同じ圧力下で別々の恒温容器に入れる p ガスがあります あそして で、量とモルで測定されます。 これらの容器が接続されると、システムの全体積全体にわたってガス混合物の均一な組成が確立されるまで、ガスの自発的混合が発生します。 ソースガスとその混合物は理想ガスの状態方程式に従うと仮定します。 次に、一定の全ガス圧力を維持しながら、 p 得られる混合物中のガスの分圧は等しくなります

理想気体が混合されている場合、熱効果は存在しないため、気体とサーモスタットの間で熱交換は行われず、系のエントロピーの変化は系内のプロセスの不可逆性によって完全に決定されます。

エントロピーの望ましい変化を見つけるには、記述された自発的プロセスを、システムの同じ初期状態と最終状態の間の精神的平衡遷移と対比する必要があります。

ガスの平衡混合のために、サーモスタットと同様に、ケモスタットと呼ばれる特別な仮想装置を使用します。 . この装置は、摩擦のない可動ピストンを備えたサーモスタット制御シリンダーで構成されています。 シリンダーの底部には、特定の化学物質のみを選択的に透過する膜があります。 後者は、ケモスタットに装填された個々の物質を、別の容器にある研究対象の物質の混合物から分離します。 浸漬された物体の所定の温度を維持したり、平衡モードで後者を加熱または冷却したりするように設計されたサーモスタットとは異なり、ケモスタットの助けを借りて、所定の化学ポテンシャルの特定の値を確実に維持します。研究中の物質の混合物中の個々の物質、および混合物からの物質の平衡供給と除去。 化学ポテンシャル 私 - ケモスタット内の化学成分は温度によって一意に決定されます Tそしてピストンにかかる圧力。 ピストンの圧力を変更することで、選択膜を通過する特定の成分の遷移方向を変えることができます。研究対象の混合物中の成分の化学ポテンシャルであれば、その物質がいつ混合物に追加されるかになります。 、いつ – 混合物から除去され、ケモスタットと混合物の間で化学平衡が維持されたとき。 混合物の組成の準平衡変化は、膜の両側の化学ポテンシャル値の非常に小さな差の影響下での膜を通過する物質の拡散移動に対応します。

理想気体の化学ポテンシャルは、この気体が単独の状態にあるか、他の理想気体との混合物にあるかに関係なく、次の単純な関係で表されます。 p 私純粋なガスの圧力または混合物中のその分圧のいずれかです。 したがって、理想気体が半透膜を通過する場合、混合物とケモスタットの間の平衡は、ケモスタット内の圧力と混合物内のガスの分圧が等しいことによって特徴付けられます。

米。 2.3. ケモスタットを使用した 2 つのガスの平衡混合: ある– システムの初期状態。 b– ガスの等温膨張後のシステムの状態。 V– 膜を通してガスを混合した後の最終状態。 1 – 個別のガスケモスタット AとB ; 2 – 半透膜; 3 – ガスを平衡混合するための容器。

理想気体の平衡混合 あそして B個別コンポーネントの 2 つのケモスタットで構成されるサーモスタット システムで実行されます。 あそして B、3番目の容器に接続されています-結果として生じる混合物のコレクションであり、ケモスタットのように、可動ピストンが装備されています（図2.3）。

最初の瞬間に、ケモスタットにそれぞれモルの成分が含まれているとします。 あと成分のモル数 B同じプレッシャーの下で p ; 混合物コレクターのピストンはゼロの位置にあります (ピストンの下のガスの体積はゼロです)。 混合プロセスは 2 段階で実行されます。 最初の段階では、気体の可逆的な等温膨張を実行します。 あそして B; プレッシャーをかけながら あから減らす p 設定圧力と圧力まで Bそれに応じてから p に 。 1 番目と 2 番目のケモスタット内のガスが占める体積は、それぞれ から 、 から に変化します。 最初のケモスタット内で膨張するガスによって行われる仕事は次のとおりです。 ; 2番目に 。 したがって、最初の段階では、仮想デバイス内で全体的な作業が実行されます。 理想気体の等温膨張中、その内部エネルギーは変化しないため、この仕事はサーモスタットからの等価熱供給によって行われます。 したがって、系内のエントロピーの可逆変化は次のようになります。

プロセスの第 2 段階 (混合自体) では、3 つのピストンの同期動作により、ガスをケモスタットから選択膜を介して混合物リザーバーに移送します。 同時に、ケモスタットとコレクターの両方で、それぞれのピストンに一定の圧力が維持され、膜を通過するガスの平衡遷移が保証されます (より正確には、コレクター内で圧力が生成されます)。わずかに少ない p 、膜を通した拡散に対するゼロではない推進力を維持します）。 この場合の混合プロセスの可逆性は、3 つのピストンすべての移動方向を同期して変更できることによって確保されており、これにより混合物が個々の成分に逆に分割されます。 操作が完了すると、混合物は明らかに の体積を占めます。

理想的なガスの混合には熱効果が伴わないため、動作の第 2 段階ではデバイスとサーモスタットの間で熱交換は発生しません。 したがって、この段階では系のエントロピーに変化はありません。

第 2 段階でガスが行う仕事がゼロであることを直接計算によって検証すると便利です。 実際、ケモスタット内のピストンを動かすために仕事が消費されますが、同時に同じ量の仕事がガスコレクター内で実行されます。 ここから。

したがって、ガスの混合中のエントロピーの総増加は式 (2.9) によって決定されます。 混合の平衡バージョンでは、この増加が熱の戻り供給と同等の仕事量の生成に関連している場合 次に、ガスの直接（不可逆的）混合により、系内でのエントロピーの生成により同じエントロピーの増加が発生します。 システムは何も実行しません。

置換 (2.8) の後、式 (2.9) は次のように書き換えることができます。

. (2.10)

この関係には明らかな矛盾があるため、熱力学のコースでは必須の場所が与えられます。 エントロピーの変化（理想気体を混合するとき！）については、何が何と混合されるか、またどのような圧力と温度で混合されるかは問題ではないことは注目に値します。 基本的に、ここでは非公式の導出 (2.10) を示します。

結論 (2.10) をその有用な結果で補足しましょう。 成分のモル分率の紹介 と、得られた混合物 1 モルあたりのエントロピーの変化の式が得られます。

. (2.11)

この関数の最大値は、ガスの等モル混合物、0.5 で発生します。

物質の混合物の分離理論の観点から、十分に大きなモル数の成分を追加したときのエントロピー生成の変化を追跡することは興味深いです。 B成分1モルに対して あ。 設定と (2.10) で、次を取得します。

(2.12) を導出する際には、対数関数の数学的表現が使用されました。

.

式 (2.12) は、混合物を連続的に希釈すると、不純物成分 1 モルあたりのエントロピーが無限に増加することを示しています。

式(2.10)は、有限量のガスを混合したときのエントロピー増分の積分値を与えます。 熱伝達の式 (2.7) と同様のコンパクトな微分式に到達するために、成分混合モデルを修正します (図 2.4 を参照)。 混合は、両方の成分を透過する膜を通して、または混合物で満たされた容器を分離する十分に狭いバルブを通して起こると仮定します。 あそして B異なる組成の。 このシステムはサーモスタットで制御されており、ピストンを使用して両方の容器内の圧力が一定に維持されます。 p 。 混合速度が制限されているため、各容器内の混合物の組成は容器の体積全体にわたって均一であると考えることができます。 したがって、このシステムは、弱伝導性の隔壁を備えた熱交換システムに似ています。

ガスの混合。 分子およびモル（乱流）拡散

分子拡散- あるガスの分子が別のガスの中に相互浸透し、完全な混合物を形成するプロセスは、静止ガスおよび層流で観察されます。

分子拡散では、ガスの混合は分子の熱運動によって決まります。 分子の運動速度ですが、 W平均して は非常に大きく、自由行程長 / は小さいです。 したがって、分子の拡散は非常にゆっくりと進行します。 フィックの法則によれば、ある層から別の層に拡散するガスの量は次のようになります。

ここで、 は分子拡散係数 m 2 /s です。 直流/DN -

拡散ガスの濃度勾配、kg/m4。

気温が上がるにつれて Dそして拡散強度が増加します。 サイズ D ND によって修正された Sutherland 式を使用して決定できます。 コソバ:

ここで、D)12 は、圧力下での 1 つのガス (1) から別のガス (2) への拡散係数です。 pQ温度は7℃。 Q および C2 は、混合物の成分 K のサザーランド係数です (メタン C = 198、空気 - 119、窒素 - 107.0 2 - 138、C0 2 - 255)。 p0、 G 0 - 通常の物理的条件下での圧力と温度の値 (ポ= 1.01 10 5 Pa; T0= 273K)。

分子の拡散係数を決定するためによく使用されます D単純な累乗公式が使用されます

どこ n- 経験的係数

多成分混合物の拡散係数の依存性はより複雑です (p. 80 を参照)。

乱流では、拡散、熱伝達、内部摩擦が乱流移動とガスの巨視的な有限の質量、つまり乱流モルの混合に関連します。 これらのモルのサイズと混合前の移動経路はさまざまであり、これらの量にはさまざまな値があります。 蛾の動きは本質的に脈動しており、蛾の動きの速度は流れを横切る脈動の速度です。 Re 数が低い場合、大規模な脈動が観察され、乱流速度は長距離でのみ大きく変化します。 下 脈動スケール(乱気流) 速度の大きな変化が起こる長さのオーダーを理解します。 大規模な脈動の周波数は低いです。

Reが増加すると、大規模な脈動に加えて、高周波の小規模な脈動も現れます。 大規模な脈動の規模は、システムの寸法を決定する程度です (. D、アイチャネリングやフリージェットなど）。 大規模な脈動は、内部摩擦、拡散、熱伝達といった乱流混合のプロセスを決定します。 小規模な脈動により粘性散逸が起こります。 大きなほくろからのエネルギーは小さなほくろに伝達され、それらによって消散されます。 乱流拡散中の混合は分子の拡散によって完了します。

次元の考慮と分子転移プロセスとの類似性を使用して、この概念を紹介します。 乱流伝達係数 A T、これは乱流における内部摩擦、拡散、熱伝達を特徴づけます。

どこ G- 乱気流の規模、乱気流の動きの長さ

混ざり合うまで祈ります（アナログ/）。 - 二乗平均平方根

脈動するスピード。

係数 で乱流の拡散係数でもあります D T乱流熱拡散率 でと粘度 (vT)。 それは気体の性質には依存せず、乱流の特性によって決まります。

(3.57) を (3.56) に代入すると、プラントルの公式が得られます。

関係式 (3.58) により、乱流における伝達係数を推定できます。 移動（拡散）過程を計算するには、分子過程に関連する関係式（方程式）を使用して置き換えることができます。 D、A、V D T では、 そして、 vx. 乱流輸送と分子輸送の影響が同等である場合、合計係数が導入されます。

多くの技術的問題を解決するには、異なる気体 (液体) または異なる量の同じ気体 (液体) を異なる熱力学的状態で混合することが必要になることがよくあります。 置換プロセスを組織化するために、かなり広範囲にわたる多種多様な混合装置および装置が開発されてきた。

混合プロセスの熱力学解析では、通常、最初の混合成分の状態の既知のパラメーターから混合物の状態のパラメーターを決定することがタスクになります。

この問題の解決策は、このプロセスが実行される条件によって異なります。 実際の条件下で発生する気体または液体の混合物を形成するすべての方法は、次の 3 つのグループに分類できます。1) 一定体積で混合するプロセス。 2) 流れの中で混合するプロセス。 3) 容積を充填するときに混合します。

混合プロセスは通常、混合システムと環境の間で熱交換なしで起こる、つまり断熱的に起こると考えられています。 熱交換の存在下での混合は、熱交換を行わない断熱混合と、得られた混合物と環境との熱交換の 2 つの段階に分けることができます。

結論を単純化するために、2 つの実際のガスの混合を考えてみましょう。 3 つ以上のガスの同時混合は、新しい成分を順次追加することで 2 つのガスの計算式を使用して求めることができます。

混合物をその成分に分離するには必然的に労力が必要であるという理由だけで、混合のすべてのケースは不可逆的なプロセスです。 他の不可逆プロセスと同様に、混合中にエントロピーが増加します。 S c システムとそれに伴うパフォーマンスの損失 (エクセルギー): デ = Tああ S c 、ここで Tо.с – 周囲温度。

異なる圧力と温度のガスを混合する場合、混合ガス間の不可逆的な熱交換や圧力差を利用できないことにより、さらなる性能の損失が発生します。 したがって、混合中のエントロピーの増加は、性質の異なる気体または液体の実際の混合（拡散）の結果と、混合物質の温度と圧力の均一化の両方によって発生します。

可能な混合方法を見てみましょう。

2.1. 定容混合プロセス

ある程度の容量の断熱容器を用意しましょう Vパーティションによって 2 つのコンパートメントに分割され、そのうちの 1 つはパラメーターを備えたガス (液体) を含みます。 p 1、う1、 T 1 , U 1、もう一方 – パラメーターを備えた別の気体 (液体) p 2、う2、 T 2 , U 2、(図2.1)。

米。 2.1. 混合工程図

一定の量で

1つの区画内のガスの質量とこの区画の体積をそれぞれ表します メートル 1と V 1、そしてもう一方のコンパートメントでは - メートル 2と V 2. 分割隔壁を取り除くと、各ガスは拡散によって全体積に広がり、混合物の体積は明らかに合計に等しくなります。 V = V 1 + V 2. 混合の結果、容器全体のガスの圧力、温度、密度が均一になります。 混合後のガス状態パラメータの値を示しましょう p、う、 T, U.

エネルギー保存則によれば、結果として生じるガスの混合物の内部エネルギーは、各ガスの内部エネルギーの合計に等しくなります。

U = U 1 + U 2

メートル 1 あなた 1 + メートル 2 あなた 2 = (メートル 1 + メートル 2) あなた = む. (2.1)

混合後のガスの比内部エネルギーは次のように求められます。

. (2.2)

同様に、混合物の比容積は次のようになります。

. (2.3)

混合後のガスの残りのパラメーターについては ( p, T, S）、気体と液体の場合、混合成分のパラメーターの値を通じて一般的な形式で分析的に計算することはできません。 それらを決定するには、使用する必要があります U、等圧線と等温線がプロットされる U ダイアグラム、または U, T- 等重線と等圧線をマークした図 (同じ気体を混合する場合)、または気体と液体の熱力学特性の表。 関係式 (2.2) と (2.3) および混合後のガスの u を使用して決定すると、図または表から見つけることができます。 p, T, S.

価値観 p, Tそして S混合後の気体は、理想気体の場合に限り、混合部分の状態パラメータの既知の値を通じて直接表現できます。 からの温度範囲における最初のガスの熱容量の平均値を表します。 T 1から Tを通して 、およびからの温度範囲の別のガス T 2～ Tを通して
.

それを考えると
;
;
式 (2.2) から、次が得られます。

T =
または T =
, (2.4)

どこ g 1と g 2 – 混合物を構成する理想気体の質量分率。

理想気体の状態方程式から次のことがわかります。

メートル 1 = ;メートル 2 = .

(2.4)に質量値を代入すると、混合ガスの温度は次の式から求められます。

T =
. (2.5)

理想気体の混合物の圧力は、混合気体の成分の分圧の合計として定義されます。
、ここで分圧は そして は、クラペイロン方程式を使用して決定されます。

エントロピーの増加 S不可逆混合による c 系は、混合後の混合物に含まれるガスのエントロピーの合計と混合前の初期成分の差によって求められます。

S = S – (メートル 1 S 1 + メートル 2 S 2).

2つの気体が混合する場合の理想気体の混合物用。

S c = メートル[(g 1 C p 1 + g 2 C p 2) ln T – (g 1 R 1 + g 2 R 2) ln p]–

– [メートル 1 (C p 1ポンド T 1 – R ln p 1) + メートル 2 (C p 2ポンド T 2 – R ln p 2)]–

–メートル(R 1 g 1ポンド r 1 + R 2 g 2ポンド r 2),

どこ r 私– 混合物を構成する理想気体の体積分率。

R– 混合物の気体定数。次の方程式で決定されます。

R = g 1 R 1 + g 2 R 2 .

一定体積で混合するときのエクセルギーとアネルギーの図を図に示します。 2.2.

米。 2.2. エクセルギーとアネルギーの図

一定の体積で混合する:
– 混合中の比エクセルギーの損失

2. 温度の異なるガスや蒸気の混合。

これが大気霧が形成される仕組みです。 ほとんどの場合、霧は晴天の夜、集中的に熱を放出する地球の表面が大幅に冷えるときに発生します。 暖かく湿った空気は、冷却している地球または地表近くの冷たい空気と接触し、その中で液体の小滴が形成されます。 暖気前線と寒気前線が混合するときにも同じことが起こります。

3. 蒸気を含む混合ガスの冷却。

このケースは、水が沸騰したやかんの例で説明できます。 注ぎ口から水蒸気が出ますが、光が散乱しないので目立ちません。 次に、水蒸気は急速に冷却され、その中の水が凝縮し、やかんの注ぎ口から少し離れたところで、すでに乳白色の雲、つまり光を散乱する能力のために見えるようになった霧が見えます。 寒い日に窓を開けると、同様の現象が観察されます。 フライパンで沸騰した油が室内にガス（油エアロゾル）を発生させると、より耐久性の高いエアロゾルが形成されます。このガスは、部屋を十分に換気することによってのみ除去できます。

さらに、ガス反応の結果として凝縮エアロゾルが形成され、不揮発性生成物の形成につながる可能性があります。

・燃料の燃焼中に煙道ガスが形成され、その凝縮によって燃焼煙が発生します。

· リンが空気中で燃焼すると、白煙が形成されます (P 2 O 5)。

・ガス状のＮＨ ３ とＨＣｌの相互作用により煙ＭＨ ４ Ｃ１（ｓｖ）が生成される。

· 空気中の金属の酸化は、さまざまな冶金および化学プロセスで発生し、金属酸化物の粒子からなるヒュームの形成を伴います。

分散方法

分散性エアロゾルは、気体環境における固体および液体の粉砕（噴霧）中、および気流の作用下で粉末物質が懸濁液に移行する間に形成されます。

固体の噴霧は 2 段階で行われます。

研磨してからスプレーします。 他の分散系とは異なり、乳濁液、懸濁液、エアロゾルなどを事前に調製することができないため、物質のエアロゾル状態への移行はエアロゾルの適用時に実行する必要があります。 家庭環境において、液体および粉末エアロゾルを入手するほぼ唯一の手段は、「エアロゾルパッケージ」または「エアロゾル缶」と呼ばれる装置です。 中の物質は圧力下で包装され、液化ガスまたは圧縮ガスを使用して噴霧されます。

エアロゾルの一般的特徴

エアロゾルの特性は次によって決定されます。

分散相および分散媒の物質の性質。

エアロゾルの部分的および質量集中。

粒子サイズと粒子サイズ分布。

一次（凝集していない）粒子の形状。

エアロゾル構造。

粒子電荷。

エアロゾルの濃度を特徴付けるには、他の分散系と同様に、質量濃度と数値 (部分) 濃度が使用されます。

質量濃度は、ガスの単位体積あたりのすべての浮遊粒子の質量です。

数値濃度は、エアロゾルの単位体積あたりの粒子の数です。 エアロゾル形成の瞬間の濃度数値がどれほど大きくても、数秒後には 10 3 粒子/cm 3 を超えることはできません。

エアロゾル粒子サイズ

最小粒子径は、物質が凝集状態で存在する可能性によって決まります。 したがって、水の 1 分子は気体、液体、固体を形成することはできません。 相を形成するには、少なくとも 20 ～ 30 個の分子の集合体が必要です。 固体または液体の最小粒子は、1×10 -3 ミクロン未満のサイズを持つことはできません。 気体を連続媒体とみなすには、粒子サイズが気体分子の自由行程よりもはるかに大きい必要があります。 粒子径の上限は厳密には定められていませんが、100ミクロンを超える粒子は空気中に長時間浮遊し続けることができません。

エアロゾルの分子速度論的特性

エアロゾルの分子動力学特性の特徴は次のようなものによるものです。

分散相粒子の濃度が低い - したがって、1 cm 3 の金ヒドロゾルに 10 16 個の粒子が含まれる場合、同じ体積の金エアロゾルに含まれる粒子は 10 7 未満になります。

分散媒（空気）の粘度が低いため、粒子の移動時に生じる摩擦係数（B）が低い。

分散媒の密度が低いため、ρ 部分 » ρ ガスになります。

これらすべてが、エアロゾル中の粒子の移動がリオゾルよりもはるかに激しく起こるという事実につながります。

エアロゾルが密閉容器内にあり (つまり、外部の空気の流れが除外され)、粒子が半径 r と密度 p の球形である場合の最も単純なケースを考えてみましょう。 このような粒子は、垂直下向きの重力とその逆方向の摩擦力によって同時に作用されます。 さらに、粒子はブラウン運動をしており、その結果として拡散が起こります。

エアロゾル内の拡散と沈降のプロセスを定量化するには、次の値を使用できます。

比拡散束 i diff と

比沈降フラックスを測定しました。 。

どのフローが優先されるかを調べるには、それらの比率を考慮してください。

この式では、(p - p 0) » 0 になります。したがって、フラクションのサイズは粒子のサイズによって決まります。

r > 1 μm の場合、i sed » i diff、つまり拡散は無視できます。急速な沈降が起こり、粒子は容器の底に沈みます。

もしrなら< 0,01 мкм, то i сед « i диф. В этом случае можно пренебречь седиментацией - идет интенсивная диффузия, в результате которой частицы достигают стенок сосуда и прилипают к ним. Если же частицы сталкиваются между собой, то они слипаются, что приводит к их укрупнению и уменьшению концентрации.

したがって、非常に小さい粒子と非常に大きい粒子は両方ともエアロゾルからすぐに消えます。前者は壁への付着または接着によるもので、後者は底に沈む結果です。 中間サイズの粒子は最大の安定性を持っています。 したがって、エアロゾル形成の瞬間の粒子濃度がどれほど大きくても、数秒後には 10 3 部/cm 3 を超えることはありません。

エアロゾルの電気的性質

エアロゾル粒子の電気的特性は、リオゾル中の粒子の電気的特性とは大きく異なります。

1. 気体媒体の誘電率が低いため、気体媒体中では電離が実質的に起こらないため、EDL はエアロゾル粒子上では発生しません。

2. 粒子上の電荷は、主に、宇宙線、紫外線、または放射線によるガスの電離の結果として気相中に形成されるイオンの無差別な吸着により発生します。

3. 粒子の電荷は本質的にランダムであり、同じ性質および同じサイズの粒子であっても、大きさと符号の両方が異なる場合があります。

4. 粒子の電荷は、時間の経過とともに大きさと符号の両方で変化します。

5. 特異的吸着がない場合、粒子の電荷は非常に小さく、通常は素電荷の 10 倍を超えません。

6. 比吸着はエアロゾルの特徴であり、エアロゾルの粒子は極性の高い物質によって形成されます。これは、この場合、分子の表面配向によりかなり大きな電位ジャンプが界面表面で発生するためです。 たとえば、水または雪エアロゾルの界面には、250 mV 程度の正の電位があります。

金属およびその酸化物のエアロゾル粒子は通常、負の電荷を帯びており (Zn、ZnO、MgO、Fe 2 O 3)、非金属およびその酸化物 (SiO 2、P 2 O) のエアロゾル粒子は実際に知られています。 5) プラスに帯電している。 NaCl とデンプンの粒子はプラスに帯電しますが、小麦粉の粒子はマイナスに帯電します。

集合的な安定性。 凝固

他の分散系とは異なり、エアロゾルでは粒子の表面と気体媒体の間に相互作用がありません。これは、粒子が互いに付着したり、衝突時に巨視的物体に付着したりするのを妨げる力が存在しないことを意味します。 したがって、エアロゾルは凝集的に不安定な系です。 それらの凝固は、急速な凝固のタイプに応じて発生します。つまり、粒子が衝突するたびに粒子同士がくっつきます。

凝固速度は、エアロゾル数値濃度の増加とともに急速に増加します。

エアロゾルの初期濃度に関係なく、数分後には 1 cm 3 中に 10 8 ～ 10 6 個の粒子が存在します (比較のために、リオゾルには約 10 15 個の粒子があります)。 したがって、私たちは非常に高度に希釈されたシステムを扱っています。

エアロゾルの破壊方法

エアロゾルは凝集的に不安定であるという事実にもかかわらず、その破壊の問題は非常に深刻です。 主な問題は、その解決にはエアロゾルの破壊が必要です。

産業用エアロゾルからの大気の浄化。

産業煙から貴重な製品を回収します。

雲や霧を人工的に散水または分散させること。

エアロゾルは次のものによって破壊されます。

・気流の影響下または同名の粒子の電荷による分散。

· 沈降。

・容器の壁への拡散。

· 凝固;

· 分散相粒子の蒸発 (揮発性物質のエアロゾルの場合)。

最も古い治療施設は煙突です。 化学物質の中には、太陽光の影響で大気の地表に入り、さまざまな反応の結果、より危険性の低い物質に変換されるため、彼らは有害なエアロゾルをできるだけ大気中に放出しようとします（ノリリスク鉱山では）。冶金複合体、たとえば、3 つのチャネルのパイプの高さは 420 m)。

しかし、現代の工業生産の集中化では、排煙を前処理する必要があります。 エアロゾルを破壊するために多くの方法が開発されていますが、それらはいずれも 2 つの段階で構成されています。

1 つ目は分散粒子を捕捉し、ガスから分離することです。

2 つ目は、粒子がガス環境に再侵入するのを防ぐことです。これは、捕捉された粒子の付着と、それらからの耐久性のある堆積物の形成の問題によるものです。

エアゾールシリンダー

エアゾール缶の動作原理は、パッケージ内に置かれた薬剤が排出液体と混合されることです。この液体の飽和蒸気圧は、パッケージが使用される温度範囲で大気圧よりも高くなります。

混合物は、液体上の飽和蒸気圧の影響でシリンダーから放出されます。

安定した物質の飽和蒸気圧は温度によってのみ決まり、体積には依存しないことが知られています。 したがって、シリンダーの全動作時間中、シリンダー内の圧力は一定に保たれ、粒子の飛行範囲とスプレー コーンの角度はほぼ一定に保たれます。

噴霧された物質と排出する液体との相互作用の性質およびその凝集状態に応じて、エアゾール包装内のシステムは異なる数の相で構成されます。 成分の相互溶解性の場合、均一な溶液が形成され、他の場合には乳濁液または懸濁液が形成され、最後に薬物と排出液体が巨視的に不均一系を形成する場合には不均一系が形成されます。 明らかに、最初のケースでは、エアロゾルパッケージには液体と飽和蒸気の二相系が含まれています。 エマルションまたは懸濁液が大気中に放出されると、分散媒だけが粉砕され、得られる粒子は、せいぜい液相での寸法と同じになります。

薬剤と排出液が混合しないか、またはある程度しか混合せず、一方の液体がもう一方の液体中に小さな液滴の形で分散している場合、エマルションが形成されます。

製品が包装から大気中に放出されるときに形成される系の性質は、どの液体が分散相であるかによって異なります。 分散相が薬物の場合、エアロゾルが形成されます。 分散相が真空液体の場合、泡が得られます。 エアゾール缶を使用して得られる粒子のサイズは、製剤に含まれる物質の物理化学的特性、成分の比率、缶の設計上の特徴、および操作時の温度条件によって異なります。

分散の程度は、「出口のサイズを変えることによって」調整できます。

排出する液体の飽和蒸気圧を変更することにより、

薬剤と排泄剤の量比を変えることにより。

物質の排出

最も重要な補助成分は、薬物の大気中への放出とその後の分散を確実にする物質です。 これらの物質は推進剤（ラテン語で「pro-peilere」-駆動するという意味）と呼ばれます。 推進剤は 2 つの機能を実行する必要があります。

薬物を放出するために必要な圧力を加えます。

生成物が大気中に放出される。 推進剤としてフロンと圧縮ガスが使用されます。 フレオンは、脂肪族系の低分子量有機フッ素化合物です。

フロンには次の表記法が採用されています。最後の桁（単位の数）は分子内のフッ素原子の数を意味し、前の桁（10の位）は水素原子の1つ増加を意味し、3番目の桁は水素原子の数を意味します。 (百の数) は炭素原子の数が 1 つ減ったことを意味します。 たとえば、F-22 は CHC1F 2、F-114 は C 2 C1 2 F 4 です。

環状構造の分子からなる物質にも数値指定がありますが、たとえば、C318 - C 4 F 8 (オクタフルオロシクロブタン) のように、文字「C」が数字の前に置かれます。

圧縮ガスとしてはN2、N2O、CO2などが使用されます。

エアゾール包装の利点

1. 薬物の微細分散状態への移行は、液化推進剤の位置エネルギーによって行われ、外部の装置を使用する必要はありません。

2. エアロゾルの生成にアタッチメントは必要ありません。

3. 単位時間内に、かなりの量の物質を分散させて小さな粒子を生成することができます。他の方法を使用した場合、さらに多くのエネルギーが必要になります。

4. 霧化モードは安定しています。結果として生じる粒子のサイズ、それらの飛行範囲、および円錐の頂点の角度は、動作期間全体を通じてほとんど変化しません。

5. スプレーする物質の投与量を事前に固定できます。

6. 粒子サイズを設定できます。

7. エアロゾルの多分散度は低い。

8. すべての粒子は同じ化学組成を持っています。

9. 噴霧された薬剤の無菌性が確保されています。

10. パッケージ内の薬剤は空気中の酸素と接触しないため、安定性が確保されています。

11. バルブが自動的に閉まるため、製品の未使用部分の流出や蒸発による損失の可能性がありません。

12. パッケージはいつでも使用できる状態にあります。

13. 梱包はコンパクトです。 個人または共同での使用を許可します。

最初のエアロゾルパッケージは 80 年代に登場しました。 XX世紀 ヨーロッパでは。 第二次世界大戦中、米国が開発の主導権を握りました。 1941 年に、ガラス容器に殺虫剤を詰めたエアゾールパッケージが開発されました。 推進剤はフロン-12でした。

第二次世界大戦後、米国で工業規模での生産が始まり、その後、世界中の他の国々でも生産が始まりました。

エアロゾルの実用化

エアロゾルが広く使用されているのは、その効率の高さによるものです。 物質の表面の増加は、その活性の増加を伴うことが知られています。 エアロゾルの形で噴霧される少量の物質は大きな体積を占め、反応性が高くなります。 これは、他の分散システムに対するエアロゾルの利点です。

エアロゾルは次の場合に使用されます。

軍事や宇宙を含むさまざまな技術分野。

農業において。 「医療において。

気象学では; 日常生活などで

最近、エアロゾルの形態での剤形の調製が製薬実務で広く使用されている。 エアロゾルの形態の薬剤の使用は、薬剤を広い表面に塗布する必要がある場合（急性気道疾患、火傷など）に便利です。 液体フィルム形成物質を含む剤形は大きな効果をもたらします。 この薬を患部にスプレーすると、絆創膏の代わりとなる薄い透明なフィルムで患部が覆われます。

エアゾール包装の使用についてさらに詳しく見てみましょう。

現在、エアゾール包装の製品は300種類以上あります。

最初のグループ: 家庭用化学物質。

殺虫剤は昆虫を殺すための製剤です。

防虫製品。

家畜を治療するための殺虫剤。

屋内植物や果物、ベリー作物を真菌性疾患や害虫​​から保護するための手段。

ワニスと塗料。

芳香剤。

c コンパウンドの研磨と洗浄。

2番目のグループ:

香水と化粧品。 「ヘアケア製品（スプレー、シャンプーなど）」

シェービングフォームとジェル。

手と足用のクリーム。

日焼けに適したオイルと日焼け防止オイル。

消臭剤。

香水、オーデコロン、オーデトワレ。

3 番目のグループ: 医療用エアロゾル。

4 番目のグループ: 技術的エアロゾル。

潤滑油。

防食コーティング。

保護フィルム。 「乾式潤滑剤。

ボール盤のカッター冷却用エマルション。

5 番目のグループ: 食品エアロゾル。

食品エアロゾル

最初の食品シリンダーは 1947 年に米国で登場しました。 これらにはケーキやペストリーの仕上げ用のクリームが入っており、レストランでのみ使用され、詰め替えのために返却されました。 このタイプのエアゾールパッケージの大量生産が開始されたのは 1958 年になってからです。

エアゾール食品包装は、次の 3 つの主要なグループに分類できます。

低温での保管が必要なパッケージ。

その後の熱処理を伴う包装。

その後の熱処理を行わずに包装します。

クリーム、液体、ペーストの 3 種類の食品がエアゾール パッケージで製造されます。 エアゾールパッケージでは、サラダドレッシング、プロセスチーズ、ジュース、シナモン、マヨネーズ、トマトジュース、30%ホイップクリームなどが購入できます。

食品エアロゾル生産量の増加は、次の理由によるものです。

従来のタイプのパッケージングに勝る利点。

新しい推進剤の開発。

充填技術の向上。

エアゾール食品包装の利点:

使いやすさ。

時間を節約します。

食品はすぐに食べられる状態で包装され、均一な形でパッケージから取り出されます。

製品の漏れがないこと。

湿気が失われない、またはパッケージ内に浸透しない。

香りは失われません。

製品は無菌状態に保たれています。

食品エアゾール製剤には次の要件が適用されます。

1. 噴射剤は高純度、無毒、無味無臭でなければなりません。 現在、二酸化炭素、亜酸化窒素、窒素、アルゴン、C318 フロンが使用されています。

2. 圧縮ガスは水溶液への溶解度が非常に限られているため、泡の形成に関与できません。これはホイップクリーム、装飾用クリーム、ムースなどに必要です。これらの製品には C318 フロンを使用することが望ましいですが、はるかに高価です。

表 18.4 各種食品エアロゾルの配合例

3. フレオンの使用には別の利点があります。液化ガスは製品配合物に導入され、泡の形で放出されますが、その量は 10 重量％以下であり、比較的少量しか占有しません。 これにより、シリンダー容量の 90% (圧縮ガスが入ったパッケージの場合は 50% のみ) という大幅に多くの製品をシリンダーにロードすることができ、パッケージからの製品の完全な放出が保証されます。

4. 噴射剤の選択は、食品の種類と意図する配送形態 (クリーム、液体、ペースト) によって決まります。 CO2 と高純度亜酸化窒素の混合物は、十分に実証されています。 泡を得るには、C318 フレオンと亜酸化窒素の混合物が使用されます。 この混合物をパッケージしたケーキ仕上げ用クリームは、色持ちの良い安定した泡を生成します。 シロップの場合、CO2 が最も適切な噴射剤と考えられています。

シリンダーからの内容物の吐出の品質は、次の要因によって決まります。

製品調製技術;

安定剤（微結晶セルロースが広く使用されています）。

シリンダーとバルブの正しい選択。

シナモンジュースとレモンジュースの場合、必要に応じて製品を滴またはストリームとして分配できる制御されたスプレーヘッドが開発されました。 人工甘味料の場合は計量バルブが使用され、計量バルブが分配する 1 回分の投与量は挽いた砂糖 1 個に相当します。

エアロゾル輸送

空気輸送は製粉、穀物、飼料製粉業界で広く使用されており、自動化の導入、労働生産性の向上、コスト削減のための条件を作り出しています。 ただし、空気輸送の使用には、大量の空気を移動させるための多大な電力消費が伴います (1 kg の空気で 5 ～ 6 kg のバルク材料が移動します)。

より進歩的なのはエアロゾル輸送であり、輸送の開始時の小麦粉のエアレーションと高い空気圧により、空気流中の物質の高濃度が達成されます。 エアレーションにより小麦粉同士の付着が解け、液体のような流動性が得られ、その結果、1kgの空気が200kgの小麦粉まで移動します。

エアロゾル輸送設備は、フィーダー、スーパーチャージャー、材料パイプライン、アンローダーで構成されます。 主な要素はフィーダーで、空気が材料と混合され、混合物に初速度が与えられ、材料パイプラインへの供給が確実になります。

エアロゾル輸送の導入により、工場の生産性が向上し、特定のエネルギー消費量が削減されます。

エアロゾル輸送は製粉だけでなく、バ​​ルク材料や粉末の使用に関連する他の産業でも将来性を秘めています。

エアロゾルは、固体粒子または液滴が気体 (T/G または L/G) 中に浮遊している微小不均一系です。

分散相の凝集状態に応じて、エアロゾルは次のように分類されます。 煙、粉塵(T/G); スモッグ [(F+T)/G)]。

エアロゾルは、その分散に応じて、霧、煙、粉塵に分類されます。

他の微小不均一系と同様に、エアロゾルは真の溶液 (凝縮法) から、または粗く分散した系 (分散法) から得ることができます。

霧の中の水滴は常に球形ですが、固体の煙の粒子はその起源に応じてさまざまな形状を持つことがあります。

分散相の粒子のサイズは非常に小さいため、吸着、燃焼、その他の化学反応が活発に起こる可能性のある発達した表面を持っています。

エアロゾルの分子動力学特性は次によって決定されます。

低濃度の分散相粒子。 分散媒の粘度が低い。 分散媒の密度が低い。

分散相の粒子のサイズに応じて、粒子はすぐに沈降するか (r < 1 μm)、容器の壁に付着したり、互いにくっついたりします (r < 0.01 μm)。 中間サイズの粒子は最も安定性が高くなります。

エアロゾルは、熱泳動、熱沈降、および光泳動の現象によって特徴付けられます。

エアロゾルの光学特性はリオゾルの特性と似ていますが、分散相と分散媒の屈折率に大きな差があるため、エアロゾルによる光の散乱はより顕著になります。

エアロゾルの電気的特性の特異性は、粒子上で EDL が発生せず、粒子の電荷がランダムであり、大きさが小さいことです。 粒子が接近すると静電的な反発が起こらず、急速に凝集が起こります。

エアロゾルの破壊は重要な問題であり、沈降、凝固、集塵などの方法によって行われます。

粉末は、分散相が固体粒子であり、分散媒が空気またはその他の気体である高濃度の分散系です。 記号：T/G。

粉末では、分散相の粒子は互いに接触しています。 伝統的に、ほとんどのバルク材料は粉末として分類されますが、狭い意味での「粉末」という用語は、粒子間相互作用の力が粒子の質量に見合った一定の臨界値未満の粒径を持つ高度に分散した系に適用されます。粒子。 最も一般的なのは、粒子サイズが 1 ～ 100 ミクロンの粉末です。 このような粉末の比界面は、数 m11.09.2011 (すす) から m2/g の分数 (細かい砂) まで変化します。

粉末は、固体粒子の濃度がはるかに高いという点で、固体分散相 (T/G も含む) を持つエアロゾルとは異なります。 この粉末は、エアロゾルの沈降中に固体分散相を伴って得られます。 懸濁液（S/L）も乾燥すると粉末になります。 一方、粉末からはエアロゾルと懸濁液の両方を得ることができます。

粉末の分類

1. 粒子の形状によると:

等軸 (3 つの軸に沿ってほぼ同じ寸法を持つ)。

繊維状（粒子の長さが幅や厚さよりもはるかに大きい）。

平ら（長さと幅が厚さよりもはるかに大きい）。

2. 粒子間の相互作用によると:

結合分散 (粒子が互いに結合している、つまり系が何らかの構造を持っている)。

自由に分散します (せん断抵抗は粒子間の摩擦のみによるものです)。

3. 分散相の粒径による分類:

砂 (2≤10 -5 ≤ d ≤ 2∙10 -3) m;

粉塵 (2∙10 -6 ≤ d ≤ 2∙10 -5) m;

粉末(d< 2∙10 -6) м.

粉末の入手方法

粉末は、他の分散系と同様に、次の 2 つのグループの方法で取得できます。

粗い系の側では - 分散法による。

真の解決策の側では、凝縮方法による。

どの方法を選択するかは、材料の性質、粉末の目的、経済的要因によって異なります。

分散方法

原料はローラー、ボール、振動、またはコロイドミルで粉砕され、粉砕の結果として多分散粉末が得られるため、分画に分離されます（たとえば、同じ種類の小麦粉には 5 ～ 60 ミクロンの粒子が含まれる場合があります）。 。

効果的な分散は、非常に濃縮された懸濁液を粉砕することによって達成できます。

分散を促進するために、界面活性剤である硬度低下剤が使用されます。 極性均等化の法則に従って、粉砕固体の表面に吸着すると表面張力が低下し、分散時のエネルギー消費が減少し、粉砕相の分散が増加します。

場合によっては、分散前に材料を前処理することもあります。 したがって、チタンまたはタンタルは水素雰囲気中で加熱され、水素化物に変換され、それが粉砕されて真空中で加熱され、純粋な金属粉末が得られます。

塗料や火工品組成物に含まれるフレーク粉末を製造する場合、粉砕にボールミルが使用されます。 ボールは粉砕された材料の粒子を平らにし、転がします。

高融点金属（タングステン、モリブデン、ニオブ）からなる球状粒子の粉末は、アークと高周波放電による低温プラズマで得られます。 プラズマゾーンを通過すると、粒子は溶けて球形になり、その後冷却して固化します。

分散中に材料の化学組成は変化しません。

凝縮方法

これらの方法は 2 つのグループに分類できます。

最初のグループの方法は、疎液性ゾルの凝固による粒子の堆積に関連しています。 溶液の蒸発または溶媒の部分的置換（溶解度の低下）の結果として懸濁液が形成され、それを濾過および乾燥した後、粉末が得られる。

2 番目のグループの方法は、化学反応 (化学縮合) に関連しています。 化学縮合法は、使用される反応の種類に基づいて分類できます。

1. 電解質間の交換反応。 たとえば、次の反応の結果、沈殿したチョーク (歯磨き粉) が得られます。

Na 2 CO 3 + CaCl 2 = CaCO 3 + 2 NaCl。

2. 金属の酸化。

例えば、亜鉛華の主成分である高分散酸化亜鉛は、亜鉛蒸気を300℃の空気で酸化することにより得られます。

3. 炭化水素の酸化。

ゴム、プラスチック、印刷インクの製造に使用されるさまざまな種類のすすは、酸素のない状態で気体または液体の炭化水素を燃焼させることによって生成されます。

4. 金属酸化物の還元。

天然ガス、水素、または固体還元剤による還元は、高度に分散された金属粉末を製造するために使用されます。

さらに、それなしでは人生自体が考えられません。 人体全体は粒子の世界であり、人間の生理機能に従う特定のルールに従って厳密に動き続けています。 生物のコロイド系には、特定のコロイド状態を特徴付ける多くの生物学的特性があります。 2.2 細胞のコロイド系。 コロイド化学生理学の観点から...

混ぜてみましょう n 化学的に反応しない 彼らの間で 理想的 ガス 混合前のすべての成分の状態の初期熱力学パラメーターと混合条件 (環境との相互作用条件) が既知であると仮定します。 見つける必要があります 平衡 混合後のガスの状態のパラメータ。

簡単にするために、このプロセスが発生すると仮定して、混合の 2 つのケースを考えてみましょう。 環境との熱交換なし .

2.1. 混合時 W=定数

この場合、混合条件は、得られる混合物の体積が W cmは混合成分の初期体積の合計に等しい W H i:

(混同しないでください W H i部分ボリュームあり ウィ、1.4.3 項で説明します。)

次のように示しましょう:

ぴーひ– 初期圧力 私番目のガス。

TH i,こんにちは。– 初期温度 私-番目のガスはそれぞれ 0 にまたは0 と.

なぜなら システム全体から n条件下で混合したときのガス W=定数は外部の仕事を実行しないので、この場合の熱力学の第一法則に従って () 次のように書くことができます。

ここ： U cm – 計量するガス混合物の内部エネルギー メートルセンチメートルキログラム

温度とともに T0K;

うひ- 内部エネルギー 私番目のガス質量 私はキログラム

初期温度あり TH i .

次の表記法を導入しましょう。

あなた cm – 温度における混合ガスの比内部エネルギー T0K;

うひ –比内部エネルギー 私-番目の初期温度のガス TH i .

この場合、式 (2.1.1) は次の形式になります。

(2.1.2)

知られているように、理想気体の場合 du=C v dT、内部エネルギーをどこから数えるかというと、 0 0 K書くことができます:

ここで: - 範囲内の平均 0 T0Kガス混合物の質量等容熱容量。

範囲内の平均 0 TH i 0 K質量等積熱容量 私番目のガス。

(2.1.3) を (2.1.2) に代入すると、次のようになります。

しかし、1.4.10 項によれば、ガス混合物の真の質量熱容量は、成分の質量分率で表されます。 ギ・イそしてそれらの真の熱容量は次のとおりです。

同様に、範囲内の平均 0 T0Kガス混合物の質量等容熱容量は次のように決定されます。

この式を式 (2.1.4) の左辺に代入すると、次のようになります。

どこから（2.1.5）

なぜなら 状態方程式から、代入後 私は式 (2.1.5) に代入すると、最終的に混合物の温度の式が得られます。 nガス:

したがって、知られているように、式 (2.1.6) は次の形式で書くことができます。

(積は 0 ～ の範囲の平均であることに注意してください。 TH i 0 K大臼歯 等容熱容量 私番目のガス)

参考文献では、熱容量の温度依存性が次の範囲について経験的に示されていることがよくあります。 0 t0C .

(2.1.8) と (2.1.9) を式 (2.1.2) に代入すると、次のようになります。

交換中 私はその値から、最終的に混合ガスの温度を度単位で表す式が得られます。 摂氏 :

表現する リ分子量を計算すると、次の式が得られます。

式 (2.1.6)、(2.1.7)、(2.1.10)、および (2.1.11) の分母には平均熱容量が含まれており、混合物の温度が平均値の上限として使用されます ( tまたは T）、未定。 このため、混合物の温度は次の式で決まります。 逐次近似法 .

2.1.1. ガス混合中の特殊なケース W=定数

式 (2.1.6)、(2.1.7)、(2.1.10)、および (2.1.11) のいくつかの特殊なケースを考えてみましょう。

1. 気体を混合すると、断熱指数の依存性が決まります。 キ温度は無視できます。

（実は に温度が上昇すると減少するため、

どこ または , あは経験的な正の係数です。

0 ～ 2000 ℃ の範囲での技術的な計算には、次の式を使用できます。

a) 二原子性ガスの場合 に 1,40 - 0,50 10 -4 t;

b) 燃焼生成物用 に 1,35 - 0,55 10 -4 t.

これらの式から、断熱指数に対する温度の影響は明らかです。 に摂氏数百度のオーダーの温度でのみ顕著になります。)

したがって、次のように仮定すると、

この場合、式 (2.1.6) は次の形式になります。

式 (2.1.12) は、式 (2.1.6)、(2.1.7)、(2.1.10)、および (2.1.11) の 1 次近似として使用できます。

2. モル等積熱容量が等しいガスを混合し、これらの熱容量の温度依存性は無視できるとします。つまり、次のようになります。

すると、方程式 (2.1.7) は非常に単純な形になります。

気体のモル等積熱容量が等しい場合、マイヤーの方程式に従います。

モル等圧熱容量は互いに等しくなければならず、したがって断熱指数は等しくなければなりません。

この条件下では、式(2.1.12)は(2.1.13)となる。

2.1.2. ガス混合後の圧力 W=定数

ガスを混合した後に確立される圧力は、1.4.2 項の式または次の条件から決定できます。

R cm Wセンチメートル = メートル cm R cm T= メートル cm T.