Коагуляция частиц в гомогенном или гетерогенном аэрозоле

Коагуляция частиц в гомогенном или гетерогенном аэрозоле происходит за счет различных физических процессов. Столкновения частиц происходят при тепловом броуновском движении и гравитационном оседании, вызываются ветром и турбулентностью. Процесс броуновской коагуляции наиболее эффективно идет в смесях частиц субмикронного размера и менее существен для смесей, состоящих из частиц размером более 1 мкм (Pruppacher, Klett, 1980). Коагуляция более крупных частиц происходит главным образом при их столкновениях. В ламинарных и турбулентных потоках эти частицы могут двигаться с различными относительными скоростями и их траектории не совпадают с криволинейными линиями тока. Гравитационная коагуляция обусловлена различной скоростью оседания частиц разного размера, при этом крупные частицы могут догонять и захватывать более мелкие. Для эффективного протекания данного процесса необходимо, чтобы скорости частиц значительно отличались. Из участвующих в столкновении частиц, следовательно, по крайней мере одна должна быть большого размера. Относительная роль различных механизмов коагуляции характеризуется кривыми.
Чтобы при сближении частиц произошла коагуляция, они должны столкнуться и прилипнуть друг к другу. Частицы субмикронного размера, характеризуемые малым эффективным числом Стокса, движутся вдоль линий тока. Столкновение такой частицы с какой-либо поверхностью может произойти, если частица продиффундирует к ней сквозь ламинарный пограничный слой, образующийся при обтекании препятствия потоком воздуха. Однако коэффициент диффузии аэрозоля (сравнительно) очень мал, поэтому из-за малого времени пребывания частицы в пограничном слое столкновения не происходят. Более крупные частицы могут пересекать линии тока и сталкиваться с поверхностью.
Столкнувшиеся частицы могут удерживаться вместе за счет действия различных сил. Частицы сухого субмикронного аэрозоля удерживаются вандерваальсовскими поверхностными силами. Под действием сил поверхностного натяжения капли могут сливаться в более крупные, а сухие частицы — смачиваться. В аэрозолях, состоящих из крупных сухих частиц, обладающих достаточным электрическим зарядом, за счет кулоновских сил может эффективно происходить кластеризация. Химические вещества, сконденсировавшиеся на поверхности частиц, могут цементировать и скреплять их агломераты.
Однако при соударении частицы не всегда слипаются. Они могут разлететься или при большой относительной скорости расколоться с образованием более мелких частиц (Rosinski, Lunger, 1974).
Как отмечалось выше, при горении нефти и пластмасс образуются сажевые агрегаты значительного размера (Day el ai, 1979). При высокотемпературном горении органических веществ, происходящем в условиях недостатка кислорода, образуются зародыши сажевых частиц в виде концентрированного аэрозоля, состоящего из сфероидальных частиц аморфного углерода диаметром примерно 50 нм (Wagner, 1980). Электрически заряженные сфероиды кластеризуются, образуя цепочечные структуры, при коагуляции которых позднее формируются «пушинки» сажи. Если перемешивание дыма и чистого воздуха происходит достаточно быстро, то размеры цепочек остаются весьма малыми (менее 1 мкм). Если дым очень густой, то из цепочек могут образовываться агрегаты гораздо большего размера (более 10 мкм). Скорость «разбавления» дыма чистым воздухом является важным параметром при оценке размера образующихся частиц (NRC, 1985). Размер кластеров при типичных значениях скорости перемешивания обычно сравнительно невелик. Тем не менее ожидается, что крупные пожары нефтехранилищ, когда более 10% дыма составляет сажа, будут сопровождаться образованием большого количества частиц, размеры которых превышают 1 мкм. Вымывание таких больших частиц может происходить довольно эффективно. В настоящее время характеристики всех этих процессов изучены недостаточно полно (как теоретически, так и экспериментально).
Важно отметить, что аэродинамические и оптические свойства сажевых агломератов отличаются от свойств сферических частиц той же массы. Эффективное аэродинамическое сечение этих структур (при данной массе) чрезвычайно велико. Поэтому скорость оседания у них меньше, а взаимодействие с поверхностями слабее, чем можно ожидать для частиц такого размера. Большое аэродинамическое сечение агломератов частиц сажи может привести к увеличению скорости коагуляции этих частиц (Ваит, Mulholland, 1984). Размеры частиц, составляющих аэрозоль, определяются на основе анал