  

    Частички  морской соли вызывают коррозию металлов, значительно снижают урожайность  зерновых в прибрежных районах.  

    Природные туманы препятствуют посадке самолетов, речному и морскому судоходству.  

    Пыльные бури – настоящее бедствие жарких стран.  

    Много бед аэрозольные частицы могут  причинить технике, нарушить ход  тончайших технологических процессов, особенно в таких областях, как  биотехнология и микроэлектроника.  

    Огромную  опасность представляют радиоактивные  аэрозоли, образующиеся при атомных  взрывах, авариях на атомных электростанциях, добыче и переработке расщепляющихся материалов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Аэрозоли  – наши друзья 

    Аэрозоли  играют и положительную роль в  жизни человека. Эстетическое удовольствие получают люди, наблюдая пленительные краски закатных и рассветных зорь, которые обусловлены присутствием в атмосфере пылинок (впервые  на это явление обратил внимание Леонардо да Винчи).

    Присутствие аэрозольных частиц вызывает такие  оптические явления как радуга (преломление, отражение и дифракция света  в каплях дождя), гало - ложные солнца (преломление и отражение света  ледяными кристаллами, взвешенными  в воздухе), глории – венцы, цветные  кольца вокруг тени самолета, орбитальных  станций, головы наблюдателя (дифракция  света на каплях воды).

    Хотите  увидеть сияние вокруг своей головы? Рано утром, как только взойдет Солнце, выйдите на луг, обильно покрытый росой. Вы увидите, что тень Вашей  головы окружена глорией. Такие глории называют еще нимбами. В христианской и буддийской иконографии нимбами  окружены головы святых. Оказывается нимб может появиться и вокруг тени головы любого человека. И в этом нет ничего удивительного. Голубой цвет неба, который впервые объяснил Рэлей, в значительной мере обязан присутствию в атмосфере аэрозолей.  

    Облака  – важнейшее звено в круговороте  воды в природе. Поглощая солнечную  энергию и тепловое излучение  Земли, они умеряют и жару и  холод. Под действием солнечного облучения могут создаваться целебные фотохимические смоги. Подобные явления наблюдаются, например, в хвойных лесах, особенно в вегетационный период их развития.

    Еще древние люди научились извлекать  для себя пользу из дыма, использовав его для копчения мяса и рыбы, маскировки войск, кодовой сигнализации.

    Все жидкое и почти половина твердого топлива сжигается ныне в виде аэрозолей. Это обеспечивает его  наиболее полное сгорание, что приводит к наименьшему количеству отходов. В дизельных и карбюраторных  двигателях жидкое топливо также  сгорает в распыленном виде.

    При сжигании каменных углей с высоким  содержанием кальция происходит выброс кальцийсодержащей золы, которая  при осаждении на подстилающую поверхность  нейтрализует кислотность почвы. Выбросы  нетоксичной золы воздействуют на структуру  тяжелых и глинистых почв, разрыхляя  и тем самым существенно улучшая  их свойства. Дымы металлургических предприятий  могут обогащать почвы необходимыми ей микроэлементами, например, кальцием, калием.  

       Сажа (технический углерод) – ценный продукт, так как является важным элементом (наполнителем) при изготовлении резины из каучука, различных видов пластмасс, полиграфической продукции (заправка для картриджей, копировальная бумага).

       Сажу используют в качестве хорошего красителя в различных производствах. Поэтому сажу специально получают путем неполного сгорания или разложения углеводородов в специальных реакторах с ограниченным доступом воздуха.

        Частицы сажи имеют размеры 10^-9 – 10^-8 м, если же они агрегированы в хлопья, то достигают 10^-6 м. В последнее время с углеводородной сажей конкурирует так называемая "белая сажа“ (аэросил), представляющая собой высокодисперсные частицы аморфного диоксида кремния.

        Аэросил используют не только как наполнитель резины, пластмасс и загуститель для смазок, красок, клеев, но и как адсорбент (поглотитель). Адсорбенты используют в промышленности (для очистки жидкостей, осушки газов, улавливания ценных и вредных отходов), медицине (при заболеваниях кожи, отравлениях, некоторых желудочно-кишечных заболеваниях, вакцинациях).

      Опыление  многих растений, в том числе злаковых, осуществляется аэрозолями из цветочной  пыльцы. Протравливание семенного зерна  ведется распыленным порошкообразным  или жидким ядохимикатом. Из бункеров зерно подается порциями, либо непрерывным  потоком в смесительный барабан. Здесь в процессе перемешивания  зерно опудривается или увлажняется распыленным ядовитым туманом, подаваемым под давлением компрессором.

        Ядовитые туманы используют и для борьбы с вредителями и болезнями культурных растений и лесов. Эти туманы специально создают с помощью аэрозольных генераторов, которые очень мелко распыляют раствор ядохимиката (размер частичек 2⋅10^-5 - 6⋅10^-5м). В таком виде ядохимикаты расходуются экономно и хорошо проникают в кроны деревьев, щели амбарных и животноводческих помещений, дезинфицируя их. Однако аэрозольное опрыскивание нельзя применять при скорости ветра более 3 м/с и при восходящих потоках воздуха, так как туман тогда сносится или поднимается вверх, не осаждаясь на поверхности растений.  
 
 

      Аэрозоли  защищают человека от вредных насекомых. Так, в ходе Второй мировой войны английские и американские войска на тихоокеанском театре военных действий несли ощутимые потери из-за массовых заболеваний от укусов комаров и москитов.

        Обычные способы борьбы с насекомыми  были малоэффективны. Тогда применили  легко кипящие фтор- и фторхлоруглероды как растворители для инсектицидов в аэрозольных баллонах. Таким образом удалось экономично распылять инсектициды и уничтожать носителей инфекций. Фактически с этого момента начало эффективно развиваться промышленное производство аэрозолей.

      Лаки, краски, дезодоранты, ядохимикаты, парфюмерная  продукция, лекарства и многое другое упаковываются в аэрозольные  баллончики в виде раствора во фреоне (фторхлоруглероде). Оттуда они при необходимости под давлением извлекаются в распыленном или пенообразном виде. Будучи раздроблено на мельчайшие частицы, вещество приобретает большую контактную поверхность.  

    Активность  аэрозолей значительно усиливается, когда им сообщают электрический  заряд. Это свойство аэрозолей используется при покраске стен и мебели, нанесении  защитного слоя на картины и чертежи, для смывки грязи и масла с  двигателей, лечения ряда болезней людей и животных.

      Так, распыленное лекарственное  вещество наносится на раны, локальные  участки ожога. 

    При вдыхании очень малые размеры  частиц аэрозоля способны проникать  в наиболее глубоко расположенные  отделы бронхов и легких, быстро всасываться в кровь и облегчать  удаление из дыхательных путей слизи  и мокроты. Лечение вдыханием  аэрозолей (ингаляция) лекарственных  веществ называется аэрозольтерапией. Аэрозольтерапию применяют для профилактики и лечения инфекционных, вирусных и профессиональных заболеваний дыхательных путей, бронхиальной астмы, ренита, а также массовой иммунизации животных. Для некоторых болезней аэрозольное лечение намного эффективнее приема таблеток и уколов.  

      В пищевой промышленности распылительную сушку используют для получения  различных порошков. Струйку жидкости льют в центр вращающегося с огромной скоростью диска. Жидкость под действием  центробежных сил растекается по поверхности диска тонкой пленкой  и дробится на капли, срываясь с кромок диска.

      Размер  получаемых капелек обратно пропорционален угловой скорости вращения диска  и квадратному корню из его  диаметра. Большие дисковые распылители  дают полидисперсную аэрозоль, а маленькие диски (диаметром 0,02-0,05 м), вращающиеся со скоростью не менее 340 об/с, образуют монодисперсные частицы (размером до 5⋅10^-6 м).).  
 

      Если  давать возможность мгновенно высыхать возникающим каплям, то можно получить твердые частицы (например, порошок  молока). Переводя вещества в аэрозольные  состояния, удалось получить принципиально  новые материалы. Так, сплав металла  и керамики обладает очень высокой  коррозийной устойчивостью.

    В науке, особенно в экспериментальной  физике, аэрозоли позволили сделать  ряд открытий. Так, при использовании  движения мельчайших капель в вертикальном электрическом поле удалось определить заряд электрона, число Авогадро, доказать квантовую природу фотоэффекта. Благодаря аэрозолям созданы  детекторы радиоактивного излучения, например, камеры Вильсона, в которых  α и β - частицы оставляют следы  вследствие конденсации находящегося в воздухе перенасыщенного водяного пара; счетчики Гейгера-Мюллера, в которых  ионизация, создаваемая попадающими  в них частицами, вызывает кратковременный  разряд.  

    В экспериментальной гидродинамике  при изучении скоростей газов  используют дымовые шашки. Распространение  примесей от интересуемых источников изучают с помощью специально распыленных подкрашенных трассеров.  

    Посредством аэрозолей можно активно воздействовать на атмосферные процессы. На аэродромах для улучшения взлетно-посадочных условий практикуют рассеивание  облаков путем распыления твердой  углекислоты или специальных  льдообразующих агентов (частиц йодистого  серебра).

    Облачные  капли, контактируя с частицами  твердой углекислоты или сухого льда, замерзают и выпадают, а  туман рассеивается. Созданы специальные  службы для борьбы с градом. Некоторые  большие города, в том числе  и Москва, имеют специальные эскадрильи самолетов, которые, воздействуя на облака, заставляют выпадать снег на подходе  к городу. Этот же способ используют для очистки неба от облаков в  дни больших празднеств. Большие  работы ведутся в направлении  поиска оптимального решения по рассеиванию  туманов с использованием аэрозольных  веществ.