2. пыль и ее свойства

Аэрозоль представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсной средой является газ, в частности, воздух, а дисперсной фазой — твердые или жидкие частицы. Наиболее мелкие (тонкие) аэрозольные частицы по размерам близки к крупным молекулам, а для наиболее крупных наибольший размер определяется их способностью более или менее длительное время находиться во взвешенном состоянии. Обычно речь идет о частицах размером до 100— 200 мкм, а по некоторым представлениям до 500 мкм.

Различают дисперсионные и конденсационные аэрозоли. Дисперсионные аэрозоли образуются при измельчении (диспергировании) твердых и жидких веществ. Конденсационные аэрозоли образуются при конденсации насыщенных паров, а также в результате газовых реакций.

Дисперсионные частицы обычно значительно грубее, чем конденсационные, обладают большей полидисперсностью, имеют неправильную форму. Конденсационные аэрозоли имеют часто правильную шарообразную или кристаллическую форму и при коагуляции, сливаясь, снова получают шарообразную форму.

К аэрозолям относятся пыли, туманы и дымы.

Пылями называют дисперсионные аэрозоли с твердыми частицами, независимо от дисперсности. Пылью обычно также называют совокупность осевших частиц (гель или аэрогель).

Под туманами понимают газообразную среду с жидкими частицами как конденсационными, так и дисперсионными, независимо от их дисперсности.

Дымами называют конденсационные аэрозоли с твердой дисперсной фазой или включающие частицы и твердые, и жидкие.

На практике часто приходится встречаться с аэрозолями, включающими частицы как дисперсионного, так и конденсационного происхождения, обычно ультрамикроскопического размера.

Часто бывает затруднительно провести четкую границу между различными видами аэрозолей. Объясняется это тем, что аэрозольные системы состоят из частиц различного происхождения. Происходит к тому же непрерывное взаимодействие этих частиц, осаждение малых частиц на более крупные и т. д. Аэрозольная система не находится в неизменном состоянии. В результате взаимодействия частиц происходит их укрупнение, разрушение конгломератов, осаждение частиц и т. д.

Аэрозоли обычно полидисперсны, т. е. содержат частицы различных размеров. Монодисперсные частицы встречаются как исключение. Их в некоторых количествах в виде порошков изготовляют для калибровки пылеизмерительных приборов.

В технике и в повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с веществами, находящимися в измельченном состоянии. Многие технологические процессы направлены на приведение их в такое состояние, например, помол зерна для получения муки.

Основное внимание уделено рассмотрению пыли, так как в большинстве случаев воздух приходится очищать от данного вида аэрозоля. Большинство систем очистки предназначено для улавливания пыли. Рассматриваются также другие виды аэрозолей.

Пыль может быть классифицирована по нескольким признакам, в том числе по своему происхождению, т. е. по материалу! из которого она образована.

В зависимости от происхождения различают пыль естественного происхождения и промышленную. Первая образуется в результате процессов, не связанных непосредственно с процессом производства, хотя во многих случаях имеется взаимосвязь между этим видом пылеобразования и хозяйственной деятельностью человека.

К пыли естественного происхождения относят пыль, образующуюся в результате эрозии почвы (на этот процесс, конечно, влияет деятельность человека), а также пыль, возникающую при выветривании горных пород, пыль космического происхождения и т. д. Естественное происхождение имеют также органические пылевидные частицы — пыльца, споры растений. К образующейся в результате эрозии почвы, обветривания горных пород и т. п. близка по составу пыль, возникающая при выветривании строительных конструкций, дорог и других сооружений.

С пылью естественного происхождения приходится сталкиваться, главным образом, при решении вопросов очистки приточного воздуха перед поступлением его в вентилируемые помещения. Промышленная пыль возникает в процессе производства. Почти каждому виду производства, каждому материалу или виду сырья сопутствует определенный вид пыли.

Многие технологические процессы направлены на получение различных материалов, состоящих из мелких частиц, например, цемента, строительного гипса, муки и т. д. Совокупность этих частиц правильно называть пылевидным материалом. Соответствующей пылью (например, цементной, мучной и т. д.) обычно называют наиболее мелкие частицы этих материалов, разносимые потоками воздуха.

Большая часть видов пыли возникает в результате процессов, связанных с обработкой материалов (резание, шлифование и т. п.), их сортировкой и транспортированием (погрузка, разгрузка и т. п.).

В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической и неорганической.

В свою очередь органическая пыль бывает растительного (древесная, хлопковая, мучная, табачная, чайная и т. д.) и животного (шерстяная, костяная и др.) происхождения.

Неорганическая пыль подразделяется на минеральную (кварцевая, цементная и др.) и металлическую (стальная, чугунная, медная, алюминиевая и др.).

Значительная часть промышленных пылей — смешанного происхождения, т. е. состоит из частиц неорганических и органических или, будучи органической, включает в себя частицы минеральной и металлической пыли. Например, зерновая пыль, кроме частиц, образующихся при измельчении зерна, содержит также минеральные частицы, попавшие в массу зерна при выращивании и сборе урожая. Пыль, выделяющаяся при шлифовании металлических изделий, кроме металлических частиц, содержит минеральные частицы, образующиеся при взаимодействии обрабатываемого металла и орудий его обработки (абразивного круга и т. д.). Это нужно учитывать при выборе методов очистки и пылеулавливающего оборудования.
2.2. Основные свойства пыли и их определение

2.2.1. Отбор проб пыли из газового потока

Для отбора проб пыли из воздуховодов применяют два способа: внешней фильтрации, при котором используют закрытый аллонж с фильтром, расположенный вне воздуховода, и внутренней фильтрации, когда открытый аллонж с фильтром находится непосредственно в воздуховоде (рис. 2.1. а, б).

При внешней фильтрации в воздуховод вводят пылеотборную трубку с наконечником. Применяют пылеотборные трубки различных систем, в том числе универсальную пылезаборную трубку (рис. 2.2.).

Трубки оснащаются съемными наконечниками различных размеров:

№ наконечника 12345 6 7 8 9 10 15 20

Расчетный

диаметр, мм 4,6 6,5 8 9,2 10,3 11,3 12,2 13 13,8 14,5 17,8 20,6

Наконечники больших размеров обычно используют для отбора проб пыли для дисперсного анализа, так как в этом случае необходимы значительные ее навески.

Рис. 2.1. Отбор проб пыли из воздуховодов:

о. Отбор проб пыли по способу внешней фильтрации: 1 — воздуховод; 2 — съемный наконечник; 3 — пылеотборная трубка; 4 — уплотняющая муфта; 5 — закрытый аллонж; 6 — ротаметр; 7 — трубка к побудителю расхода

б. Отбор проб по способу внутренней фильтрации: 1 — открытый аллонж; 2 — металлическая трубка; 3 — ротаметр; 4 —побудитель расхода

Отбор проб воздуха из воздуховодов должен выполняться с соблюдением принципа изокинетичности, который состоит в том, что скорость воздуха во входном отверстии пылеотборного устройства должна быть равна скорости воздуха в воздуховоде. Отбор проб с превышением изокинетической скорости приводит к занижению

Рис. 2.2. Универсальная заборная трубка:

а — трубка со сменным коленом для внешней фильтрации; б — фильтрующий элемент для внутренней фильтрации; в — сменный наконечник; 1 — гнездо для наконечника; 2 — колесо; 3 —свинчиваемые звенья; 4 — трубка; 5 — кожух; 6 — нагреватель; 7 — уплотнение; 8 — корпус фильтрующего элемента; 9 — фильтрующая набивка; Ю — гильза

концентрации пыли, а отбор с пониженной скоростью — к ее завышению. Погрешность при нарушении изокинетичности возрастает с увеличением размеров пылевых частиц. При отборе пыли с частицами менее 5 мкм строгое соблюдение изокинетичности не требуется.

Дисперсность — степень измельчения вещества. Под дисперсным (зерновым, гранулометрическим) составом понимают распределение частиц пыли по размерам. Он показывает, из частиц какого размера состоит данная пыль, и массу или количество частиц соответствующего размера.

Дисперсность в значительной мере определяет свойства пыли. В результате измельчения изменяются некоторые свойства вещества и приобретаются новые. Это вызвано, в основном, тем, что при диспергировании вещества многократно увеличивается его суммарная поверхность. Например, при измельчении тела, имеющего форму куба и размеры 20x10x10 мм, и превращении его в частицы кубической формы с размером 1 мкм, суммарная поверхность материала возрастет в 10000 раз и станет равной 6 м² (вместо 600 мм2).

В результате резкого увеличения суммарной поверхности вещества повышается поверхностная энергия, что влечет за собой увеличение физической и химической активности. Очень быстро и интенсивно протекают реакции окисления этих веществ. О повышении физической активности говорит, например, то, что измельченные вещества растворяются во много раз быстрее, чем исходный материал.

Во взвешивающей газообразной среде присутствует влага, пары кислот, щелочей. В результате их поглощения свойства частиц отличаются от свойств исходного материала.

Дисперсный состав характеризует пыль с различных сторон. Кроме физических и химических свойств, дисперсный состав определяет в значительной мере характер и условия распространения пыли в воздушной среде. Мелкодисперсная пыль осаждается значительно медленнее, а особо мелкодисперсная пыль практически вовсе не осаждается. Таким образом, рассеивание пылевых частиц в воздухе в значительной мере определяется дисперсным составом пыли. Важнейший вопрос пылеулавливания — выбор пылеулавливающего оборудования — решается главным образом на основании дисперсного состава пыли.

Отбор проб производят на прямолинейных участках с установившимся потоком, достаточно удаленных от фасонных частей. Длина участка должна быть 8 — 10 диаметров. Желательно отбор выполнять на вертикальных участках. Предпочтительнее круглые воздуховоды. Скорость в сечении, где забирается проба, должна быть не менее 4 м/с. Поскольку в сечении скорость неравномерна, щюбы следует отбирать в различных частях сечения, разбив его на равновеликие площади (рис. 2.3.). В прямоугольном сечении стороны прямоугольников, на которые разбито сечение, должны быть 150—200 мм. На воздуховоде прорезают отверстия и приваривают штуцера, которые закрывают крышкой. Воздуховоды круглого сечения разбивают на ряд концентрических колец с равновеликими площадями и также приваривают штуцера.

Рис. 2.3. Разбивка площади сечения воздуховода на равновеликие площадки:

о — при прямоугольном сечении; б — при круглом сечении

Дисперсный состав пыли имеет первостепенное значение для разработки и совершенствования пылеулавливающих аппаратов и систем, а также для осуществления мероприятий по предотвращению выделения пыли и ее распространению.

Дисперсный состав определяют лабораторными исследованиями пыли с использованием различных методов.

Нужно выразить размер пылевой частицы таким образом, чтобы он был наиболее характерен. Пылевые частицы обычно имеют неправильную форму.

Имеется несколько способов выражения размеров пылевых частиц: по диаметру частицы 8; по размеру в свету наименьших размеров ячеек сита, через которые проходят данные частицы; по диаметру шарообразных частиц, имеющих такую же массу; по наибольшему линейному размеру частиц неправильной формы; по Диаметру условных шарообразных частиц, обладающих при оди-Н4ЦСовой плотности скоростью витания, равной скорости витания Данной пылевой частицы. Точно размер частицы может быть выражен диаметром шарообразной частицы. Однако частицы такой формы практически не встречаются. Поэтому для выражения размера частицы пользуются понятиями эквивалентный диаметр, се-диментационный диаметр и др.

Эквивалентный диаметр частицы неправильной формы 8, — Диаметр шара, объем которого равен объему частицы, или диаметр круга, площадь которого одинакова с площадью проекции частицы .

Седиментационный диаметр частицы 8, — диаметр шара, скорость оседания и плотность которого соответственно равны скорости оседания и плотности частицы неправильной формы.

Интервал дисперсности аэрозольных частиц весьма велик: от 10~7 до КГ1 см. Нижний предел определяется возможностью длительного самостоятельного существования весьма малых частиц; верхний предел ограничен тем, что крупные частицы весьма быстро осаждаются под действием сил тяжести и во взвешенном состоянии практически не наблюдаются.

Весь диапазон размеров частиц разбивают на фракции. Фракция объединяет пылевые частицы, находящиеся в пределах одного интервала размеров рекомендуемой шкалы. Например, применяют следующую шкалу размеров пылевых частиц: 1 — 1,3 — 1,6 — 2,0 — 2,5 — 3,2 — 4,0 — 5,0 — 6,3 — 8,0 — 13 — 16 — 20 — 25 — 32 — 40 — 50 — 63 мкм.

Основные методы определения дисперсного состава пыли

Дисперсный состав пыли определяют на основе лабораторных исследований. Выбор метода определяется видом пыли, требуемой точностью, наличием соответствующего оборудования и др.

Применяют следующие основные методы определения дисперсного состава пыли:

ситовый анализ — разделение частиц на фракции путем последовательного просеивания навески пыли через лабораторные сита с отверстиями различных размеров;

седиментометрия — разделение навески пыли на фракции путем ее осаждения в жидкой или газообразной среде;

микроскопический анализ — рассмотрение пылевых частиц с помощью оптического или электронного микроскопа, определение формы частиц, их размера и количества по фракциям;

центробежная сепарация — разделение пыли на фракции с помощью центробежной силы в специальном аппарате.

Ситовый анализ применяют, как правило, для исследования грубой пыли, в которой масса частиц мельче 100 мкм составляет не более 10 %.

Пробу (навеску) пыли разделяют на фракции, последовательно просеивая ее через сита с отверстиями разного размера.

Под размером отверстий подразумевают длину стороны квадратной ячейки.

В нашей стране стандартизированы сита с отверстиями 40 мкм и более. При этом не представляется возможным определить дисперсный состав пыли в области мелких фракций, которые представляют наибольшую опасность. В мировой практике применяются сита с весьма малыми ячейками. Так, в Германии изготовляются сита с ячейками размером от 5 мкм.

Применяют ручной и механический просевы. Ручной просев обычно используют при исследовательской работе, а также для ответственных производственных анализов. Механический просев осуществляется с помощью специальных приборов (рис. 2.4.).

Рис. 2.4. Механический ситовый анализатор модели 029М: 1 — крышка; 2 — набор сит; 3 — столик; 4 — эксцентриковый вал; 5 — станина прибора; 6 — электродвигатель; 7 — кулиса; 8 — винты; 9 — рычаг

Продолжительность анализа значительно сокращается. Обычно выполняют два анализа ситовым методом. Отклонение их результатов по каждой фракции не должно отличаться более, чем на 2 %.

Кроме сухого просева, который наиболее распространен, применяют также мокрый — для исследования влажной пыли, а также в тех случаях, когда пыль склонна к образованию конгломератов и сухой просев затруднен.

Для рассмотрения под оптическим микроскопом приготовляют препараты по методу осветления. Запыленный фильтр из материала ФПП-15 подвергают воздействию паров растворителя, например, ацетона. Материал фильтра расплавляется, образуя прозрачную пленку, и фиксирует частицы пыли. Метод непригоден Для приготовления препарата пылей, взаимодействующих с растворителем.

Препарат приготовляют также следующим способом: предметное стекло запыляют, а затем накрывают покровным стеклом.

Пылевые частицы измеряют с помощью окулярной микрометрической линейки микроскопа (рис. 2.5.). Дисперсный состав пыли находят, измеряя частицы и определяя количество частиц каждой фракции. Метод микроскопии трудоемок; его применяют, в основном, при выполнении научных исследований. Для ряда видов пыли он является единственно возможным.

Рис. 2.5. Измерение величины с помощью окулярной микрометрической линейки: 1 — окулярная микрометрическая линейка; 2 — объектив-микрометр

Для анализа по данному методу применяют аппарат «Бако» (рис. 2.6.). В вихревое поле, которое имеет траекторию плоской

Рис. 2.6. Схема центробежного сепаратора «Бако»:

1 — верхняя часть ротора

2 — нижняя часть ротора;

3 — выпрямитель воздушного потока; 4 — кольцевая щель; 5 — коллектор; 6 — подкладка; 7 — пылесборник; 8 — пыль (крупная фракция); 9 —рукоятка тормоза; 10 — борт ротора; 11 — крыльчатка вентилятора; 12 — камера сепарации; 13 — питающая воронка; 14 — винт заслонки; 15 — исследуемая пыль; 16— винт вибропитателя; 17— вибропитательспирали, вводят исследуемую пыль. Под действием центробежной пыли происходит разделение пыли на две фракции, затем отделяют следующую фракцию и т. д. Таким образом происходит разделение навески на восемь фракций. Аппарат не может быть применен для анализа слипающихся и волокнистых пылей, так как они забивают камеру разделения прибора, что нарушает его работу.

Действие АЗ-5 основано на том, каждая аэрозольная частица в оптическом датчике генерирует электрический импульс. Амплитуда импульса пропорциональна размеру частиц.

Канал непрерывного измерения прибора имеет диапазоны (количества частиц на 1 л воздуха): 0 —- 1000 ; 0 — 3000 ; 0 — 10000; О — 100000 ; 0 — 300000.

Погрешность прибора при определении счетной концентрации частиц не превышает ± 20 %.

Прибор работает от сети переменного тока напряжением 220 ± 10 В .или от источника постоянного тока напряжением 12 В. Масса прибора до 8,5 кг.

Дисперсный состав пыли представляют в виде таблицы или графика.

В таблице дается распределение пыли по фракциям в процентах от общей массы. Пример приведен в табл. 2.1.
Таблица 2.1.

Дисперсный состав пыли

Таблица 2.2.

Фракции пыли с частицами меньше или больше заданного размера

Размер частиц с/, мкм	1,5	2,5	4	7	10	15	25	50
Масса частиц больше d, %	97,81	94,08	86,19	70,74	49,61	30,98	17,82	6,66
Масса частиц меньше d, %	2,19	5,92	13,81	29,26	50,39	69,02	82,18	93,34

Академик А. Н. Колмогоров теоретически обосновал, что дисперсность пыли, образующейся при измельчении материала в течение достаточно длительного времени, подчиняется логарифмически нормальному закону распределения. Данное положение неоднократно подтверждено экспериментально.

График дисперсного состава пыли обычно выполняют в вероятностно-логарифмической системе координат. На оси абсцисс откладывают логарифмы диаметров частиц, на оси ординат — массу данной пыли соответствующего размера в процентах. Распределение массы пыли по диаметрам частиц выражается прямой или близкой к ней линией.

ГОСТ 12.2.043-80 подразделяет все пыли в зависимости от дисперсности на пять групп: I — наиболее крупнодисперсная пыль; II — крупнодисперсная пыль; III — среднедисперсная пыль; IV — мелкодисперсная пыль; V — наиболее мелкодисперсная пыль. Номограмма для определения группы дисперсности пыли показана на рис. 2.7


Рис. 2.7. Номограмма для определения группы дисперсности пыли.

Обозначения, принятые на номограмме:

8 — размер частиц пыли, мкм; D — суммарная масса всех частиц ныли, имеющих размер менее данного S, % (от общей массы частиц пыли); 1—V—зоны, характеризующие группы дисперсности пыли

Если линия, характеризующая дисперсный состав

пыли, проходит по нескольким участкам номограммы, пыль относят к группе, более высокой по дисперсности.

Дисперсность пыли характеризует также медианный диаметр.

Медианным диаметром 850 называют такой размер частиц, по которому массу пыли можно разделить на две равные части: масса частиц мельче 850 составляет 50 % всей массы пыли, так же как и масса частиц крупнее 550.
2.2.3. Плотность частиц пыли