Образование пыли. Аэрогели и аэровзвеси.

Образование пыли. Аэрогели и аэровзвеси.

 По ГОСТ 12.1.041 «Пожаро- и взрывобезопасность горючих пылей» горючая пыль — это дисперсная система, состоящая из твердых частиц, размером менее 850 мкм, находящихся во взвешенном или осевшем состоянии в газовой среде, способная к самостоятельному горению в воздухе нормального состава.

Пыли по общей классификации коллоидно-дисперс­ных систем относятся к аэрозолям, в которых дисперси­онной средой является воздух, а дисперсной фазой — твердое вещество в раздробленном состоянии (с части­цами размером менее 100 мкм).

Дисперсными называют гетерогенные системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц равномерно распределено в объеме другого. Вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено  в объеме другого, называют дисперсной фазой. Вещество, в объеме которого распределена дисперсная фаза называют дисперсионной средой.

Различают пыль по происхождению (естественного происхождения и промышленная) и по материалу, из которого она образована. Пыль естественного происхождения возникает в результате эрозии почвы, при выветривании горных пород и т.д. Промышленная пыль образуется в процессе производства. В зависимости от материала, из которого пыль образована, она может быть органической и неорганической. Органическую основу имеет пыль мучная, табачная, чайная, хлопковая и др. Они относятся к растительным пылям. Пыль шерстяная, костяная – к пылям животного происхождения. Неорганические пыли подразделяются на минеральные (кварцевая, цементная и др.) и металлические (стальная, чугунная, алюминиевая и др.).

Откуда берется пыль ?

Пыль может образовываться при механическом из­мельчении твердых тел, испарения с последующей конденсацией в твердые частицы, сгорания с образованием в воздухе твердых частиц – продуктов горения (дымы) а также при получении порош­кообразных и пылеобразных веществ методами кристал­лизации и сублимации; может находиться в осевшем и во взвешенном состоянии. Осевшая пыль называется аэрогелем. Пыль, находящаяся во взве­шенном в воздухе состоянии, называется аэрозолем (аэровзвесью). 

К основным физико-химическим свойствам пыли относят:

1.  Степень дисперсности — это величина обратная диаметру пылин­ки; чем выше степень дисперсности, тем меньший диаметр имеет пылинка, тем больше площадь соприкосновения с окислителем, а, следовательно, выше скорость реакции окисления. Дисперсный состав пыли определяют методами мик­роскопии, седиментометрии и механического разделения (ситовой и фильтрационный анализ). Наиболее распро­страненным методом является ситовой рассев, позволя­ющий определять состав пыли с частицами размером до 40 мкм и выявлять относительное содержание частиц различных размеров.

Промышленные пыли полидисперсны, т.е. состоят из частиц различной величины.

Аэрозоль – неустойчивая система. С течением времени в аэрозоле  происходит укрупнение взвешенных частиц. Этот процесс носит название коагуляции (агрегирования, агломерации). Соединение частиц и их укрупнение происходит  вследствие столкновения под действием гравитационных сил, турбулизации, броуновского движения, взаимного притяжения и т.д. Параллельно с процессом коагуляции происходит, хотя и менее интенсивно, процесс разрушения укрупненных частиц.  Коагуляция полезное явление: укрупненные частицы быстрее осаждаются и лучше улавливаются. 

Высокодисперсная пыль и другие аэрозольные частицы не осаждаются даже в спокойном воздухе. 

2.  Химическая   активность.   Под   химической   активно­стью понимается способность пыли вступать в реакции с    различными веществами, в том числе и в реакции горения. Химическая активность пыли оп­ределяется природой вещества, из которого она образо­вана (качественный и количественный состав и строение молекул вещества), и в большой степени зависит от ее дисперсности. С увеличением   дисперсности   возрастает химическая активность пыли. Например, металлы — железо, алюминий, цинк, обычно не горящие   при нор­мальных условиях, в состоянии пудры моментально самовозгораются при контакте с воздухом. Поэтому пудры и порошки этих металлов готовят в среде инертного газа.

3.  Адсорбционная способность. Твердые частицы пыли способны адсорбировать окружающие пары и газы. Ад­сорбцией называется поглощение паров и газов поверх­ностью вещества. Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция протекает за счет сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса). Физическая адсорбция протекает самопроиз­вольно, и адсорбируемые пары и газы стремятся пол­ностью занять всю поверхность каждой пылинки.

Помимо физической адсорбции на поверхности пылинок протекает хемосорбция — поверхностная химическая реакция паров и газов адсорбируемого вещества с по­верхностью твердой пылинки. Хемосорбция основывает­ся на силах валентных и координационных связей.

Физическая и химическая адсорбция сопровождается выделением тепла. Поэтому пыли в состоянии аэрогеля мо­гут самонагреваться и самовозгораться. 

Но если пыль адсор­бирует негорючие газы (N₂, СО₂), ее пожарная опас­ность уменьшается, понижается склонность пыли к самовозгоранию, повышается температура самовоспла­менения, снижается склонность пыли ко взрыву. 

4. Склонность пыли к электризации. При размоле твёр­дых веществ, транспортировании их по пылепроводам и при движении пыли по воздуху пылинки способны элек­тризоваться. Электризацией называется способность пыли приоб­ретать заряды статического электричества.  Электриза­ция пылинок происходит: в результате адсорбции ионов газов из воздуха, где пыль находится во взвешенном состоянии; при трении пыли о твердую поверхность или о воздух; при дроблении и измельчении твердого веще­ства. Так, заряды зерна  в  дробилках   достигают   10-11 кВ, а на вальцах 5—7 кВ. Знак заряда, приобретае­мый пылью, зависит от диэлектрической постоянной пы­ли и того тела, о которое происходит трение. Величина заряда статического электричества зависит от скорости движения пыли   (силы трения), степени дисперсности пыли,  величины удельного электрического  сопротивле­ния ρ и от влажности пыли и воздуха. Чем больше ско­рость движения пыли и больше степень   дисперсности, тем больше величина заряда статического электричест­ва.

Пожаро- и взрывоопасные свойства пылей определяются концентрациями пылевоздушной смеси, наличием источника зажигания с  энергией порядка нескольких МДж, размером пылинок и др. Для воспламенения аэровзвеси необходимо чтобы концентрация пыли в воздухе была не менее нижнего концентрационного предела воспламенения. Верхний концентрационный предел воспламенения пылевоздушной смеси в большинстве случаев является очень высоким и трудно достижимым (для торфяной пыли – 2200 г/м³, сахарной пудры – 13500 г/м³). 

В зависимости от значения нижнего концентрационного предела воспламенения пыли подразделяются на взрывоопасные и пожароопасные. К взрывоопасным относятся пыли с нижним концентрационным пределом воспламенения до 65 г/м³ (пыль серы, сахара, муки), а к пожароопасным – пыли с нижним пределом воспламенения выше 65 г/м³ (табачная и древесная пыль).

По горючести пыли подразделяются на три группы — негорючие, трудногорючие и горючие.

          Горючие пыли, находящиеся во взвешенном состоянии, характеризуются следующими показателями пожаро- и взрывоопасности: нижним концентрационным пределом распространения пламени, минимальной энергией зажигания, максимальным давлением взрыва, скоростью нарастания давления при взрыве, минимальным взрывоопасным содержанием кислорода.

Для аэрогелей ГОСТом определены следующие показатели: температура воспламенения, температура самовоспламенения, температура самонагревания, температура тления, температурные условия теплового самовозгорания, минимальная энергия зажигания, способность гореть и взрываться при взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами.