АЭРОЗОЛИ

Аэрозоли (греческий aer воздух + латинский sol[utio] раствор) — дисперсные системы, состоящие из газовой среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы.

Аэрозоли имеют чрезвычайно широкое распространение не только в природе (туманы, облака, почвенная, вулканическая, растительная пыль и др.), но и в производственной деятельности человека, так как образуются при самых разнообразных способах получения, переработки и применения различных материалов в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте.

Образование дисперсной фазы твердых веществ имеет место при взрывах, горении, ударах, размоле, трении, дроблении, сверлении, шлифовке и многих других процессах. Диспергирование жидкостей происходит при разбрызгивании, пульверизации и т. д. Аэрозоли, образующиеся вследствие измельчения твердых и жидких веществ, называют аэрозолями измельчения. Вследствие охлаждения и образования пересыщенного пара, частицы которого хорошо конденсируются на «ядрах конденсации» (мельчайшие твердые или жидкие частицы, газовые ионы), а также путем химических реакций между двумя или несколькими химическими веществами (в результате которых образуется новое вещество с меньшей упругостью пара) происходит образование аэрозоль конденсации. Например, при сгорании цинка образуется аэрозоль окиси цинка (ZnO), фосфора — пятиокиси фосфора (P₂O₅), при взаимодействии аммиака и хлористого водорода образуется аэрозоль хлористого аммония (NH₄Cl). При разложении на воздухе или гидролизе хлористых солей различных элементов (металлов, металлоидов) образуются сложные паро-газо-аэрозольные смеси, дисперсная фаза которых состоит из твердых частиц окислов элементов и частиц тумана соляной кислоты, а дисперсионная среда состоит из воздуха, хлора, паров других возможных соединений, образующихся при реакции с кислородом и водяными парами воздуха. При термической обработке полимерных материалов (пластмасс и др.) образуются также паро-газо-аэрозольные смеси, содержащие в своем составе твердые, жидкие частицы, газы и пары различных химических веществ. При охлаждении на воздухе паров металлов (свинца, меди, алюминия, ванадия, бериллия и др.) образуются аэрозоли конденсации металлов и их окислов. Наиболее часто имеет место образование аэрозоли, дисперсная фаза которых содержит частицы, образующиеся как в результате измельчения, так и конденсации паров. К ним относятся выбросы металлургических предприятий, тепловых электростанций, котельных, аэрозоли, образующиеся при пирометаллургических процессах, сварочных работах и др.

Физико-химическая характеристика аэрозолей

Различные аэрозоли (дымы, туманы, пыль, биоаэрозоли, радиоаэрозоли) обладают рядом общих свойств, так как частицы дисперсной фазы этих систем имеют примерно одинаковые размеры: 10^-3—10^-7 см. Как и лиозоли (см. Коллоиды), аэрозоли обладают кинетической и агрегатной устойчивостью. Кинетическая устойчивость их велика, что обеспечивается малыми размерами частиц и небольшой плотностью воздушной среды. Агрегатная устойчивость аэрозолей, особенно с твердой дисперсной фазой, мала вследствие небольшого электрического заряда на частицах (не более 10 элементарных частиц заряда). Почти каждое столкновение частиц приводит к их слипанию (коагуляции), поэтому средняя частичная концентрация этих систем составляет всего лишь 10⁷ частиц/см² против 10¹⁵ частиц/мл в лиозолях. Концентрация частиц v со временем t уменьшается по уравнению: 1/v — 1/v₀ = Kt, где v₀ — начальная частичная концентрация, К — константа коагуляции. Водяные туманы и облака являются более концентрированными системами, агрегативно более устойчивыми в связи с наличием достаточно большого электрического заряда на поверхности капелек. Заряд последних обусловлен полярностью молекул воды и правильной ориентацией их в поверхностном слое капли.

Лишенные заряда аэрозоли не способны к электрофорезу (см.), но способны к термофорезу и фотофорезу. Термофорез — самопроизвольное удаление частиц аэрозоля от источника тепла — вызывается тем, что молекулы воздуха перед частицей прогреваются сильнее и с большей силой ударяют о частицу, чем молекулы воздуха за ней. Термофорез сопровождается термопреципитацией — осаждением частиц на холодных участках неравномерно нагретого тела. Фотофорез — самопроизвольное перемещение частиц аэрозоля от источника света (положительный фотофорез) или к источнику света (отрицательный фотофорез). Вид фотофореза зависит от величины, формы и прозрачности частицы. Причина фотофореза аналогична причине термофореза. Термофорез и фотофорез наряду с ветром регулируют движение облаков.

Оптические свойства — отражение, рассеивание и поглощение света аэрозолей — зависят от размера, формы и природы частиц. Если размер частиц меньше половины длины волны падающего света, то аэрозоли рассеивают свет и подчиняются закону Ре лея. Этим объясняется голубой цвет неба и красный цвет зари. Конус Тиндаля особенно ярок в аэрозолях вследствие большой разницы в показателях преломления воздуха и дисперсной фазы. Разрушение аэрозолей производят или с целью улавливания ценных продуктов из промышленного дыма, или с целью очистки воздуха от вредных примесей, или для разрушения градовых облаков и туманов. Для этого используют аппараты, построенные на различных принципах: изменении скорости и направления потока аэрозолей (циклоны, мультициклоны, ротационные уловители), действии электрического поля (электрофильтры), фильтрации (сетчатые фильтры, волокнистые фильтры, ткань Петрянова), действии ультразвука, поглощении частиц аэрозолей водой (кондиционеры, скрубберы).

В зависимости от размеров частиц различают: 1) пыль (величина частиц дисперсной фазы более 10 мкм), 2) облака (10—0,1 мкм), 3) дымы (0,1—0,001 мкм). Последние по своим размерам близки к молекулам и находятся в броуновском движении, благодаря которому вероятность столкновения частиц велика, они коагулируют, приобретают больший размер и оседают. Крупные частицы оседают с ускорением в соответствии с законом Ньютона, мелкие — с равномерной скоростью (закон Стокса). Чем выше степень дисперсности аэрозолей и больше число частиц в единице объема, тем быстрее идет коагуляция с последующим осаждением. Полидисперсные аэрозоли коагулируют быстрее, чем изо дисперсные.

Размер частиц определяет и способность их проникать в дыхательные пути. Частицы размером до 5 мкм способны проникать в альвеолы и задерживаться в них (респирабельные фракции). Частицы величиной 10 и более микрометров задерживаются в верхних дыхательных путях и бронхах, в альвеолы не заносятся (табл.). Чем выше степень дисперсности аэрозолей, тем выше их удельная поверхность (суммарная поверхность частиц в единице объема), химическая и физико-химическая активность (растворимость, способность к диффузии и др.). Удельный вес частиц имеет значение для скорости их оседания. По химическому происхождению различают аэрозоли органические, неорганические, смешанные, а по токсичности — токсичные и нетоксичные.

Для оценки опасности и вредности аэрозолей для здоровья наряду со степенью дисперсности основным показателем является весовая концентрация частиц в единице объема аэрозоля, выражающаяся обычно в миллиграммах на кубический метр воздуха.

При попадании в организм аэрозоли способны вызывать пылевые профзаболевания: Пневмокониозы, бронхиты, болезни верхних дыхательных путей, пневмомикозы, повреждения глаз, кожи. Токсичные аэрозоли вызывают острые и хронические отравления. Аэрозоли уменьшают прозрачность атмосферы и доступ солнечной радиации к поверхности земли, угнетают рост растений, учащают туманы в промышленных центрах, загрязняют окружающую среду, что ухудшает санитарные условия жизни человека. Кроме того, аэрозоли наносят экономический ущерб, вызывая порчу производственного оборудования, зданий, унося с выбросами ценные материалы.

Велика и полезная роль аэрозолей. Некоторые лекарственные вещества используются в виде аэрозолей для вдыхания при лечении болезней органов дыхания, для орошения ран, кожных покровов (см. Аэрозольтерапия). В промышленности в аэрозольном состоянии используется топливо (уголь и нефть), катализаторы. С помощью аэрозолей осуществляются металлические покрытия (плазменное напыление), окраска машин и других поверхностей. Аэрозоли применяют для борьбы с насекомыми — переносчиками болезней животных и человека, с вредителями сельско-хозяйственных культур (применение ядохимикатов путем распыления с самолетов, с помощью пульверизаторов, аэрозольных бомб, шашек и др.).

Аэрозоли радиоактивные — твердые или жидкие частицы, которые содержат радиоактивные изотопы. Радиоактивные свойства А. обусловливаются радиационными свойствами радионуклидов, связанных с ними. Кроме показателей, свойственных обычным аэрозолям, радиоактивные аэрозоли характеризуются величиной радиоактивности в частице, распределением радиоактивности по ее объему и функцией распределения радиоактивности между частицами различных размеров. Концентрация радиоактивных аэрозолей в воздухе выражается в виде количества радиоактивности, содержащейся в единице объема воздуха. Для измерения концентрации радиоактивных аэрозолей их осаждают на фильтры, пропуская определенный объем воздуха, а затем соответствующими радиометрическими или спектрометрическими методами, зависящими от типа и энергии излучения радионуклидов, измеряют радиоактивность на фильтре.

По происхождению радиоактивные аэрозоли делятся на естественные и искусственно радиоактивные. Естественные радиоактивные аэрозоли образуются в результате выделения из земной коры радиоактивных благородных газов (радона, торона и актинона) и образования в процессе их распада атомов дочерних радионуклидов, которые присоединяются к частицам, находящимся в атмосфере. Поэтому размер и дальнейшая судьба естественных радиоактивных аэрозолей определяются размером атмосферных аэрозолей (0,001—10 мкм) и их выпадением на землю. Дочерние радионуклиды урана и тория вместе с рудничной пылью образуют естественные радиоактивные аэрозоли при добыче урановых и ториевых руд, а также при добыче некоторых нерадиоактивных ископаемых (свинец, уголь, фосфатные удобрения), имеющих примеси урана в месторождениях. Искусственно радиоактивные аэрозоли образуются в результате ядерных взрывов, при технологических или аварийных выбросах предприятий атомной промышленности, при различных процессах по обработке твердых или жидких радиоактивных материалов, при работе ядерных реакторов, ускорителей заряженных частиц.

Основная опасность радиоактивных аэрозолей для человека — попадание в организм. При поступлении через органы дыхания судьба радиоактивных аэрозолей обусловливается не только физико-химическими свойствами несущей инертной частицы (состояние, размер), но и физико-химическими свойствами связанных с ней радиоактивных изотопов (смываемость, растворимость). Радиоактивные изотопы, поступающие в организм человека в виде аэрозолей при вдыхании, либо отлагаются в тканях легкого, либо абсорбируются в кровь, распределяясь в различных органах и тканях. Труднорастворимые радиоактивные изотопы длительно задерживаются в легких и лимфатических узлах, облучая непосредственно их ткани, в то время как легкорастворимые быстро абсорбируются в кровь, облучая другие ткани организма. В производственных условиях уровень радиоактивных аэрозолей в СССР регламентируется «Нормами радиационной безопасности» (НРБ-69) величиной годового предельно допустимого поступления для персонала в микрокюри в год. Радиоактивные аэрозоли, попадающие на кожные покровы, могут вызвать лучевые ожоги кожи, а также абсорбироваться в кровь. Радиоактивные аэрозоли, как естественные, так и искусственные, оседающие из атмосферы на землю, загрязняя воду, почву, растительность, могут поступать в организм человека или животного с пищевыми продуктами растительного происхождения или попадать при выпасе в организм сельско-хозяйственных животных, а затем с мясными продуктами и молоком в организм человека.

Предпринимаются попытки использовать радиоактивные аэрозоли для диагностических целей в клинической практике. Аэрозоли, главным образом жидкие или коллоиды, содержащие 198Au, 99mTc или другие радиоактивные изотопы, применяют для исследования функционального состояния легких. Однако больших преимуществ по сравнению с применяемыми для этой цели радиоактивными газами у аэрозолей нет.

Биологические аэрозоли представляют собой аэродинамическую систему, в которой твердая (пылевые аэрозоли) или жидкая (капельные аэрозоли) дисперсная фаза содержит биологически активный субстрат в виде микроорганизмов (бактерий, риккетсий, вирусов, цатогенных грибков) или их токсинов. Биологические аэрозоли возникают в результате испарения жидких, высыхания и подъема с пылью сухих экскрементов от больных животных и человека, а также при выделении больными воздушно-капельным путем возбудителей некоторых инфекционных заболеваний (легочная чума, натуральная оспа, грипп и др.), а иногда и бациллоносителями.

По фракционно-дисперсному составу биологические аэрозоли относятся к полидисперсным системам. Величина частиц этих аэрозолей колеблется в широких пределах — от десятых долей до десятков и сотен микрометров. Поведение их в атмосфере подчиняется общим физическим закономерностям. Активность биологического аэрозоля обусловлена наличием в его частицах жизнеспособного патогенного биоагента.

В организм человека биологические аэрозоли попадают в основном через органы дыхания. Инфицирование через конъюнктиву осуществляется частицами аэрозоля и зависит от их концентрации и биологической активности.

Поражающий эффект биологического аэрозоля в основном зависит от характера возбудителя заболевания и величины ингалированной дозы биоагента, которая в свою очередь определяется концентрацией живых микробов во вдыхаемом воздухе (биологическая концентрация), продолжительностью ингаляции и объемом легочной вентиляции зараженного субъекта. Концентрация биоагента, а следовательно и доза прежде всего определяются степенью биологической устойчивости аэрозолей.

Аэрозоли военного значения. В виде аэрозолей могут применяться в военных целях принятые на вооружение некоторых иностранных армий OB (см. Ядерное оружие). Использование OB в виде высокодисперсных аэрозолей существенно повышает их поражающую эффективность. Параметры аэрозолей (агрегатное состояние фазы, фракционнодисперсный состав, концентрация) OB зависят от следующих факторов: физико-химических свойств (стойкость, агрегатное состояние), метода диспергирования (взрыв боеприпасов, распыление с помощью аэрозольных генераторов, сгорание), метеорологических условий (состояния атмосферы), рельефа местности и т. д. Поэтому фракционно-дисперсный состав аэрозоля OB может колебаться от высокодисперсных его форм (туманы, дымы с диаметром частиц от 0,001 до 0,1 мкм) до капельно-жидких форм с диаметром частиц от нескольких микрометров (3—5) до десятков (50—70) и даже сотен (200—400) микрометров. Время существования облака аэрозоля зависит от летучести OB: нестойкие OB (t°_Кип до 120—140°) при взрыве боеприпасов попадают в приземный слой атмосферы в виде пара, стойкие (t°_кип выше 140 °) — в виде тумана, а OB, имеющие очень высокую температуру кипения,— в виде ядовитых дымов. Степень поражения аэрозолем OB определяется свойствами и количеством вещества, попавшего в организм человека.

Радиоактивные аэрозоли, являющиеся одним из поражающих факторов ядерного оружия, представляют собой смесь частиц «осколков» деления ядерных взрывчатых веществ, неразделившейся части ядерного заряда (урана, плутония), частичек элементов боеприпаса с наведенной радиоактивностью, частичек атмосферной пыли и грунта, превратившегося в аэрозоль. При воздушном взрыве радиоактивные аэрозоли образуются в основном за счет материалов боеприпаса, атмосферной пыли и влаги воздуха. Средние размеры частиц аэрозолей после конденсации паров воды равны нескольким микрометрам. Вследствие малых размеров и скорости оседания радиоактивные аэрозоли длительное время остаются в атмосфере и уносятся воздушными потоками на большие расстояния, заражая обширные территории. В наибольшем количестве они образуются при наземных и неглубоких подземных ядерных взрывах за счет вовлечения в облако взрыва огромных количеств грунта. Образующееся облако взрыва состоит из радиоактивных и нерадиоактивных частиц аэрозоля, размер которых колеблется от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Поражающее действие радиоактивных аэрозолей может зависеть от конкретных условий формирования облака. Степень поражения зависит от количества радиоактивных аэрозолей, попавших в организм с продуктами питания, водой, при непосредственном воздействии на открытые участки тела и при вдыхании.

Аэрозоли гербицидов дефолиантов, предназначенные для уничтожения растительности, могут вызывать и отравления людей, находящихся на территориях, подвергнутых обработке.

Методами исследования аэрозолей являются микроскопия, ультрамикроскопия, в том числе поточная ультрамикроскопия, позволяющая определять концентрацию и осуществлять дисперсионный анализ частиц. Крупным шагом вперед явилось применение электронной микроскопии для анализа формы, структуры, размеров частиц высокодисперсных аэрозолей, которые не могли быть исследованы при световой микроскопии. Наиболее важным в гигиенической практике является гравиметрический метод определения весовой концентрации частиц с помощью осаждения их на фильтрах путем просасывания запыленного воздуха с последующим взвешиванием и хим. анализом дисперсной фазы с целью установления содержания в ней свободной и связанной двуокиси кремния (минеральные пыли), ядовитых веществ и др. Гравиметрия, химический анализ и определение степени дисперсности частиц по массе фракций позволяют дать достаточно полную оценку с точки зрения вредного действия аэрозолей на здоровье людей. Сочетание этих методов применяется в целях санитарного контроля воздуха рабочих помещений и атмосферы населенных мест. Иногда применяют счетные (кониметрические) методы (число частиц в единице объема воздуха), которые не дают представления о массе вещества, действующего на организм при вдыхании аэрозоля, поэтому эти методы не получили широкого распространения.

Для гигиенической характеристики аэрозолей, кроме того, применяют определение растворимости частиц аэрозолей в биологических средах (сыворотка крови, желудочный сок, вода и др.), электрического заряда частиц, удельной поверхности частиц. Наблюдением за условиями труда и состоянием здоровья работающих в контакте с аэрозолями, экспериментальными исследованиями на животных установлены ПДК вредных веществ, находящихся в виде аэрозолей в воздухе (см. ст. об отдельных веществах, напр. Бериллий, Свинец и др.). Эти концентрации являются критерием оценки состояния атмосферы рабочих помещений и населенных мест и служат основой для осуществления оздоровительных мероприятий. См. также Аэрозольные устройства.

Библиогр.: Бурштейн А. И. Методы исследования запыленности и задымленности воздуха, Киев, 1954, библиогр.; Вигдорчик Е. А. Задержка аэрозолей при дыхании, Л., 1948, библиогр.; Гиббс В. Аэрозоли, пер. с англ., Л., 1929, библиогр.; Грин X. и Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы, туманы, пер. с англ., Л., 1969, библиогр.; Дерягин Б. В. и Власенко Г. Я. Поточно-ультрамикрофотометрический метод дисперсионного анализа, Коллоидн. журн., с. 13, в. 4, с. 249, 1951; Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой, пер. с франц., М., 1973; Нормы радиационной безопасности (НРБ-69), М., 1972; Уайтлоу-Грей Р. и Паттерсон Г. С. Дым, исследования в области аэродисперсных систем, пер. с англ., М.— Л., 1934; Фукс H.A. Механика аэрозолей, М., 1955, библиогр.; Хухрина Е. В. и Ткачев В. В. Пневмокониозы и их профилактика, М., 1968, библиогр.; Энтон Н. Разработка и конструирование серии точных детекторов для измерения радиоактивных аэрозолей и применение их в целях дозиметрического контроля, в кн.: Дозиметрия ионизирующих излучений, пер. с ин., с. 287, М., 1956, библиогр; Task group, deposition and retention models for internal dosimetry of the human respiratory tract, Hlth Phys., v. 12, p. 173, 1966, bibliogr.

Аэрозоли военного значения — Радиоактивные выпадения от ядерных взрывов, пер. с англ., под ред. Ю. А. Израэля, М., 1968, библиогр.; Херш С. М. Химическое и биологическое оружие, пер. с англ., М., 1970; Химическое и бактериологическое (биологическое) оружие и последствия его возможного применения, пер. с ин., М., 1970, библиогр.; Hatch T. F. а. Gross P. Pulmonary deposition and retention of inhaled aerosols, N. Ύ.— L., 1964, bibliogr.

А. В. Рощин; К. Г. Гапочко, Г. И. Кремлев (воен.), Л. А. Иванова (физ.-хим.), Ю. Д. Парфенов (рад.).