Седиментация аэрозольных частиц представляет собой процесс их осаждения под действием силы тяжести или других внешних сил. Этот процесс имеет фундаментальное значение для изучения динамики аэрозольных систем, контроля качества атмосферных смесей, а также технологических процессов в химической и фармацевтической промышленности.
Гравитационная седиментация Является преобладающим механизмом осаждения частиц размером более 1 мкм. Скорость гравитационного оседания определяется законом Стокса:
$$ v = \frac{2}{9} \frac{r^2 (\rho_p - \rho_f) g}{\eta} $$
где v — скорость оседания, r — радиус частицы, ρp и ρf — плотности частицы и среды соответственно, g — ускорение свободного падения, η — вязкость среды.
Для частиц диаметром менее 1 мкм проявляется значительное влияние броуновского движения, что приводит к отклонению фактической скорости оседания от значения, предсказанного законом Стокса.
Седиментация под действием инерционных сил Частицы, движущиеся вместе с потоком газа, испытывают инерционные эффекты при изменении направления или скорости потока. Частицы с большой массой и высоким значением числа Стокса отклоняются от потока и оседают на стенках оборудования или естественных поверхностях.
Седиментация под действием электростатических и магнитных сил Частицы, обладающие электрическим зарядом или магнитными свойствами, могут осаждаться под действием внешних полей. В аэрозольной технологии данный механизм используется для очистки газовых потоков от микрочастиц.
Гравиметрические методы Основаны на измерении массы осевших частиц за определённое время. Применяются для крупных частиц и в лабораторных условиях.
Оптические методы Использование лазерной дифракции, фотометрии или микроскопии позволяет определять скорость оседания мелких частиц и распределение по размеру в реальном времени.
Электрические и электростатические методы Измерение изменения электрической проводимости или заряда позволяет оценить концентрацию оседающих частиц и их динамику.
Для частиц размером менее 0,1 мкм гравитационные силы уступают место броуновскому движению и диффузионным процессам. В таких системах седиментация становится медленной и сильно зависит от температурного и конвективного состояния среды. В лабораторной практике для ускорения осаждения применяют центрифугирование или электростатическое осаждение.
Седиментацию можно описать уравнением переноса частиц с учётом конвекции, диффузии и оседания:
$$ \frac{\partial n}{\partial t} + \vec{v} \cdot \nabla n = D \nabla^2 n $$
где n — концентрация частиц, v⃗ — скорость оседания, D — коэффициент диффузии. Данное уравнение позволяет моделировать распределение частиц в аэрозольных системах различных типов.
Седиментация является ключевым процессом, определяющим стабильность аэрозольных систем. Знание факторов, влияющих на скорость оседания, позволяет управлять составом аэрозолей, их распределением и технологическими свойствами, что критично для химических, фармацевтических и экологических приложений.