Серьезные неприятности причиняют аэрозоли в теплоэнергетике, причем не только те аэрозоли, которые образуются при сгорании топлив и выбрасываются электростанциями, но и мельчайшие капельки, образующиеся в соплах паровых турбин. Тепло сгоревшего топлива, а на атомных электростанциях – энергия распада ядерного горючего воспринимаются теплоносителем, в качестве которого может использоваться вода, некоторые органические жидкости, а также щелочные металлы.

Теплоноситель испаряется, и его перегретый пар под значительным давлением выпускается через сопло Лаваля (обеспечивающее сверхзвуковое течение газа) на лопатки паровой турбины, которая вращает ротор электрического генератора. В сопле достигается сверхзвуковая скорость течения и одновременно происходит адиабатическое (без обмена энергии) охлаждение пара теплоносителя. При этом часть пара теплоносителя конденсируется с образованием мельчайших частиц, что само по себе снижает КПД турбины, поскольку инерционность частиц тормозит разгон потока пара в сопле. Но еще хуже эрозионное воздействие капелек на лопатки турбин. Разогнанные до сверхзвуковой скорости, жидкие капельки приобретают способность вырывать при ударе о поверхность крупицы металла, которые подхватываются и уносятся потоком пара. И это несмотря на то, что лопатки турбин изготовляются из высококачественных, очень прочных сортов стали.

Капельная эрозия приводит к преждевременному износу турбин. Для уменьшения этого эффекта стараются найти режимы течения, обеспечивающие наименьшую степень конденсации, наименьший размер частиц. Подбирают форму сопла, вводят добавки, способствующие образованию большого количества очень мелких капель, а не малого числа крупных. Для разработки этих приемов пришлось в течение многих десятилетий изучать законы конденсации в соплах и законы течения потоков, содержащих капельки конденсата.

Аэрозоли угрожают не только людям. А кому еще? – Животным, птицам, растениям, даже бактериям. Но не только живым существам, но и машинам, механизмам, полупроводниковым приборам, качеству чистых материалов.

Даже незначительная примесь постороннего вещества может изменить качество особо чистого химического продукта. А перенос загрязнений в виде аэрозолей – очень вероятный путь порчи продукта. Поэтому при получении очень чистых веществ приходится принимать тщательные меры по улавливанию частиц. Особенно много вреда могут принести аэрозольные загрязнения самым современным точным отраслям технологии.

Современные электронные приборы, которые используются для самых различных целей в вычислительной технике, в системах управления ракетами, самолетами, кораблями, промышленными роботами, в радио- и телевизионной аппаратуре, содержат интегральные схемы – крохотные полупроводниковые изделия, которые заменяют блок из сотен или даже тысяч электронных ламп или транзисторов с сопротивлениями, конденсаторами, индукционными катушками.

Изготавливаются интегральные схемы из высоко чистых полупроводниковых материалов, в которые вносят строго дозированные порции легирующих добавок, причем и места внесения этих добавок определены очень строго. И вот оказывается, что даже одна-единственная аэрозольная частица размером всего 0,1 мкм и массой около 10~15 г может испортить микросхему. А ведь аэрозольные частицы всегда присутствуют в воздухе.

Они возникают при химических реакциях между газовыми примесями в воздухе, образуются при соприкосновении движущихся частей и трении между предметами, например при ходьбе, когда подошвы трутся о поверхность пола. Наконец, аэрозольные частицы выделяются с человеческим дыханием. Поэтому если не принимать специальных мер, а готовить микросхемы в обычном воздухе, которым мы можем дышать безо всякого вреда, то не менее 99% микросхем будут забракованы. Поэтому приходится прибегать к специальной планировке помещений, продумывать систему фильтрации поступающего в помещение воздуха, устранять все мыслимые источники аэрозолей. Чистота технологической атмосферы в таких производствах должна тщательно контролироваться фотоэлектрическими счетчиками аэрозольных частиц.

Количество серной кислоты в смоге может в несколько раз превышать предельно допустимое, установленное для атмосферы цехов химических производств с шестичасовым рабочим днем.

Для предупреждения смогов мелкие котельные заменяются большими, снабженными высокими дымовыми трубами и улавливающими установками. Дымное угольное топливо в больших городах заменяется на газ или нефть, совершенствуются системы топок для обеспечения меньшего образования окислов азота при горении.

Обычный смог имеет вид густого тумана и бывает обычно в холодное время года. Но в конце 40-х гг. в Лос-Анджелесе жители столкнулись с новой, летней разновидностью смога, при которой видимость может сохраняться значительной – сотни метров и километры. Летний смог называют фотохимическим, поскольку образование его связано с протеканием под воздействием солнечного излучения фотохимических реакций, в результате которых образуются конденсирующие вещества – аэрозольные и другие продукты, остающиеся в газовой и паровой фазах. Среди них – озон и пероксиацетонитрил, раздражающе действующие на слизистые оболочки и дыхательные пути. Образование фотохимического смога связано не только со значительными выбросами выхлопных газов автомобилей, содержащих окислы азота и продукты неполного сгорания бензина, но также с малой рассеивающей способностью атмосферы и высокими интенсивностью и длительностью солнечного освещения. В городах, расположенных севернее 52-й параллели, смог обычно наблюдается в безветренные дни лишь по исчезновении Солнца на закате на значительной угловой высоте над горизонтом.

Для того чтобы ослабить фотохимический смог, необходимо конструировать автомобильные двигатели, обеспечивающие более высокую степень сжатия горючей смеси в цилиндрах и более полное сгорание топлива; нужны запреты на невыключение двигателей перед светофорами – на холостом ходу сгорание топлива особенно низко. В дальнейшем предполагается, что удастся создать экономичные электромобили или двигатели, работающие на водороде. Но следует помнить, что аккумулятор электромобиля заряжается от сети, ток в которую поступает в основном от тепловых электростанций. Поэтому создание электромобилей не означает ликвидации выбросов в атмосферу, а лишь их удаление с городских улиц в район расположения электростанции.

Вредные аэрозоли угрожают здоровью людей не только в цехах, шахтах, котельных. Выше допустимых пределов оказывается загрязненным воздух городских улиц, если не соблюдаются меры по предупреждению выбросов аэрозолей в атмосферу и существуют неблагоприятные погодные условия. В зимнее время, во время отопительного сезона, сжигается значительное количество топлива. В результате в атмосферу попадают дополнительно частицы золы, сажи, а также окиси углерода, триоксида серы, оксидов азота, органических соединений, образующихся при неполном сгорании топлива. Загрязнение больше, если нет очистных сооружений или они плохо работают. Помимо этого, для состояния атмосферы имеет большое значение ее рассеивающая способность, зависящая от метеорологических условий.

Если город хорошо продувается ветрами, в атмосфере создаются условия для быстрого разбавления и выноса загрязнений. Но если подолгу держится штиль, т. е. на некоторой высоте над землей образуется слой теплого воздуха (состояние инверсии), препятствующий подъему теплых струй дыма, то загрязнения скапливаются в приземном слое. Этому также способствует наличие мелких котельных с низкими трубами, выбрасывающих продукты сгорания на небольшую высоту. Обычно это котельные старой постройки, не имеющие устройств для улавливания вредных выбросов.

В отходящих газах котельных содержится и водяной пар. Конденсация пара в грязном воздухе способствует образованию смога. Иногда это приводит к человеческим жертвам. В 1930 г. густой смог на четверо суток окутал долину реки Маас в Бельгии. В результате в окружающих районах погибло около 60 человек. В 1948 г. 20 человек умерло и несколько тысяч людей тяжело заболело во время смога в городе Донора в штате Пенсильвания, США. Наиболее ужасные последствия вызвал смог 5-8 декабря 1952 г. в Лондоне, где около 4000 человек умерло за эти четыре дня.

Предполагается, что наибольший вред во время смога приносят капельки серной кислоты, образующиеся при окислении диоксида серы, растворенного в капельках тумана, под каталитическим действием аэрозольных частиц, содержащих частицы тяжелых металлов.

В середине XX столетия человечество вступило в атомную эру. Технология производства ядерного горючего, развитие атомной энергетики породили новую страшную опасность – радиоактивные аэрозоли. Обычная пыль должна годами скапливаться в легких, прежде чем проявится ее вредное действие. А одна крохотная, но содержащая достаточное количество радиоактивного изотопа пылинка способна привести к гибели человека. Ко времени появления атомной технологии люди уже осознали опасность, которую представляют радиоактивные аэрозоли, и смогли вовремя поставить на ее пути надежные заслоны.

Радиоактивные аэрозоли могут образовываться такими же путями, что и обычные. Например, при распылении растворов и высыхании капелек растворов радиоактивных веществ, при добыче и обработке руд радиоактивных элементов, при выплавке радиоактивных металлов, при их термической и механической обработке. Но есть и специфичные для высокорадиоактивных веществ механизмы образования аэрозолей. Некоторые радиоактивные элементы, например иод, полоний, плутоний, обладают заметной летучестью. Попавшие в атмосферу атомы и молекулы этих элементов или их соединений захватываются аэрозольными частицами, превращая их в радиоактивные. В этом случае аэрозольные частицы служат переносчиками радиоактивных веществ.

Разработаны надежные средства предупреждения образования и улавливания радиоактивных аэрозолей, если они образуются в технологических потоках, в закрытых помещениях. Но беда, если радиоактивный аэрозоль вырвется в атмосферу.

О необходимости строго соблюдать все меры предосторожности при работе с радиоактивными элементами человечеству напомнила авария на Чернобыльской атомной электростанции в апреле 1986 г., когда произошел выброс значительного количества радиоактивных аэрозолей.

Пыли, вызывающие пневмоконизы, – это аэрозоли, образующиеся при разрушении твердых тел. Опасны для здоровья человека и конденсационные аэрозоли с твердыми частицами (дымы), образующиеся в различных производствах. Особенно много вредных аэрозолей образуется в металлургии, при обработке сыпучих руд высокой температурой для спекания в комочки нужного размера, при фьюминговании, при разливе металлов. Аэрозоли окислов металлов, причем высокодисперсные, способные проникать в легкие и осаждаться там, образуются при резке и сварке металлов. Вредность этих частиц отягощается токсическим действием соединений тяжелых металлов, которые могут свертывать белок – основу жизни. В последнее время получены данные, что кластеры металлов, подобно вирусам, способны проникать внутрь клеток через межклеточные мембраны и оказывать искажающее действие на жизнедеятельность клеток.

Ученые и врачи во многих странах работают над средствами защиты людей от вредоносного действия аэрозолей. Как расценить поведение людей, которые добровольно, без всякой производственной необходимости вдыхают концентрированный аэрозоль, содержащий многие токсичные вещества? Речь идет о табачном дыме, который правильнее было бы назвать табачным туманом, поскольку дымами называются конденсационные аэрозоли, состоящие из твердых частиц, а табачный аэрозоль состоит из капелек жидких продуктов сухой перегонки табака. Размер частиц табачного аэрозоля оптимален для глубокого проникновения в легкие и осаждения в альвеолах.

Концентрация никотина, канцерогенного вещества – бензопирена, радиоактивного элемента – полония в табачном дыме в десятки раз превышает ПДК. Конечно, вред от курения уменьшается при курении сигарет с фильтрами, но по-настоящему безопасно курение только через противогаз. Борьба с курением имеет не меньшее значение, чем улавливание выбросов аэрозолей в атмосферу, создание индивидуальных средств защиты легких, подавление пыления в шахтах и при переработке сыпучих продуктов.

Способность частиц осаждаться в альвеолах легких чревата для человека тяжелыми заболеваниями – пневмокониозами. Очень многие вещества, окружающие нас в повседневной жизни и абсолютно безвредные в виде крупных твердых тел, становятся смертельно опасными в аэрозольном состоянии. Частицы горных пород, цементной пыли, угля, асбеста, пылинки, образующиеся при переработке хлопка, льна, сахарного тростника, способны причинить тяжелый, непоправимый ущерб здоровью человека.

После того как частица осела на стенки альвеолы, ее растворимая часть всасывается в кровь и, если вещество токсично, оказывает вредное воздействие на организм. Но и нерастворимые частицы нетоксичных веществ также оказывают вредное действие. Человек может многие годы вдыхать пыль и ничего не чувствовать, а она будет постепенно накапливаться в альвеолах, растягивать их, сдавливать мельчайшие кровеносные сосуды, которые при дыхании должны насыщаться кислородом. Может пройти 10-12 лет, прежде чем проявится разрушительное действие пыли. Расширение альвеол ведет в конечном итоге к утрате дыхательной функции, к снижению жизненной емкости легких. Человек дышит, а кислород не усваивается, не насыщает кровь. Появляются боли в груди, одышка, нижняя часть грудной клетки выпячивается, больной часто кашляет.

Лечить пневмокониозы (силикоз, антракоз, асбестоз и т. д.) очень трудно. Поэтому главное – предупреждение заболевания, защита органов дыхания от пыли. Трудовое законодательство устанавливает жесткие пределы допустимого содержания (концентрации) пыли в воздухе – ПДК. Если обеспечивается ПДК, то заболевания не угрожают человеку. Если ПДК превышается, необходимо применять защитные средства. Особенно низкие ПДК установлены для веществ, частицы которых представляют собой тончайшие жесткие волокна, например для асбестовой пыли. Такие аэрозоли способны вызвать рак легких.

Иодиды свинца и серебра добавляют в пиротехнические составы, которыми снаряжают специальные ракеты или снаряды для зенитных орудий. В районах виноградарства существуют специальные противоградовые службы, оснащенные пушками, пусковыми установками противоградовых ракет, метеорологическими локаторами. Мелкие облачные капли практически не отражают радиолокационное излучение – рассеяние радиоволн на них подчиняется закону Рэлея, согласно которому интенсивность отраженного сигнала пропорциональна четвертой степени отношения размера частиц к длине волны. Для облачных капелек четвертая степень этого отношения составит 10 16 – 10 20, и сигнал будет слишком слаб. Но стоит в облаке образоваться крупным частицам, скажем миллиметровым, как локатор сразу уловит радиоэхо и выдаст координаты опасной зоне. Тогда и производится «засев».

Применение иодидов имеет большое преимущество перед углекислотой – ведь ими можно снаряжать ракеты и снаряды, которые могут храниться долгое время, а углекислота все время испаряется. Читать дальше…

Большой эффективностью обладают аэрозольные частицы йодистого серебра, которые вызывают замерзание водяных капелек при -4° С, и йодистого свинца, эффективного ниже -11° С, в то время как чистая вода замерзает при переохлаждении до _40° С. Из 1 г этих веществ получается до 1015 зародышей ледяных частиц, а расход вещества на «засев» большого кучевого облака составляет около килограмма. Оба этих вещества сравнительно легко возгоняются, а потом конденсируются, образуя частицы нужного размера. Возгонку веществ можно произвести, подмешав их в горючие пиротехнические составы. А пиротехническими составами можно снарядить артиллерийские снаряды или ракеты и обстрелять ими подходящее облако.

Но и с помощью этих реагентов искусственные дожди для увлажнения полей не устраивают. Ведь когда наступает засуха, облаков над полями просто не бывает. А если бы даже появились? Ведь засуха охватывает миллионы гектаров пашни. Даже таких высокоэффективных реагентов в этом случае потребуется слишком много. Поэтому используют «засев» или активные воздействия на облака не для вызывания дождя, а для предупреждения града. Читать дальше…

Частицы размером менее 0,1 мкм называют ультрадисперсными. Основная их особенность – очень развитая поверхность, более 5 м2 г_1<. Благодаря этому такие частицы быстро испаряются и горят. Многие металлы в ультрадисперсном состоянии самовоспламеняются. Способность металлических частиц малого размера к быстрому сгоранию используется для получения ракетных топлив. Ультрадисперсные частицы применяют в качестве пигментов для получения лаков и красок, дающих равномерные покрытия, фотографических эмульсий, сочетающих высокую чувствительность с высокой разрешающей способностью и насыщенностью цветопередачи. Еще более мелкие частицы (менее 0,02 мкм) обнаруживают поистине аномальные свойства. Из-за малого размера меняются постоянные кристаллической решетки вещества, из которого состоит частица. Это влечет за собой изменение электронной структуры, оптических свойств, химической активности. В результате такие частицы можно использовать как катализаторы с необычно высокой активностью, если суметь защитить их от слияния друг с другом при повышенных температурах.
Наиболее область применения ультрадисперсных частиц – получение сплавов и новых композитных материалов с совершенно необычными механическими, оптическими и электрическими свойствами. Читать дальше…