Коагуляция представляет собой процесс объединения мельчайших частиц аэрозоля в более крупные агрегаты под действием различных взаимодействий. В аэрозольных системах это ключевой механизм, определяющий стабильность и длительность существования взвеси частиц в газовой среде. Коагуляция сопровождается изменением размеров частиц, их концентрации и оптических свойств аэрозоля.
Ключевыми характеристиками процесса являются коэффициент коагуляции и время полукогуляции. Коэффициент коагуляции зависит от природы частиц, их концентрации, температуры, состава газа-носителя и присутствия электрических зарядов на частицах. Время полукогуляции определяется как интервал времени, за который концентрация отдельных частиц уменьшается вдвое.
Броуновское движение и диффузионная коагуляция Молекулярное тепловое движение частиц вызывает их случайные столкновения. Вероятность слияния при таких столкновениях зависит от размера частиц, вязкости среды и температуры. Для мелкодисперсных аэрозолей (нанометровый диапазон) диффузионная коагуляция является доминирующим механизмом.
Турбулентная коагуляция В условиях газового потока с турбулентными движениями частицы сталкиваются из-за неравномерностей скорости потока. Этот механизм особенно важен при больших размерах частиц и высокой концентрации аэрозоля, когда броуновское движение теряет значимость.
Гравитационная коагуляция Относительно крупные частицы оседают под действием силы тяжести и сталкиваются с меньшими частицами на пути оседания. Этот механизм проявляется в аэрозолях с размером частиц выше 1 мкм и становится заметным при низкой турбулентности.
Электростатическая коагуляция Электрические заряды на частицах создают дополнительные силы притяжения или отталкивания. Притяжение между разноименно заряженными частицами ускоряет коагуляцию, в то время как одноимённые заряды могут стабилизировать аэрозоль, замедляя процесс.
Коагуляцию описывает уровнение Смолуховского, отражающее зависимость изменения концентрации частиц от времени:
$$ \frac{dn}{dt} = -K n^2 $$
где n — концентрация частиц, K — коэффициент коагуляции. Решение этого уравнения позволяет определить уменьшение числа частиц во времени:
$$ n(t) = \frac{n_0}{1 + K n_0 t} $$
где n0 — начальная концентрация частиц. Уравнение показывает, что скорость коагуляции пропорциональна квадрату концентрации частиц, что объясняет более интенсивное слипание при высоких концентрациях аэрозоля.
Для частиц разных размеров используется многоклассовая модель, учитывающая столкновения частиц различной дисперсности, что позволяет предсказывать изменение спектра размеров в аэрозоле.
Коагуляция является фундаментальным процессом, определяющим физико-химическое поведение аэрозольных систем и их технологические характеристики. Управление этим процессом позволяет регулировать стабильность, длительность существования и функциональные свойства аэрозолей в химической промышленности, медицине и экологии.