ГОСТ Р 54597—2011
путей (см. рисунок 1). Влияние конкретного размера частиц на их выведение из организма в этих моде-
лях учтено не полностью, поскольку в основу определения скорости выведения частиц из легких или их
перемещения в другие органы положена масса частиц, осаждающихся в основных областях дыхатель-
ных путей. Таким образом, по данным, имеющимся на момент разработки этих моделей, основанных на
скорости выведения частиц в зависимости от их массы, невозможно определить, какие частицы
(наночастицы или более крупные) осаждаются в заданной области дыхательных путей. Это может быть
областью исследований по дальнейшему развитию модели.
4.4 Физические характеристики наноаэрозолей
8
4.4.1 Формирование
Наиболее распространенный путь формирования наночастиц — образование в газовой фазе [52],
[53]. Этот процесс характеризуется первоначальным этапом образования очень маленьких зародышей
из молекулярной фазы. Зародыши постепенно растут за счет коагуляции и/или процессов роста по-
верхности (гетерогенной конденсации, реакций на поверхности). Механизм всего процесса сильно за-
висит от количества имеющегося конденсируемого газообразного материала, его термодинамических и
химических свойств, а также условий протекания.
Аэрозоль образуется из исходных веществ, которые либо испаряются из емкости с жидкостью или
твердым веществом, либо существуют в воздухе как непосредственно смешиваемые химически актив-
ные газы. Образование конденсирующегося пара происходит при охлаждении и/или химической реак-
ции исходных газов, приводящей к перенасыщению, достаточно сильному для образования гомогенных
зародышей. При высокой скорости образования зародышей, когда будет формироваться облако за-
родышей высокой плотности, рост частиц будет преимущественно обуславливаться коагуляцией. Как,
например, в случае кварцевой пыли или сварочных газов, образующихся в пламенных и плазменных
процессах. Режим процесса нагревания, а также характеристики материала конденсируемого аэрозоля
(такие как вязкость, поверхностная и объемная диффузия) являются основными параметрами, опреде-
ляющими окончательную морфологию частиц аэрозоля и их внутреннюю структуру. Если частицы аэро-
золя все время находятся в жидком состоянии, то они остаются сферическими после коагуляции из-за
быстрой коалесценции соударяющихся капель. Если движение вещества внутри частицы подавляется,
например из-за резкого понижения температуры в ходе процесса образования частиц, то коалесценция
замедляется. Со временем между соударяющимися частицами будут возникать перешейки с последу-
ющим образованием агрегатов с сильными внутренними связями. При низкой температуре в конце про-
цесса коагуляция приводит к образованию агломератов, удерживаемых вместе за счет относительно
слабых сил Ван-дер-Ваальса или слабых электростатических сил.
При низкой скорости образования зародышей, приводящей к небольшой счетной концентрации
вновь образующихся частиц, прямая гетерогенная конденсация аэрозольного пара на поверхностях
существующих частиц определяет динамику распределения частиц аэрозоля по размерам. Примером
являются конденсируемые пары органических соединений на строительных площадках, образующиеся
при асфальтировании дорог. Конденсационный рост может привести к образованию достаточно круп-
ных частиц с диаметром, не попадающим в нанометровый диапазон, даже если общая масса конден-
сируемого вещества мала.
При гомогенном образовании зародышей скорость их образования будет сильно зависеть от
степени насыщения пара и может изменяться на несколько порядков, даже если изменение степени
насыщения незначительно. В перспективе при соответствующем неконтролируемом образовании ча-
стиц в воздухе рабочей зоны часто бывает достаточно рассмотреть только гомогенное образование
зародышей как единственный механизм образования частиц, когда перенасыщение достигает критиче-
ского значения. Это значение существенно больше единицы, то есть степени насыщения, необходимой
для гетерогенной конденсации пара на имеющиеся поверхности. Во многих высокотемпературных про-
цессах, таких как пламенная обработка сырья (например, окисление тетрахлорида титана в процессе
получения диоксида титана), реакция газообразных исходных веществ приводит к образованию новых
соединений, критический размер кластеров которых крайне мал, порядка величины диаметра молекул. В
данном случае образование зародышей является чисто кинетическим процессом, а скорость обра-
зования зародышей аэрозоля равна скорости реакции газообразных исходных веществ. Дальнейший
рост частиц происходит преимущественно за счет коагуляции. Похожая ситуация наблюдается при об-
разовании пара над расплавленными металлами, когда исходным веществом аэрозоля является пар
металла, в котором происходит образование ядер конденсации при охлаждении или окислении в воз-
духе.
Это
самые
важные
механизмы
образования
наноаэрозолей.