Aerosol

Aerosoli su čvrste čestice ili male tečne kapi nastale iz dima, prašine, letećeg pepela i kondenzovanih gasovitih supstanci koje mogu da se nađu u atmosferskom vazduhu. Neke od tih čestica toliko su velike da ako su svetle mogu biti viđene kao magla ili oblak, ili ako su tamne kao dim ili čađ. Aerosoli najčešće u prirodi nastaju u mnogobrojnim industrijskim procesima, na deponijama otpada, sagorevanjem fosilnih goriva (ugalj, nafta..), iz prašine sa zemlje, iz izduvnih gasova motora sa unutrašnjim sagorevanjem (automobili, kamioni, industrijskih mašina), u toku građevinskih radova, vulkanskih erupcija, šumskih požara...

Aerosol kontaminacija u severnoj Indiji i Bangladešu.

Magla i oblaci su aerosoli.

Neke čestice aerosola emituju se direktno iz izvora iz kojih nastaju, dok druge nastaju kada gasovi kao što su sumpordioksid, azotovi oksidi ili nemetanski organski gasovi i pare reaguju sa drugim jedinjenjima u vazduhu i formiraju manje isparljive supstance, a zatim i najfinije mikrodispergovane čestice, sa kojima gasovi mogu ponovo stupiti u reakcije.

Aerosoli su veoma štetni po ljudsko zdravlje. Toksični aerosoli nastali iz raznih otrovnih hemijskih jedinjenja mogu izazvati trovanje ili smrt živih bića. Velike koncentracije pojedinih aerosola nastalih iz supstanci kao što su silicijum, azbest, nafta ponekad se nalaze u radnoj sredini i dovode do razvoja nekih profesionalnih bolesti kod radnika kao što su; silikoza, azbestoza... što zahteva primenu ličnih i kolektivnih zaštitnih sredstava u procesu proizvodnje.

Aerosolima se često nazivaju i sve supstance u spreju (lakovi, dezodoransi, osveživači vazduha, sredstva za čišćenje, pesticidi i drugo). Za njihovo čuvanje i rasprskavanje služe tzv. aerosol-boce. S obzirom da su se za lakove za kosu i druge preparate koristili između ostalog i freoni, naneta je velika šteta životnoj sredini jer je utvrđeno da su oni veliki zagađivači i da uništavaju ozonski omotač. Danas se koriste ugljovodonici koji ne uništavaju ozonski omotač, ali su veoma zapaljivi. Druge tehnološke primene aerosola uključuje raspršivanje pesticid i mediciniski tretman respiratornih bolesti. Bolesti se takođe prenose preko malih kapljica u dahu, koje se takođe nazivaju aerosoli (ili ponekad bioaerosoli).

Definicija

Fotomikrografija napravljena skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM): Čestice leteće čađi pri povećanju od 2.000×. Većina čestica u ovom aerosolu je skoro sferna.

Aerosol je definisan kao suspenzioni sistem čvrstih ili tečnih čestica u gasu. Aerosol obuhvata čestice i suspendirajući plin, koji je obično vazduh. Frederik G. Donan je verovatno prvi put upotrebio termin aerosol tokom Prvog svetskog rata da opiše aero-rastvor, oblake mikroskopskih čestica u vazduhu. Ovaj izraz se razvio analogno terminu hidrosol, koloidnom sistemu sa vodom kao disperznom sredinom. Primarni aerosoli sadrže čestice koje su unesene direktno u gas; sekundarni aerosoli nastaju konverzijom gasa u čestice.

Različiti tipovi aerosola, klasifikovani prema fizičkoj formi i načinu nastanka, uključuju prašinu, sumaglicu, dim i maglu. Postoji nekoliko mera koncentracije aerosola. Zdravstvo i nauka o životnoj sredini često koriste masenu koncentraciju (M), definisanu kao masa čestica po jedinici zapremine sa jedinicama kao što je μg/m³. Takođe se često koristi brojevna koncentracija (N), broj čestica po jedinici zapremine sa jedinicama kao što je broj/m³ ili broj/cm³. Veličina čestica ima veliki uticaj na njihove osobine, a radijus aerosola ili prečnik (d_p) je ključno svojstvo koje se koristi za karakterizaciju aerosola.

Aerosoli variraju u svojoj disperzivnosti. Monodisperzni aerosol, koji se može proizvesti u laboratoriji, sadrži čestice uniformne veličine. Većina aerosola, međutim postoji kao polidisperzni koloidni sistemi sa rasponom veličina čestica. Tečne kapljice su skoro uvek skoro sferične, dok naučnici koriste ekvivalentni prečnik za karakterizaciju različitih oblika čvrstih čestica, od kojih su neke veoma nepravilne. Ekvivalentni prečnik je prečnik sferne čestice sa istom vrednošću neke fizičke osobine kao i nepravilna čestica. Ekvivalentni zapreminski prečnik (d_e) se definiše kao prečnik sfere iste zapremine kao i kod nepravilne čestice. Takođe se obično koristi aerodinamički prečnik.

Raspodela po veličini

Ista hipotetička logaritamska normalna distribucija aerosola je ucrtana, od vrha do dna, kao raspodela broja naspram prečnika, raspodela površine prema prečniku i raspodela zapremine prema prečniku. Tipični nazivi modova su prikazani na vrhu. Svaka raspodela je normalizovana tako da je ukupna površina 1000.

Za monodisperzni aerosol, jedan broj - prečnik čestica - dovoljan je da opiše veličinu čestica. Međutim, komplikovanije raspodele veličine čestica opisuju veličine čestica u polidisperznom aerosolu. Ova distribucija definiše relativne količine čestica, sortiranih prema veličini. Jedan pristup definisanju distribucije veličine čestica koristi listu veličina svake čestice u uzorku. Međutim, ovaj pristup se pokazao zamornim za utvrđivanje u aerosolima sa milionima čestica i nezgodnim za upotrebu. Drugi pristup deli opseg veličine na intervale i pronalazi broj (ili proporciju) čestica u svakom intervalu. Ovi podaci se mogu predstaviti u histogramu sa površinom svake trake koja predstavlja proporciju čestica u tom segmentu veličina, obično normalizovanom deljenjem broja čestica u intervalu sa širinom intervala tako da je površina svake trake proporcionalna sa brojem čestica u opsegu veličina koji predstavlja. Ako širina intervala teži nuli, funkcija frekvencije je:

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

gde

$d_{p}$ je prečnik čestica

$\,\mathrm {d} f$ je deo čestica koje imaju prečnike između $d_{p}$ i $d_{p}$ + $\mathrm {d} d_{p}$

$f(d_{p})$ je funkcija frekvencije

Prema tome, površina ispod krive frekvencije između dve veličine a i b predstavlja ukupan udeo čestica u tom opsegu veličina:

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

Takođe se može formulisati u smislu ukupne gustine broja N:

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

Pod pretpostavkom da su čestice sfernog aerosola, površina aerosola po jedinici zapremine (S) je data drugim momentom:

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

I treći trenutak daje ukupnu zapreminsku koncentraciju (V) čestica:

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

Raspodela veličine čestica se može aproksimirati. Normalna raspodela obično ne opisuje na odgovarajući način raspodelu veličine čestica u aerosolima zbog iskrivljenosti povezane sa dugim repom većih čestica. Takođe za količinu koja varira u velikom opsegu, kao što to čine mnoge veličine aerosola, širina distribucije implicira negativne veličine čestica, što fizički nije realno. Međutim, normalna distribucija može biti pogodna za neke aerosole, kao što su test aerosoli, pojedina zrna polena i spore.

Šire odabrana log-normalna raspodela daje brojevnu frekvenciju kao:

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

gde:

$\sigma$ je standardna devijacija distribucije veličine i

${\bar {d_{p}}}$ je srednji aritmetički prečnik.

Log-normalna raspodela nema negativne vrednosti, može da pokrije širok opseg vrednosti i prilično dobro se uklapa u mnoge posmatrane distribucije veličine.

Druge distribucije koje se ponekad koriste za karakterizaciju veličine čestica uključuju: Rosin-Ramlerovu raspodelu, primenjenu na grubo raspršenu prašinu i sprejeve; raspodela Nukijama–Tanasava, za sprejeve izuzetno širokog raspona veličina; raspodela funkcije snage, povremeno primenjena na atmosferske aerosole; eksponencijalna raspodela, primenjena na praškaste materijale; a za kapljice oblaka raspodela Krgijan–Mazina.

Stabilnost generisanih čestica aerosola

Uspostavljeni su različiti eksperimentalni sistemi za ispitivanje stabilnosti čestica u vazduhu i njihovog potencijala da se deaglomeriraju u različitim uslovima. Sveobuhvatni sistem koji je nedavno objavljen je u stanju da održi robustan proces aerosolizacije i generiše aerosole sa stabilnom koncentracijom broja i srednjom veličinom iz nano-prahova.. Potencijal deaglomeracije različitih nanomaterijala u vazduhu takođe se može proučavati korišćenjem kritičnih otvora. Pored toga, razvijen je uređaj za udarnu fragmentaciju da bi se istražile energije veze između čestica.

Vidi još

• Gas
• Freon
• Ozonosfera

Literatura

• Friedlander, Sheldon K. (2000). Smoke, Dust and Haze (2nd izd.). ISBN 978-0-19-512999-1. 
• Kulkarni, Pramod; Baron, Paul A.; Willeke, Klaus (2011). Aerosol Measurement - Principles, Techniques, and Applications. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-38741-2. 
• Pruppacher, H. R.; Klett, J. D. Microphysics of Clouds and Precipitation (2nd izd.). Springer. ISBN 978-0-7923-4409-4. 
• Seinfeld, John; Pandis, Spyros (1998). Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change (2nd izd.). Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-17816-3. 
• Colbeck, Ian; Lazaridis, Mihalis (2014). Aerosol Science: Technology and Applications. John Wiley & Sons - Science. ISBN 978-1-119-97792-6. 
• Hinds, William C. (1999). Aerosol Technology (2nd izd.). Wiley - Interscience. ISBN 978-0-471-19410-1. 
• Hidy, George M. (1984). Aerosols, An Industrial and Environmental Science. Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-412336-6. 
• Preining, Othmar; Davis, E. James; Brimblecombe, Peter (2000). History of aerosol science : proceedings of the Symposium on the History of Aerosol Science, held in Vienna, Austria, August 31 to September 2, 1999, sponsored by Österreichische Akademie der Wissenschaften. Wien, Austria: Verlag der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. ISBN 3-7001-2915-7. OCLC 45797766. 
• „Aerosol Education Resources”. 2014-12-03. Arhivirano iz originala 2014-12-03. g. Pristupljeno 2021-08-28. 
• „Aerosols and their Relation to Global Climate and Climate Sensitivity | Learn Science at Scitable”. www.nature.com (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2022-01-12. 

Spoljašnje veze

• International Aerosol Research Assembly Архивирано на сајту Wayback Machine (21. јануар 2020)
• American Association for Aerosol Research
• NIOSH Manual of Analytical Methods (see chapters on aerosol sampling)