Густий дим як потік продуктів горіння

Густі дими як потік продуктів горіння

1. Горіння і його види

Горіння - потужний процес окислення, що супроводжується значним виділенням енергії у формі тепла і світла. При чому окислювачем може бути не тільки звичний у цій справі - кисень. Речовини можуть горіти в галогенних: по фтор, хлорі та деяких сумішах. У ролі окислювача можуть виступати і багаті киснем з'єднання. Наприклад, в деяких вибухових пристроях як окислювача використовують навіть NO ₂ - вельми шкідливий газ, який надає, однак звеселяє вплив на людину.

Горіння - процес більш складний, ніж здається. У загальному випадку, запалювання вимагає підігріву горючої поверхні до температури, при якій дана речовина починає розкладатися, випускаючи горючі гази. І лише розігрів цих газів до температури їх займання при доступі окислювача - призводить до власне займання речовини. Гарячі гази ще сильніше розігрівають поверхню, прискорюючи процес газоутворення з поверхні і окислення цих газів. Тому полум'я з часом досягає певного розміру і поступово поширюється по поверхні тіла (рідини), як би «повзе» по ньому. Якщо ж температура недостатня для запалення утворюються газів, то триває розкладання приповерхневих шарів і часткове окислення матеріалу. Проявляється це у вигляді обвуглювання поверхні. У разі якщо температура достатня для горіння, але відсутня окислювач, відбувається повне розкладання тілесного речовини (термічний розпад або піроліз) і виділяється маса горючих газів і парів летких компонентів. Може утворюватися і рідина, залежно від матеріалу. Полум'я при цьому не спостерігається. Прикладом подібного процесу може служити коксування.

Одна і та ж речовина, перебуваючи в різному стані горить з різними швидкостями. Так як за горючість відповідає здатність матеріалу виділяти горючі гази, менше значення відношення площі поверхні до об'єму тіла приводить до більшого виходу газів, а результат - до більшої горючості. Тому, подрібнені речовини спалахують і горять краще, ніж моноліти. Пари бензину - горять з вибухом. Полум'я по бензину, якщо концентрація парів над його поверхнею не велика - поширюється зі значною швидкістю, але сам бензин - не вибухає. Процес горіння відрізняється наявністю гарячого вогнища, зазвичай володіє світінням, в якому і відбуваються окислювальні реакції. Під дією високих температур в осередку горіння або поблизу і всередині полум'я йдуть як процеси окислення, так і термічного розпаду, які в свою чергу, відповідають за потрапляння в атмосферу компонентів, спочатку не містяться в пальному речовині.

Важливою особливістю, що характеризує тему горіння конкретної речовини, часто є питання про те, як його загасити. Спирт легко можна залити водою, так як перший у воді добре розчиняється і температура його горіння не така висока. Однак, бензин, гас, ацетон і багато інших продуктів нафтопереробної промисловості звичайним заливанням водою не згасити. Ці рідини мають температури горіння, близькі до 1000 ° С малорастворіми у воді, і їх щільність в середньому на 10% менше, ніж у води. Тому, при поливанні водою, просто пропускають її крізь свою товщу, не розбавляючи. Полум'я при цьому не збивається. В результаті вода накопичується під поверхнею горючих речовин, піднімаючи їх треба дном, що може призвести до розтікання горючих рідин та подальшому розповсюдженню вогню. При цьому, температура полум'я і приповерхневих шарів горючої рідини може незначно знижуватися, але на інтенсивність горіння це впливає мало. Якщо вдасться запалити метал, то загасити його фактично неможливо. Наприклад, якщо запалити титан (а метал просто так не запалиш), то він горить навіть у воді, поглинаючи кисень з її молекул.

1.1 Тління

Горіння можна умовно розділити на 2 типи: тління та горіння з полум'ям. Тління - повільний процес окислення, що супроводжується порівняно низькими температурами. Характерний своєї локальністю. Тління можна пояснити або слабким виділенням горючих газів і малої температурою в області, або недоліком окислювача. При тлінні температура недостатня, щоб запалити виділяються з поверхні горючі гази. Тому відбувається інтенсивне розкладання речовини в приповерхневих шарах без інтенсивного окислення самих молекул. В результаті при тлінні відбувається виділення в повітря випарів вуглеводнів (у тому числі смол) і дещо менше, ніж при горінні з полум'ям освіта оксидів.

Найбільш досліджуваним завдяки своєму шкідливому впливу на організм прикладом тління, - є куріння сигарет. Факторами, що впливають на температуру палаючої сигарети, є її діаметр, речовина наповнювача, тип тютюну або суміші, щільність упаковки, величина частинок тютюну, якість сигаретного паперу і фільтра та ін Температура тліючого тютюну складає близько 300 ° С, а під час затягування вона сягає 900-1100 ° С. Температура тютюнового диму приблизно 40-60 ° С. Написане показує, на скільки впливає вміст кисню і загальна площа зони окислення на температуру тліючої зони. Збільшення припливу кисню при затягуванні призводить до стрибка температури на 600 і більше градусів! Куріння демонструє і загальний відсоток компонентів, які уникли повного окислення при тлінні. Під час куріння згорає лише близько 60% смоли, решта випаровується і переноситься з димом з вогнища тління.

Брак кисню приводить до тління, то його надлишок або зіткнення з іншою поверхнею можуть призводити до запалення. Так, після того, як вогнище окислення вугілля стикається з легкозаймистих об'єктом (наприклад, шматком паперу), відбувається його займання, а полум'я здатне збільшити загальну температуру вогнища, і викликати запалення тліючого предмета. Мало того, тління може тривати годинами, і бути при цьому малопомітним для оточуючих. Напевно його видасть тільки запах паленого, а саме вогнище може бути прихованим від сторонніх очей. При тривалому тлінні в повітрі накопичуються чадний газ, оксиди і випаровування. Про це так само потрібно пам'ятати. Попадання вуглинки на купу тирси призведе до розтягнутого в часі тлінню всієї купи. Від частинки до частинці, гаряча зона буде поширюватися по поверхні всієї купи. Товщина шару тліючого складе від 2 до 5 мм. У випадку, якщо в цей час в цьому приміщенні знаходиться спляча людина, він ризикує отруїтися або задихнутися. У 1970-их роках у Куйбишевської області такий випадок убив і підсмажив жителя приватного будинку. Про трагедію здогадалися по запаху. Зовні видимих ​​ознак пожежі не спостерігалося. Усередині ж обвуглилися тирса у печі, ганчірки і диван, на якому і лежав нещасний. Цим і небезпечні тліючі пожежі.

Як вже говорилося, тління - процес уповільнений, і тому здатний довго не затухати, споживаючи мало кисню. За однією з версій, загибелі легендарного «Титаніка» посприяв і пожежа. За легендою, під час випробувань в одному з відсіків корабля почалася пожежа. Його намагалися загасити своїми силами кілька кочегарів. Капітан запропонував задраїти відділення, вирішивши, що вогонь погасне сам собою через брак кисню, а судно було відправлено в рейс. Не тут-то було! Пожежа тривала, по видимому, на рівні тління більше тижня! Передбачається, що при цьому у відсіку накопичилася значна кількість чадного газу. Зіткнення з айсбергом завдало пошкодження, зачепивши і палаючий відсік. При цьому, в приміщення потрапив свіже повітря, що накопичилися гази миттєво зайнялися, що призвело до наймогутнішого вибуху. Прихильники вважають, що саме завдяки йому корабель отримав досить ушкоджень, щоб піти на дно.

1.2 Горіння з полум'ям

У кожному разі, горіння - це більше (з полум'ям) або менше (без полум'я, тління) активний локалізований процес окислення, що супроводжується випаровуванням деяких летких речовин без горіння, потужним виділенням енергії. І якщо зони горіння ми бачимо у формі полум'я або світиться ділянки на вуглинки, то потік розігрітих продуктів горіння, що має меншу щільність, ніж навколишнє середовище, спостерігаємо у вигляді цівок диму, що піднімаються над полум'ям. Як процес, горіння характеризується температурою, висотою полум'я, стійкістю полум'я, швидкістю поширення і швидкістю горіння. Швидкість горіння залежить від властивостей палаючого речовини, середньої концентрації кисню (або іншого окислювача) в осередку горіння, стану (цілісності) пального тіла та наявності умов перешкоджають або сприяють горінню. Під станом (цілісністю) пального тіла в даному випадку слід розуміти те, чи є тіло цільним, або, наприклад, порошком або рідиною. Це значно впливає на швидкість і інтенсивність газообміну в зоні горіння. Якщо тіло незбиране, то процес довгий час здійснюється тільки на його поверхні, і лише потім, у міру руйнування, зачіпає її внутрішні шари. Якщо тіло тієї ж маси і того ж обсягу, зроблене з цього ж матеріалу перетворити в порошок і підпалити, швидкість горіння буде на багато вище. Чим дрібніше середній розмір зерна, тим більше співвідношення його площі до об'єму. А отже, чим менший об'єм (правда, слід пам'ятати і про форму частки), тим швидше і глибше розігріваються внутрішні шари. Чим більше площа, тим інтенсивніше прогрівання і велика швидкість утворення і виходу горючих газів. А отже - на повне згоряння такої частки потрібно менше часу. І між іншим, це правило має свій окремий випадок - вибух! Про це нижче.

1.3 Вибухи

Вибух - це окремий випадок горіння, що протікає миттєво з короткочасним виділенням значної кількості тепла і світла. У реальних умовах внаслідок протікання внутрішніх процесів і при зовнішніх ускладнюють факторах відбувається викривлення фронту полум'я, що призводить до зростання швидкості горіння. При досягненні швидкостей розповсюдження полум'я до десятків і сотень метрів в секунду, але не перевищують швидкості звуку в даному середовищі (300 - 320 м / сек) відбувається вибуховий (дефлеграціонное) горіння.

При вибуховому горінні продукти горіння нагріваються до 1,5-3 тисячі ° С, а тиск в закритих системах збільшується до 0,5-0,9 МПа. Тривалість реакції горіння до вибухового режиму складає приблизно для газів ~ 0,1 сек, парів ~ 0,2-0,3 сек, пилу ~ 0,5 сек. Стосовно до випадкових промисловим вибухів під дефлебраціей звичайно розуміють горіння хмари з видимою швидкістю близько 100 - 300 м / сек, при якій генеруються ударні хвилі з максимальним тиском 20-100 кПа.

У певних умовах вибухове горіння може перейти в детонаційний процес, при якому швидкість розповсюдження полум'я перевищує швидкість розповсюдження звуку і досягає 1-5 км / сек. Це відбувається при сильній турбулізації матеріальних потоків, що викликає значне викривлення фронту полум'я велике збільшення його поверхні.

При цьому виникає ударна хвиля, у фронті якої різко підвищується щільність, тиск температура суміші. При зростанні цих параметрів суміші до самозаймання гарячих речовин виникає детонаційна хвиля, яка є результатом складання ударної хвилі і утворюється зони стислій бистрореагірующей (самозаймисте) суміші. Надмірний тиск у межах детонуючого хмари суміші може досягати 2 МПа або 20 атмосфер.

Процес хімічного перетворення горючих речовин, який вводиться ударною хвилею і супроводжується швидким виділенням енергії, називається детонацією. При детонаційному режимі горіння хмари ГВ велика частина енергії вибуху переходить в повітряну ударну хвилю, при дефлеграціонном горінні зі швидкістю поширення полум'я ~ 200 м / сек перехід енергії в хвилю складає від 30 до 40%.

2. Секрети полум'я

2.1 Колір полум'я

За кольором полум'я можна дещо сказати про елементи, що потрапляють осередок горіння. Для того, щоб полум'я змінило свій колір, необхідно, щоб атоми речовини відділялися від поверхні предмета і мчали з полум'ям. У деяких (особливо лужних металів), відділення атомів від основного матеріалу відбувається самостійно, що призводить до помітного окрасу. У деяких елементів відділення атомів відбувається з працею, і для каталізації процесу, потрібно вплив різних кислот. Кольори забарвлення полум'я, характерні для різних елементів наведені в таблиці.

Проблеми з ідентифікацією речовини виникають тоді, коли в полум'я потрапляє відразу декілька елементів. У цьому випадку або різні сторони полум'я нерівномірно забарвлюються в різні кольори, або забарвлення полум'я визначається лише домінуючим компонентом. По цьому, для визначення в полум'я окремих кольорів використовують світлофільтри. Для калію цим фільтром є фіолетове скло.

Таблиця спектральних ліній деяких елементів. Довжина хвилі нейтральних атомів і їх іонів вказані в нанометрів.

2.2 Електричні властивості полум'я

Наочно ілюструє загальну складність процесів той факт, що полум'я володіє значними електричними властивостями. Експериментально встановлено, що в полум'ї існує поділ зарядів, причому позитивний об'ємний заряд зосереджений в реакційній зоні (у фронті полум'я), а негативний - у предпламенной зоні. Передбачається, що поділ зарядів обумовлено амбіполярной дифузією. Носіями негативного заряду в полум'я є електрони і негативні іони.

За наявними даними, освіта іонів відбувається як при термічному розпаді речовин, так і в результаті хімічних реакцій. Передбачається також, що незначний внесок (частки відсотків) в освіту іонів можуть вносити дрібні вуглецеві частинки, що володіють роботою виходу 4,35 кВ.

Так, ще в 1909 р. Ф. Габер припустив, що іони в полум'ї утворюються в результаті хімічної іонізації в реакції з участю радикалів З _2, СН, ОН. Залежно від умов горіння і виду палива, концентрація іонів в полум'я становить близько 10 ¹⁰ -10 ¹² см ^-3, тобто на 4-6 порядків перевищує концентрацію, яка повинна була б спостерігатися при чисто термічному механізмі іонізації.

Максимум іонізації відповідає фронту полум'я, де протікають хімічні процеси, причому концентрація заряджених частинок різко падає по виході в зону продуктів згоряння, хоча в цій зоні і спостерігається максимальна температура. Співвідношення концентрації іонів в цих зонах оцінюють як 1000:1.

При механізмі хеміоіонізаціі частинки зазнають хімічну перегрупування, при якій звільняється кількість енергії, достатня для іонізації одного з продуктів реакції. Передбачається, що у разі полум'я такий процес йде як побічна реакція між частинками, які беруть участь в основній реакції горіння. Є досить велика кількість можливих з енергетичної точки зору реакцій, в яких беруть участь дві частки в основному стані або одна в основному, а інша - у збудженому стані. Тому передбачається, що хемоіонізація, незалежно від того, супроводжується вона освітою збуджених часток чи ні, є найбільш вірогідним джерелом іонізації полум'я.

Енгель та Козенс вважали, що при зіткненні з коливально-збудженими частками електрони вільно можуть отримати додаткову енергію. Було розраховано, що в результаті балансу між енергією, отриманою від збуджених часток, і енергій, втрачених при пружних зіткненнях, середні енергії електронів в полум'я можуть лежати в інтервалі 0,2-1,2 еВ (температура 2320-11600 К).

Багато експерименти з електростатичними зондами показують, що в деяких пламенах існують підвищені електронні температури. Так, наприклад, в недавній роботі Бредлі і Меттьюса, в якій використовувалися подвійні зонди при знижених тисках, були виявлені температури до 30000 К. Електрони, що володіють енергією, трохи перевищує потенціал іонізації, здатні легко іонізувати атоми і молекули. Саме ці електрони є джерелом іонізації у полум'ї, де виявлені підвищені електронні температури.

Логічно припустити, що електрони при температурах порядку 30 000 До викличуть іонізацію з великими швидкостями. Недавня робота показала, що в полум'я відбувається не тільки хемоіонізація, але й утворює значну кількість іонів О ₂ ^+, які можуть виникати в присутності електронів при підвищених температурах. Передбачається, що останні з'являються в результаті взаємодії з збудженими молекулами СО _2, які в свою чергу утворюють при рекомбінації молекул окису вуглецю з атомарним киснем.

Однак підвищені електронні температури були виявлені не в усіх полум'я з підвищеним ступенем іонізації. Більш того, при зміні швидкості іонообразованія були отримані плоскі плато, відповідні току насичення, при атмосферному тиску в широкому інтервалі прикладених напружень. При цьому напруженість поля в зоні горіння мала порядок кВ / см і, таким чином, була достатня для значного підвищення електронної температури. Це приводить до висновку, що в різних полум'я можуть відігравати важливу роль різні механізми іонообразованія. З'ясування ролі електронів підвищеної енергії як одного з можливих джерел іонізації потрібно подальшого випромінювання.

Були запропоновані два механізми, сприятливі з термохімічної точки зору:

СН + О СНТ ⁺ + е ^-,

і

СН (А ² Δ) + С ₂ Н ₂ З ₃ Н ₃ ⁺ + е ^-.

Таким чином, представлений вище текст показує, що в процесі горіння відбувається відносно неоднорідний розпад молекул, утворення іонів та вільних радикалів. Тому, багато молекули, уникли повного окислення, можуть бути трансформовані при зіткненні з вільними радикалами, в результаті в незначних дозах утворюються безлічі речовин, спочатку не входять до складу пального.

3. Конвекція над полум'ям

Малюнок 1. 1 - окисне полум'я; 2 - відновлювальне, 3 - знову окисне, 4 - найбільш близький до полум'я гарячий (100-150 ° С і більше) потік повітря, 5 - вторинний повітряний потік з відносно малими (50-100 ° С) температурами

Стрілками вказано напрям рух висхідних повітряних потоків. Зеленій лінією приблизно показано розподіл температур по висоті полум'я.

При нагріванні близько полум'я повітря розширюється, за рахунок чого відбувається зменшення його щільності. Як відомо, середа, має меншу щільність починає підніматися за законом Архімеда, якщо потрапляє в об'єм середовища з більшою щільністю. Таким чином, тепле повітря піднімається нагору уздовж полум'я, беручи участь в попутно протікають реакціях горіння. При підйомі, відбувається перемішування нагрітого повітря з навколишнім. В результаті викликаного при цьому процесу теплообміну, загальний обсяг розігрітого повітря збільшується за рахунок надходження додаткової кількості частинок ззовні (розведення), але одночасно відбувається охолодження. Як уже говорилося, при проходженні поблизу полум'я, повітря бере участь в процесах окислення, в наслідок чого збагачується продуктами горіння, молекулярні маси яких, як правило, вище, ніж середнє значення молярних мас речовин, що складають повітря. Тому, хоча продукти горіння, будучи розігрітими, і піднімаються, щільність повітря, забрудненого ними значно вище, ніж у чистого при тій же температурі. В результаті розведення, що супроводжується охолодженням, швидкість висхідного потоку над полум'ям знижується у міру підйому. Спочатку захоплюємося з потоком теплого повітря, що переміщаються за рахунок дифузії і розбавлення все далі від найбільш гарячого центру потоку, все менш підштовхувані вгору за рахунок конвекції, тверді частинки, починають опускатися. Залежно від форми і маси, а так само сили вітру, частоти і швидкості зустрічаються конвекційних потоків, частки осідають на певному видаленні від джерела.

Однак не тільки гази піддаються конвекційному підйому. На аналогічні явища, що мають місце в рідинах можливе го

Принцип роботи фітількових освітлювальних пристроїв, розглянемо на прикладі дії свічки. На малюнку вище показано полум'я свічки і зазначені основні його області. Полум'я свічки розігріває віск (або парафін), який починає плавитися. Розплавлений віск піднімається по волокнах гнота, і на певному його ділянці випаровується під дією високих температур, а вже безпосередньо пари - спалахують. Ще Майкл Фарадей думав про закони природи, що не дозволяють полум'я прогоріти до кінця гнота (опускатися до рідкої фази). І справді: полум'я свічки зависає на деякій відстані від «котла» з воском. Що заважає полум'я, опуститися до поверхні розплавленого воску? Відповідь: полум'я не може поширитися вниз по гноту, так як його стримує рідкий віск, яким просякнута частина гнота, що знаходиться між рідиною і полум'ям. Справа в тому, що парафін (і масло), на відміну від бензину і спирту, має великі молекули, які володіють малою рухливістю. Тому парафін при температурі нижче 70-84 ° С знаходиться в твердій фазі. Велика кількість ланок у молекулі парафіну так само перешкоджає його швидкому випаровуванню. Температура кипіння парафіну багаторазово перевищує температуру його плавлення. Тому, парафін, не розігрітий до достатньої температури, не здатний інтенсивно випаровуватися, а значить і горіти. Таким чином, розтопити, але не випаровується парафін блокує поширення полум'я вниз.

4. Екологія та горіння

З точки зору екології, горіння відповідає відразу за 3 негативні чинники. По-перше, найчастіше як окислювача використовується кисень повітря. А нині, через значне скорочення площ лісу, і надмірної витрати повітря транспортом і промисловістю, є певний ризик розвитку кисневої недостатності в майбутньому не стільки в глобальному, скільки в локальному масштабі. Тобто, в масштабах планети його достатньо. Але наприклад, недостатність вмісту кисню, спровоковане масовою витратою повітря в металургійних цехах відчувається його робітниками. Відомо, що падіння концентрації кисню з 22 до 17% уже сильно позначається на самопочутті людини та її здатності вирішувати ті чи інші завдання. Очевидно, що якщо таке падіння відбудеться в цеху з небезпечними і відповідальними процедурами, нездатність персоналу впоратися з ситуацією може привести до катастрофічних наслідків.

По-друге, крім золи і вугілля, всі інші продукти горіння - газоподібні. Кіптява є суспензією дрібнодисперсних частинок. Залежно від джерела і потужності секундного викиду кіптяви, вона може осідати у вигляді дрібних гранул сажі протягом кількох годин. Або, якщо потужність копитевиделенія значна, - мандрувати і осідати у вигляді ниткоподібних утворень, іноді пластівців. Сама по собі кіптява не є отруйною речовиною. Це мікрогранули, що складаються з фактично чистого вуглецю.

Відділення газоподібних продуктів горіння від інших компонентів атмосфери - використовується рідко через складність реалізації. Тобто, звичайно, пройшовши очищення від твердих частинок, розігріті гази виходять в атмосферу у вигляді диму, накопичуючись в ній.

По-третє, крім речовин, безпосередньо брали участь у процесі горіння, через дії високих температур, утворюється маса побічних продуктів, при чому навіть поза полум'я. Приміром, при високих температурах (понад 1000 ° С) відбувається окислення азоту, а його оксиди - вельми токсичні. У процесі горіння складних речовин, особливо органіки, для повного окислення багатоатомних молекул, кисню може просто не вистачати. В результаті неповного згоряння молекул жирів, полімерів, вуглеводнів, відбувається утворення речовин, не містилися спочатку в паливі. У тому числі, вельми токсичних. Якщо молекули навіть пального речовини не встигають зустрітися і провзаємодіяти з молекулами кисню і інших окислювачів в зоні високих температур, то в повітря потрапляють ще й пари самих різних сполук. У тому числі смоли. Вдихання таких компонентів призводить до того, що смоли, жири та їх похідні осідають в легенях, перешкоджаючи потраплянню кисню в кров. І це найбезпечніший випадок. Взаємодіючи з вологою в легенях, шкідливі речовини руйнівно впливають на їх тканини на локальному рівні. Зрозуміло, чим більший стаж роботи в таких умовах, тим вище шанс підхопити який-небудь легеневий недуга, на зразок бронхіальної астми. На щастя, легені мають механізми самоочищення, проте деякі компоненти тютюнового диму блокують їх роботу.

І все б було нічого, але палимо і димім ми вже занадто багато, і Матінці-Землі не вистачає ресурсів і часу, щоб впоратися із загальним потоком вироблюваних забруднень. Тобто, в даний час відбувається накопичення (підвищення концентрації в глобальному масштабі) багатьох продуктів горіння в атмосфері. А значить, сама атмосфера поступово починає «вреднеть». І не вулкани в цьому винні, а саме ми - знахабнілі «царі природи».

4.1 Дим і його властивості

Дим являє собою концентровану суміш продуктів горіння, що складаються, головним чином з досить важких молекул вуглеводнів, оксидів присутніх в пальному елементів і пари води. Якщо допустити, що в осередку горіння все вуглеводні розкладаються повністю на воду і вуглекислоту, то таке полум'я не повинно створювати великої кількості диму. І весь видимий дим в цьому випадку буде являти собою майже чистий водяний пар. Дим буде мати порівняно малу щільність, за кольором буде світлим і буде швидко розсіюватися. Зрозуміло, і звичного запаху гару відчуватися так само не буде. Наприклад, чистий метан, горя на повітрі взагалі не коптить і не димить. Реальний дим є багатокомпонентною сумішшю, і крім оксидів містить масу домішок, включаючи тверді частинки. Тому видимі потоки диму можна сміливо розглядати, як потік недогорілі органічних мас в сукупності з парами води і смол. Дим є одним з небезпечних факторів при пожежі. Його компоненти, подразнюють слизові оболонки і очі, він містить мало повітря, а присутній чадний газ блокує здатність червоних кров'яних тілець засвоювати кисень. В результаті людина або спочатку труїться, а потім задихається, або задихається, а якщо відкачають, відчуває симптоми отруєння. Крім того - дим є фактором, що обмежує видимість і орієнтацію в просторі. Це таїть не меншу небезпеку, ніж його токсичні властивості. Тому, існує спеціальна класифікація речовин (переважно, використовуваних в побуті та будівництві), за якими горючі речовини діляться залежно від здатності димоутворення.

До основних властивостей диму можна віднести наступні: масова частка домішок в диму в порівнянні з повітрям. Тобто те, наскільки змінився склад потоку повітря після проходження через язик полум'я. Далі - концентрація шкідливих речовин, і густота диму. А так само - екологічний пріоритет джерела забруднення. Тобто, чим більше речовин було окислені, тим вище ефективність печі, тим менше побічних домішок в диму. Стало бути, тим вище екологічна (і економічна) ефективність печі. В даному випадку не враховується витрата кисню.

Ясна річ, що продуктів окислення не може бути більше, ніж це забезпечує секундний обсяг окислювача, що проходить через зону горіння. Тобто, можна припустити, що в процесі горіння з оксидів потоку повітря, весь кисень повністю перейшов у молекули оксидів. А це означає, що, за законом збереження речовини, число атомів кисню до горіння дорівнює кількості атомів після горіння. Однак, якщо до горіння кисень присутній як вільний газ, то після кисень міститься як компонент численних молекул оксидів.

Вміст кисню в повітрі приблизно дорівнює 22% за масою. І це означає, що максимум саме ця маса кисню буде витрачатися на окислення. Так, при згорянні вуглецю (атомна вага 12) можна вважати, що весь кисень перейшов у молекули СО _2. Атомний вагу кисню дорівнює 16. Молекулярний вага кисню становить 16х2 = 32 р. / Моль. Маса молекули утворився СО ₂ дорівнює 32 +12 = 44 атомних одиниці маси або, що теж саме, 44 р. / Моль. Маса 1 Моля повітря приблизно дорівнює 100х16/22 = 72 р. Виходить, що при 100%-му витраті кисню, повітря буде мати молярну масу 72г / Моль + 12 р. / Моль (від вуглецю) = 84 р. / Моль. Таке повітря буде містити 44 х 100% / 84 = 52,38% двоокису вуглецю, тоді як раніше він містив 22% кисню за масою.

1 моль кисню може бути витрачений на окислення

2 моль водню Н ₂

2 / 3 Моль СН ₄

1 / 6 Моль глюкози C ₆ H ₁₂ O ₆

2 / 100 Моль тваринного жиру.

1 моль газу при нормальному атмосферному тиску займає об'єм, рівний 22,4 л і важить 16 * 2 = 32 м. Отже 1 моль кисню міститься в 32 р. * 100/22 = 145,45 р. повітря. Зона активного окислення може бути представлена ​​у вигляді циліндра висота якого дорівнює швидкості потоку в см / сек і діаметром, рівним діаметру полум'я. Для полум'я свічки (або кишеньковою запальнички) цей циліндр має параметри 4 см у висоту і діаметр близько 0,5 см. Секундний обсяг згоряння приблизно дорівнює добутку висоти уявного циліндра та площі поперечного перерізу полум'я, яка дорівнює 3,14 * d ² / 4 = 3,14 * 0,5 ² / 4 = 0,19625 см ^2. Тоді секундний обсяг згоряння дорівнює 4 см * 0,19625 см ² = 0,785 см ³ / с = 0,785 мл. Оскільки 1 мл повітря містить 0,22 мл кисню, то в полум'ї свічки щомиті згорає близько 0,22 * 0,785 = 0,1727 мл кисню, що складає 0,001727 * 32 / 22,4 = 0,002467 р. ≈ 2 , 5 мг. Треба враховувати, що крім як безпосередньо в полум'я, відбувається окислення парів в гарячій зоні біля полум'я. Однак воно менш інтенсивно і тому врахувати його складніше.

Валентність кисню = 2, валентність атомів і їх систем, що входять до складу органічних сполук дорівнює від 1 до 4. Знаючи атомну масу сполуки можна знайти об'ємну щільність речовини та відповідної йому групи оксидів. Підставляючи щільність загальної газової суміші в вищенаведені висловлювання можна приблизно знайти температуру горіння, процентний вміст оксидів в первинному висхідному потоці. Атомні маси елементів можна знайти в будь-якій таблиці Менделєєва.

4.2 Різноманіття продуктів горіння як наслідок неповного згоряння палива

Говорячи про горіння важливо враховувати, що фактично вся органіка, починаючи з найпростіших вуглеводнів, і закінчуючи жирами, білками, полімерами - має складну будову молекул. Наприклад, молекула добре всім відомого парафіну складається з 17 ланок, причому, кожна ланка складається з 1 атома вуглецю, і 2-3 пов'язаних з ним атомів водню. Причому, крім вуглецю, водню, молекули можуть містити й атоми сірки, азоту, навіть кисню. Однак навіть горіння найпростіших вуглеводнів показує деякі особливості окислення. Рівняння реакції горіння алканов в загальному вигляді:

2С _n H _{(2 n +2)} + (3 n +1) О ₂ = 2 nCO ₂ + 2 (n +1) Н ₂ O + Q

З цього рівняння випливає, що зі збільшенням числа вуглецевих атомів (n) у молекулі збільшується кількість кисню, необхідного для його повного окислення. Алкани з меншою кількістю ланок горять швидше, і при змішуванні з повітрям можуть бути вибухонебезпечні, тоді як, наприклад, парафін, починає кипіти лише при температурах в декілька сот градусів. При горінні вищих алканів (n>> 1) кисню, що міститься в повітрі, може виявитися недостатньо для їх повного окислення до СО _2. Тоді утворюються продукти часткового окислення - чадний газ СО (ступінь окислення вуглецю +2) і сажа (мелкодісперсний вуглець, нульова ступінь окислення). Тому вищі алкани горять на повітрі коптять небо полум'ям, а виділяється попутно токсичний чадний газ є ще і вибухонебезпечним.

Рис. 1. Ступені окислення атомів вуглецю

Перш за все, окислюються ланки ланцюга з найменшою за модулем ступенем окислення (СТО). Тому, при горінні органічних речовин, багато молекули згоряють не повністю: окислюється не весь ланцюжок окремо взятої молекули, а тільки її частину. До повного окислення органічних речовин часто не вистачає кисню. У цьому випадку до складу диму починають потрапляти і більш прості молекули органічних речовин. Це одна з причин, за якою навіть при горінні «невинного» парафіну в повітря можуть потрапляти молекули токсичної органіки. Обгрунтовується це досить легко.

Ті ж алкани в залежності від умов реакції можуть окислюватися з утворенням різних сполук. При звичайній температурі алкани не вступають в реакції навіть з сильними окислювачами (Н ₂ Cr ₂ O _7, KMnO ₄ тощо). При внесенні у відкрите полум'я - горять. Як раніше говорилося, в надлишку кисню відбувається їх повне окислення до СО _2, де вуглець має вищий ступінь окислення +4, і води. Горіння вуглеводнів призводить до розриву всіх зв'язків С-С і С-Н і супроводжується виділенням великої кількості тепла (екзотермічна реакція).

Припустимо, що молекула представлена ​​вище при достатній температурі зустрічається з однією молекулою кисню. Припустимо, окислюється гілка - СН _3:

або, що аналогічно:

Зрозуміло, ймовірність такого перетворення дуже мала, але можлива. Зазвичай альдегіди отримують із застосуванням менш активних кисневмісних окислювачів, наприклад, марганцівки (KMnO _4). Проте, даний приклад показує, що при горінні алканов можуть утворюватися речовини інших класів, на даному прикладі - альдегід. Багато реакції неповного згоряння широко використовуються для одержання деяких речовин або газових сумішей. Горіння метану при нестачі кисню відбувається за рівняннями:

2 CH ₄ + 3 O ₂ → 2 CO + 4 H ₂ O

CH ₄ + O ₂ → C + 2 H ₂ O

Остання реакція використовується в промисловості для отримання сажі з природного газу, що містить 80-97% метану. Часткове окислення алканів при відносно невисокій температурі і з застосуванням каталізаторів супроводжується розривом тільки частини зв'язків С-С і С-Н і використовується для отримання цінних продуктів: карбонових кислот, кетонів, альдегідів, спиртів. Наприклад, при неповному окисненні бутану (розрив зв'язку С _{2-С 3)} отримують оцтову кислоту:

CH ₃ - CH ₂ = CH ₂ - CH ₃ + 3O ₂ → 2CH ₃ COOH + 2H ₂ O

Бутан оцтова кислота

Вищі алкани (n> 25) під дією кисню повітря в рідкій фазі в присутності солей марганцю перетворюються на суміш карбонових кислот з середньою довжиною ланцюга З _{12-С 18,} які використовуються для одержання миючих засобів та поверхнево-активних речовин. Важливе значення має реакція взаємодії метану з водяною парою, в результаті якої утворюється суміш оксиду вуглецю (II) з воднем - «синтез-газ»:

Ця реакція використовується для отримання водню. Синтез-газ служить сировиною для отримання різних вуглеводнів.

Ще більш переконливі результати показує процес окислення целюлози. Як і у випадку інших органічних сполук, окислення молекул целюлози відбувається не повністю, і в залежності від умов, протікає з переважанням тих чи інших факторів, що призводять до утворення тих чи інших продуктів. Як і в інших випадках, найбільший відсоток домішок в продуктах горіння утворюється при тлінні. Процеси, що відбуваються при тлінні подібні до тих, які відбуваються при тривалому температурному впливі на целюлозу. Дане питання вивчалося при вирішенні проблеми поступового розпаду папери в трансформаторних котушках. Зрозуміло, температури, діючі всередині трансформаторних котушок, значно менше температури горіння, однак, вони достатні для протікання як реакцій термічного розкладання, так і окислювальних процесів. Механізм розкладання важкий для розуміння, і суворого уявлення про хімію протікають процесів не існує. Але загалом, його можна розглядати, як сукупність процесів окислення і розкладання.

Целюлоза окислюється, і кінцеві продукти реакції окислення знаходяться в залежності від природи окислювача, концентрації іонів водню (рН) і температури. У всіх випадках, напрям реакції - це окислення гідроксильних груп до карбонільних (освіта альдегідів) і карбонільних - до карбоксильних (освіта кислот). У цьому хімічному процесі утворюється вода. Сусідство карбоксильних або карбонільних груп послаблює Глікозидний зв'язок і може привести до розриву ланцюга і подальшого окислення.

Нагрівання целюлози у відсутність води та окислювача в межах 200 ° С призводить до розриву глікозидних зв'язків та розкриття глюкозидні кілець. Продуктами такого термічного впливу є глюкоза, вода, оксиди вуглецю і органічні кислоти. Основними в кількісному відношенні продуктами розкладання при цьому є вода і оксиди вуглецю. Присутність води і кисню визначає і напрям подальшого хімічного перетворення утворюються з целюлози сполук. У присутності надлишку кисню основним утворюється окислом вуглецю є двоокис. У разі переважання гідролітичного механізму розпаду целюлози частина утворилася глюкози (або, точніше, її дегідратованих форми 1,6-ангидро-бета-D-глюкопіраноз, левоглюкозан) отримує можливість за рахунок дегідратації перетворитися на з'єднання фуранового ряду, а інша частина окислюється до двоокису вуглецю і води.

Найбільш поширені в побуті горючі матеріали

Парафін З ₁₇ Н ₃₆

Крохмаль C ₆ H ₁₀ O ₂

Глюкоза C ₆ H ₁₂ O ₆

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6О ₂ = 6СО ₂ +6 Н ₂ О

C ₆ H ₁₀ O ₂ + Н ₂ О = C ₆ H ₁₂ O ₆

Натуральний каучук _(-СН2 - С = СН - СН ₂ -) CH ₃

Синтетичний каучук _(-СН2 - СН = СН - СН ₂ -)

Гума

Тверді жири (складаються з тригліцеридів граничних (твердих) кислот (штучне сало)

СН ₂ - O - З O - З ₁₅ H ₃₁

|

СН - O - З O - З ₁₇ H ₃₅

|

СН ₂ - O - З O - З ₁₇ H ₃₃

Жири рідкі (масла), складаються з тригліцеридів неграничних (рідких) кислот

СН ₂ - O - З O - (СН _{2) 7} - СН = СН - (СН _{2) 7} - З H ₃

|

СН - O - З O - (СН _{2) 7} - СН = СН - (СН _{2) 7} - З H ₃

|

СН ₂ - O - З O - (СН _{2) 7} - СН = СН - (СН _{2) 7} - З H ₃

Спирти С ₂ Н ₅ ОН

Целюлоза [C ₆ H ₇ O ₂ (OH) _3] n, n ≈ 100000

5. Фільтрація диму через воду

Одним з поширених способів очищення повітря, що дозволяють витягати і використовувати затримані речовини, - є фільтрування через рідку середу. Спосіб досить ефективний як для уловлювання значно концентрованих газів, так і для конденсації парів, поглинання твердих часток. Механізм очищення повітря при проходженні через воду не є до кінця вивченим. Він являє собою сукупність декількох процесів, одним з яких є дифузія на кордоні зіткнення середовищ, іншим - циркуляція повітря за рахунок омивання водою. Крім того, повітряні забруднення за ознакою «поведінки» в атмосфері і при перемішуванні з рідиною, можна розділити на 4 основних групи. Це «гази», пари розчинних у воді речовин, пари нерозчинних речовин і тверді частинки.

Тут під «газами» маються на увазі з'єднання, не здатні конденсуватися в рідкий стан (зріджується) при температурах, близьких до кімнатної (-5 º С і далі). До них відносяться сірководень, аміак, азот, кисень, хлор, вуглекислий, чадний, сірчистий та інші гази. Під парами буде матися на увазі суспензія мікроскопічних крапельок або окремих молекул речовин у повітрі, здатних конденсуватися при температурах, близьких до кімнатної. Це пари води, спиртів, жирів, карбонових кислот і т.д. Тверді частки - пил, кіптява і так далі. Розглянемо перемішування з водою кожної з цих груп.

Бульбашка, проходячи через шари води, інтенсивно омивається рідиною. У результаті шари повітря, що прилягають до поверхні розділу повітря-вода постійно рухаються. Знаходяться безпосередньо біля поверхні розділу шари цих середовищ інтенсивно перемішуються. Легкі молекули газів значно різноманітнішою багатоатомних органічних молекул домішок і вже тим більш масивних в порівнянні з ними твердих частинок. Тому при інтенсивному русі молекули, що складаються з малої кількості атомів мають великі шанси змінити напрямок при зустрічі з кордоном розділу і попрямувати назад у пляшечку. Більш масивні ж молекули й частки, наближаючись до поверхні розділу не можуть швидко змінити напрямок, і в результаті - йдуть у більш щільну і в'язку середу - воду. Пари поводяться подібно твердим частинкам. Перебуваючи в міхурі, частина мікроскопічних крапельок за рахунок руху шарів повітря, зливається один з одним. При зіткненні з поверхнею води відбувається злиття з нею і розчинення в рідині крапельок розчинних речовин. Для мікрокрапель нерасворімих у воді речовин, зіткнення з поверхнею розділу призводить до конденсації. Конденсіровашіеся крапельки піднімаються з міхуром і об'єднуються поблизу поверхні води, утворюючи маслянисті плями і парафінові «айсберги». Ефективність цієї отчистки залежить від ставлення обсягу бульбашки до площі його поверхні, а так само часу підйому.

Піднімаючись все ближче до поверхні, бульбашка збільшується в обсязі, оскільки із зменшенням глибини, тиск навколишнього води падає. Іншими словами, відношення обсягу бульбашки до його площі - збільшується. Однак, внутрішня енергія стисненого газу при інших рівних умовах, зростає при збільшенні тиску. Отже, вище і енергія руху частинок газу. Таким чином, вірогідність переходу частинок з газу у воду для бульбашки під бо льшим тиском буде вищою. Тому бажано, щоб бульбашок утворювалося більше, а от їх початкові обсяги були гранично малі, глибина підйому була так само більше. Цього можна добитися, якщо кінець трубки перекрити, а в нижній її частині зробити безліч маленьких дірок, що знаходяться один від одного порівняно далеко. Остання умова необхідно, щоб, наближаючись до поверхні, бульбашки не зливалися.

Подібний спосіб очищення давно застосовується азіатськими курцями в кальяні. Тютюновий дим через трубку потрапляє в посудину, наповнений водою, проходить через воду, при цьому частково очищається. З горлечка судини йде ще одна трубка, за допомогою якої й затягується курець.

Проходження диму через воду скорочує кількість смол, дьогтю та інших речовин потенційно канцерогенної характеру. Дослідження показали, що фільтрування диму через воду в кальяні скорочує зміст: нікотину, фенолів на 90%, дрібних твердих частинок на 50%, бензопірену, ароматичних вуглеводнів поліціклікена. Відзначається скорочення канцерогенного потенціалу диму, який перетнув воду в порівнянні з тим, який не пройшов такий фільтрації. Дим від кальяну, позбавлений таких речовин як акролеїн і альдегіди, на відміну від сигаретного, не дратує слизових оболонок горла чи носа курців та осіб, що знаходяться поблизу від кальяну

Проте, встановлено, що вміст в крові котоніну підвищено, порівняно з курцями сигарет. На цій підставі дослідники зробили висновок про те, що дим, проходячи через воду, втрачає концентрацію лише деяких з своїх компонентів, інші ж залишаються приблизно в тому ж складі.

У міру насичення домішками, здатність води розчиняти нові порції поступово знижується. При фільтрації диму у воді концентруються речовини, що є розчинниками для деяких органічних сполук. Наприклад, спирти і кислоти розчиняють жири, деякі вуглеводні розчиняються альдегідами і кетонами. Однак, взаємне поєднання всіх цих сполук може знижувати розчинність сполук інших класів. Тому, незалежно від несформованого складу, запорукою високої ефективності водної фільтрації є періодична заміна води.

5.1 Освіта бульбашок і їх розміри

Середній розмір бульбашок залежить від тиску (визначає швидкість) вхідного потоку і діаметра вихідного отвору. При подачі газів під великим тиском швидкість виходу через отвір вище, в результаті чого має місце злиття декількох послідовно утворюються бульбашок. У загальному випадку, діаметр бульбашки, здатного відокремитися від поверхні приблизно дорівнює 1,5-2 діаметрам отвори. Причому, хоч би маленьким не був діаметр вихідного отвору, існує деякий пороговий межа, лише досягнувши якого бульбашка здатний відірватися від поверхні трубки. Справа в тому, що утворюється на плоскій поверхні міхур, притискається тиском рідини до поверхні (1-3), фактично виключаючи підтікання води під нього. Відсутність підтікання означає, що вода чинить тиск тільки зверху, не дозволяючи йому спливати, а в'язкість води не дозволяє йому приймати кулясту форму.

У міру збільшення свого об'єму, бульбашка набуває овальну форму (4), що забезпечує підтікання води під пляшечку. Тепер вже на пухирець діє 3 сили: тиск води на верхню частину , Тиск води знизу і сила Архімеда F _A. Тобто тиск води знизу більше, ніж зверху за рахунок відстані, рівного половині висоти самого бульбашки. Сила дорівнює добутку тиску на площу, на яку воно діє: F = . Зі збільшенням обсягу зростає і площа нижньої половини бульбашки, на яку знизу діє тиск . Однак, існує площу зіткнення з поверхнею , На яку не діє тиск води знизу. Бульбашка відривається від поверхні, коли рівнодіюча всіх сил більше нуля і спрямована вгору: . Таке спостерігається при закачуванні газу під маленьким тиском, наприклад, як у випадку кальяну.

Якщо газ, що накопичується над поверхнею рідини, що знаходиться в герметичній посудині, відкачують за допомогою трубки, і контролювати тиск надходить у воду газу, то тиск, необхідний для утворення бульбашки, визначається тільки висотою стовпа води. У такому випадку, можливість утворення бульбашок створюється, як тільки тиск над водою стає меншим, ніж сума тиску води і тиску надходить у воду газу , Тобто: . У цьому випадку, змінюючи тиск надходить газу легко контролювати середню загальну кількість частинок газової суміші в об'ємі утворюється бульбашки. Менше тиск - менше кількість речовини в обсязі міхура, отже, - більше довжина вільного пробігу частинки. З іншого боку, зменшується і середнє значення швидкостей, що може привести до зниження відсотка газів, що переходять у водний розчин. Мабуть, існує деяка мінімальна швидкість, володіючи якою, частка має близьку до нульової ймовірність проникнення з газової у водне середовище.

Як відомо із законів термодинаміки, тиск ідеального двоатомних газу залежить, головним чином, від температури ( ), Концентрації молекул ( ) І середньоквадратичної швидкості руху молекул . Таким чином, падіння тиску в х разів приводить до зменшення середньоквадратичної швидкості в разів. Якщо середньоквадратична швидкість не впаде нижче певної межі, то це мало вплине на ймовірність проникнення частки в інше середовище.

Закачування газу під великим тиском забезпечує високі швидкості утворення бульбашок. Як правило, початкова швидкість підйому бульбашки не велика, і знову утворився пухирець, досягнувши мінімального радіуса не встигає відірватися від поверхні, - в нього потрапляє додатковий обсяг газу. Крім того, висока швидкість утворення бульбашок призводить до того, що по одній осі одночасно піднімається кілька пляшечок.

При цьому за рахунок збільшення додаткового обсягу, рівень води в посудині в цілому незначно збільшується, а ось по осі підйому бульбашок висота водяного стовпа як би «зменшується» на сумарну величину висот одночасно піднімаються бульбашок. Тобто щільність води з бульбашками менше звичайної щільності води. Внаслідок цього змінюється тиск води на рівні отвори подачі газу, що призводить до ще меншої продуктивності фільтрації.

5.2 Кількісно-часові закономірності

Як було сказано вище, інтенсивність очищення водної абсорбцією залежить від середньої величини бульбашок (відношення площі S до обсягу V повинно бути найбільшим), і глибини підйому h, безпосередньо визначальну час підйому τ. Вважаючи, що бульбашка має форму кулі, ставлення його площі (S = π ² R ²⁾ до об'єму ( ) Визначається виразом: . У цьому плані найбільше практичне значення має відношення радіуса бульбашки (R) до середньої довжині вільного пробігу частинок (L _пч) за даних умов. Чим більше радіус бульбашки при фіксованій довжині вільного пробігу (при тому ж тиску), тим менша кількість часток має можливість досягти межі розділу за час підйому до поверхні. Чим менше відношення , Тим менше рядів молекул відокремлює конкретну частку від кордону розділу. Частка бере участь в хаотичному русі, тому, при зіткненні з іншого часткою (частками) вона має приблизно однакові шанси відскочити в 4 напрямках. Отже, вірогідність того, що частка при зіткненні приблизно збереже свій напрямок дорівнює . Тому, надалі будемо використовувати вираз

У спрощеному варіанті ступінь очищення бульбашки визначається середньою ймовірністю кожної окремо взятої частинки досягти поверхні і перетнути кордон розділу. Позначимо ймовірність символом «η». Вона, в свою чергу, складається з імовірності її досягти за час підйому , Де - Характерний кут відхилення від вектора переміщення; ймовірності переходу у водне середовище , Що залежить швидкості і частинки , І ймовірності бути віддаленою від бульбашки . Як відомо, ймовірність збігу кількох факторів дорівнює добутку ймовірностей цих факторів, тобто: , Або:

.

З урахуванням цього, знайдемо радіальну ймовірність (для частинок, віддалених від поверхні розділу на різні відстані)

І загальну ймовірність для всіх часток обсягу, тобто, можливу ступінь очищення:

,

де -Сумарна кількість домішкових речовин в міхурі, - Загальна кількість речовини в обсязі цього міхура.

Приблизні значення тривалості і швидкості підйому бульбашки приблизно визначається за наступним алгоритмом.

а) За законом Архімеда F _A = ρ _ж gV, отже, підйомна сила, діюча на тіло, занурене у воду визначається виразом:

ma = ρ _ж gV - mg,

б) звідки прискорення підйому одно:

a = g (ρ _ж V - m) / m.

в) Як знає кожен, хто не спав на уроках фізики з 7 класу, пройдений шлях можна знайти з виразу: h = υ ₀ t + at ² / ^2. Або, замінивши t на τ, одержимо: h = υ ₀ τ + a τ ² / ^2. Якщо отвір трубки фільтра не спрямоване вгору, то υ ₀ = 0, отже, h = a τ ² / ^2, звідки:

.

Так як обсяг збільшується у міру підйому, рекомендую для підстановки в цю формулу взяти середнє його значення. Крім того, зміна прискорення за рахунок зростання обсягу і виштовхує сили буде анульований за рахунок збільшення вязкостного опору. В'язке опір визначається, як добуток коефіцієнта в'язкості на половину площі бульбашки:

При підйомі з глибини протікають одночасно 4 процесу:

- Відбувається зменшення чинного тиску;

- Зменшується внутрішня енергія газу, укладеного в бульбашці;

- Відбувається часткове перемішування середовищ на кордоні розділу;

- Змінюється склад газу в бульбашці.

Зменшення чинного тиску. Як відомо, тиск води на конкретній глибині визначається виразом P _в = ρ _ж gh. Однак, на відкритому повітрі діє і атмосферний тиск P _атм, тому реальний тиск на глибині h складається з цих двох складових P _реал = P _в + P _атм, або P _реал = ρ _ж gh + P _атм. Якщо вважати, що при підйомі температура бульбашки не змінюється, то зменшується тиск води призведе до зменшення тиску усередині бульбашки. Пропорційно зменшенню тиску бульбашки буде зростати його об'єм: P _реал = ρ _ж gh + P _атм, V ~ 1 / P _реал; Δ P = ρ _ж g Δ h → Δ V ~ 1 / Δ P = 1 / ρ _ж g Δ h , таким чином, Δ V ~ 1 / Δ h.

Перемішування середовищ на межі розділу. Як було написано вище, при підйомі бульбашка рухається з деяким прискоренням, отже, його рух можна охарактеризувати середньою швидкістю υ _ср на всьому його шляху вгору h.

При цьому навколо кулястого бульбашки відбувається інтенсивне протягом по дугах кола, в результаті чого на омивають шари води діє відцентрова сила, спрямована від центра: F _ц = ma = υ _ср ² / R. Очевидно, саме ця сила і є одним з факторів, що забезпечують перемішування повітря і води. Верхня частина бульбашки (1) розсікає собою водне середовище при підйомі. Її можна вважати фактично плоскою, і тому, дія на ній відцентрової сили дуже малий. З зони (1) вода стікає в область (2), яка характеризується значним зростанням кута (15-75 º) на невеликому перепаді висоти. Збільшення кута при цьому, призводить до значного зростання площі міхура в цій галузі по мірі зміни висоти. В результаті, до вод, що стікає з зони (1) домішуються додаткові обсяги води, формуючи потужні потоки, що омиває всю зону (2). У зоні (2) діє значна відцентрова сила, викликаючи інтенсивне перемішування шарів обох середовищ в граничной зоні. При цьому, водні потоки захоплюють частинки з приповерхневих шарів, і їх концентрація поступово збільшується в міру наближення до зони (3). Зона (3) характеризується незначним дією як розбавляючих потоків, так і відцентрової сили. В результаті, на рівні цієї зони відбувається просто перекачування що у перехідних шарах часток. При цьому, поповнення потоків новими частинками, що потрапили з газового середовища збільшується незначно. У зоні (4) знову посилюється відцентрова сила, а зменшення площі при наближенні до зони (5) призводить до інтенсивного вивільнення раніше захоплених водних обсягів. В результаті, на рівні зони (4) утворюються вихрові і турбулентні потоки, що сприяють розсіюванню в навколишній обсяг захоплених з міхура частинок. Інтенсивно відбувається захоплення частинок з газового середовища. У зоні (5) деяке зниження відцентрової сили компенсується інтенсивним процесом омивання міхура. Триває значне поглинання частинок водою з хвостовій частині, по краях якої утворюються потужні вихрові потоки. Таким чином, інтенсивне поглинання водою частинок із пляшечки відбувається у всіх областях, крім 1 і 3.

Використання підігрітою або холодної води для фільтрації. Зі збільшенням температури води зростає енергія руху частинок, а отже, розчинність всіх речовин, крім газів, відсоток дисоційованому молекул, а так само парционального тиск над поверхнею води. Разом з тим збільшується і відсоток часток летючих домішок, удоляющіхся з поверхні води в атмосферу. Тому саме прохолодна вода (з температурою від 0 до 35 º С) здатна утримувати в собі летючі органічні сполуки. Ця умова дозволяє затримувати і накопичувати різного роду речовини, і виділяти їх для подальшого застосування.

Вище були розглянуті залежності ступеня очищення газів при пропусканні через воду у випадках, коли температура газів і води приблизно однакова. Однак на практиці поширені випадки (знову ж кальян), коли у воду надходять гази розігріті до температури її кипіння. У цьому випадку бульбашка повітря може не тільки не збільшуватися в міру підйому до поверхні, але і навпаки, зменшуватися! Має значення як глибина підйому, так і діаметр бульбашки. Чим більше глибина, тим довше буде підніматися, тим сильніше зможе охолонути і відчистити за час підйому. З іншого боку, чим менше діаметр бульбашки, тим швидше він буде остигати, тим сильніше змінюється його обсяг за час підйому. Чим більше температура міхура, тим менше в ньому частинок, і тим сильніше він стиснеться за рахунок охолодження. Зрозуміло, кінетична енергія розігрітого газу вище, ніж у охолодженого, отже, зростає роль коефіцієнта дифузії з повітряної в газове середовище. Має значення і температура самої води. Чим нижче температура, тим вище розчинність газів, але нижче розчинність негазообразних речовин. До того ж, з пониженням температури води, падає і здатність дисоціації молекул. Таким чином, може бути істотно знижена розчинність компонентів, розчинних в кислотах та інших з'єднаннях. Зниження температури рідини сприяє конденсації парів, що знаходяться в бульбашці. Це означає велику ступінь очищення розчинних рідин, але меншу від газів, тому що енергія їх молекул і коефіцієнт дифузії падають при зменшенні температури.

Раніше розглядалися випадки, коли бульбашка піднімається вертикально, відокремившись від поверхні трубки. І саме висота стовпа води вважалася шляхом, пройденим бульбашкою, яка і підставляється в формули. Однак, збільшення водяного стовпа призводить до збільшення тиску, що не завжди бажано. Більший тиск на увазі збільшення щільності повітря в бульбашках, а так само вимагає більш високої потужності пристрою. Як вже зазначалося вище, тиск усередині бульбашки можна знизити, відкачуючи газ над поверхнею, тобто, розряджаючи його і зменшуючи тиск, який чиниться на рідину зверху. Є можливість збільшити шлях бульбашки не збільшуючи тиск, - просто змусити бульбашка підніматися вздовж похилій площині. Однак у цьому випадку на швидкість підйому впливає сила тертя. Тобто, рухатися вздовж направляючої площині бульбашка буде лише після досягнення певного діаметру. При цьому, для початку руху потрібно тим більший діаметр бульбашки, чим більше кут відрізняється від 90 º. Крім того, за рахунок зіткнення з площиною, частково зменшується поверхню розділу між водою і газом, змінюється характер перемішування шарів. У ряді випадків можуть утворюватися бульбашкові «пробки», що приводять до злиття бульбашок. Так само проблемою є утворення бульбашок спочатку розчинених у воді газів, зокрема чистого повітря, на стінках посудини. Злиття фильтруемого міхура зі звичайним призводить до збільшення діаметру і розбавленню домішок. А як було сказано вище, ефективність очищення тим ефективніше, чим більше концентрація домішок. Найзначніше зростання бульбашки відбувається при його підйомі по трубці, загнутої в спіраль. У цьому випадку бульбашка не тільки відчуває силу тертя при контакті з поверхнею трубки, а й змушений змінювати напрям в горизонтальній площині, при цьому сильно зростає опір руху за рахунок в'язкості води.

5.3 Взаємна розчинність компонентів

Слід зазначити, що прогнозування розчинності тих чи інших компонентів диму у воді обмежується складністю протікають процесів взаємодії всіх речовин, які вже в ній розчинені. Так, кислотні оксиди при попаданні у воду піддаються гідратації і подальшої дисоціації. В результаті, кислотний залишок і іон водню знаходяться в певній рівновазі. Розчинення ж аміаку у воді призводить до утворення гідроксиду амонію («нашатирного спирту»). Як і всякий гідроксид, він взаємодіє з розчинами кислот, утворюючи солі амонію. Однак, всі солі амонію так само добре розчиняються у воді, тому тут же дисоціюють, не приводячи до якого-небудь зміни хімічного складу. У звичайних умовах гідроксид амонію легко розкладається на аміак і воду. Але в цьому випадку, кислотні залишки, сприяють накопиченню і утриманню іона амонію в рідині.

Розчинність твердої речовини у воді завжди обмежена і рідко перевищує 50% за масою. Багато тверді речовини органічного походження лише на соті частки відсотка розчиняються навіть у гарячій воді. Розчинність рідких при кімнатній температурі речовин (спирти, альдегіди, карбонові кислоти) зазвичай визначається змішуваність. Для розчинення однієї рідини в іншій звичайно потрібно, щоб їх в'язкості були приблизно однакові. Сильно розрізняються по в'язкості рідини звичайно плавають одна поверх іншої, хоча можливо часткове взаємопроникнення. Рідини з приблизно однаковою в'язкістю фактично необмежено розчиняються один в одному. У даному випадку не йдеться про дисоціації цих рідин один в одному, так як вона пов'язана з діелектричною проникністю обох речовин. Зазвичай, в'язкість пов'язана з молекулярною масою речовини. Зокрема, для вуглеводнів в'язкість пов'язана з кількістю ланок у ланцюзі і конфігурацією молекул ізомерів. Проте, багато нерозчинні у воді речовини розчиняються в спиртах, кислотах та інших потенційних розчинниках. Тому присутність у воді кислот, спиртів і т.д. звичайно сприяє розчиненню деяких нерозчинних у чистій воді речовин. Зазвичай, у водному дистилляте продуктів горіння присутні фактично всі класи органічних речовин.

Так, деревний дим містить не менше 100 щодо концентрованих компонентів, поєднуючи в собі альдегіди, карбонові й амінокислоти, ароматичні вуглеводні, кетони і т.д. Взаємна розчинність всіх цих компонентів важко визначна. Тим не менш, є 2 виробничих процесу, що проливають світло на взаємну розчинність компонентів диму. Це - піроліз (суха сублімація) - розкладання без доступу кисню деревини, і виробництво коптильних препаратів на основі диму.

Так, коптильний ароматизатор «Жидкий дим», що отримується методом водної абсорбції продуктів горіння, являє собою прозору рідину від світло-жовтого до світло-коричневого кольору залежно від концентрації і характеризується наступним складом:

- Кислоти 1-40 р. / кг

- Феноли 2-10 р. / кг,

- Карбонільні з'єднання 4,5-30,0 Моль/100 л,

- Метанол 3 г / кг;

вміст токсичних елементів, не більше:

- Свинець - 1х10 ^-3 р / кг,

- Миш'як - 0,2 х10 ^-3 р / кг,

- Кадмій - 0,1 х10 ^-3 р / кг,

- Ртуть - 0,1 х10 ^-3 р / кг,

- Бенз (а) пірен - не більше 5х10 ^-8 г / кг.

Коптильні препарати отримують при горінні деревини, тобто, велика частина компонентів окислюється до оксидів вуглецю, і лише деяка частка проходить через воду. Як видно з наведених даних, даний коптильний препарат не є насиченим, тобто, можна вважати, що концентрація одних компонентів не впливає на розчинність інших. Отже, розчинність приблизно ілюструє середній склади проходить через воду диму.

При піролізі ж (сублімація без доступу кисню) ситуація дещо інша. Речовина піддається термічному розкладанню окислюючись лише за рахунок кисню, присутнього в самому речовині. При цьому відбувається утворення води, яка до межі насичується розчинними в ній речовинами. Отже, даний матеріал набагато повніше відбиває процеси фільтрації водою димових потоків, ніж кальян і копчення.

У процесі піролізу отримують компоненти в 3 станах: 24-25% деревного вугілля, 50-55% рідких і 22-23% газоподібних продуктів.

У даній таблиці наведено дуже загальні знання з найбільш часто зустрічається груп компонентів. По всій видимості, розчинність продуктів при піролізі є найбільш близькою до граничної, і найкращим способом розкриває протікають при фільтрації через воду процеси. Рідкий дистилят (Жижка), при відстоюванні розділяється на два шари: верхній водний шар, званий подсмольной водою, і смоляний шар, званий відстойної, або осадової смолою. Подсмольная вода, або відстояна Жижка, містить водорозчинні продукти розкладання деревини. У складі цієї Жижки знайдені різноманітні органічні сполуки, в тому числі різні кислоти жирного ряду (мурашина, оцтова, пропіонова, масляна, валеріанова тощо), спирти (головним чином метиловий), складні ефіри (метилацетат, етилацетат та ін), - кетони (ацетон, метилетилкетон), альдегіди (мурашиний, оцтовий, фурфурол та ін.) У відстояною Жижки містяться також нелеткі смолисті речовини, які називаються розчинної смолою. При перегонці відстояною Жижки ці речовини дають смолистий залишок, тому їх називають також кубовою смолою.

Розчинна смола, згідно з даними Д.В. Тищенко та інших дослідників, має вуглеводне походження. До її складу входять в основному речовини вуглеводного характеру і цукру, а також продукти конденсації фенолу з альдегідами і деякі речовини відстойної смоли, які стають розчинними у воді завдяки присутності оцтової кислоти, метанолу та ацетону. Склад цієї розчинної смоли значно коливається і залежить від породи деревини.

Відстійна смола складається з летючих продуктів термічного розкладання деревини, не розчинних у водному дистилляте. Ці речовини при відстоюванні Жижки збираються у вигляді смоляного шару. Частково смола містить і нелеткі речовини, які у вигляді дрібних крапель несуться з дистилятом.

5.4 Конденсація разбизгівающіхся крапель

Варто зауважити, що при використанні методу фільтрування газу через воду має місце розбризкування. При цьому у вже відфільтрований повітря потрапляють дрібні крапельки водного розчину, приблизно ідентичного за складом фільтруючої рідини. Таким чином, крім зволоження повітря, що очищається, в нього потрапляють отруйні дрібнодисперсні частинки розчину, токсичність якого неможливо знизити не конденсувати його. Один з елементарних способів поглинання надлишкової вологості повітря - збір його на поверхню тканини, наприклад, марлі. Для цього, у вихідний патрубок досить встановити шматок губки. Це призведе до деякого підвищення тиску над водою фільтра, а отже, спливаючі з глибини води бульбашки будуть дрібніше, що означає кращу фільтрацію. Губчаста поверхня буде поглинати деяку частину крапельок розчину і пари води. Важливою особливістю губчастого поглинача є те, що здатність поглинати краплі і «приклеювати» дрібні частинки зростає з підвищенням ступеня зволоженості волокон. Однак накопичення конденсованого розчину на губчастої поверхні зрадить їй стійкий димний запах.

Є більш зручний спосіб знизити токсичність дрібнодисперсного суспензії, що дозволяє зберегти ефект зволоження після фільтрації водної адсорбцією. А саме: вихідний патрубок фільтра приєднати до труби, поперечний переріз якої перекриває розташована під певним кутом марлева проникний перегородка. Один кінець марлевої тканини виходить у верхнє отвір, виконаний в корпусі труби, інший - у нижній. Верхній кінець марлі опущений у посудину з чистою водою, нижній - в посудину збирає воду. Суть полягає в наступному: вода з верхньої судини буде транспортуватися по волокнам, пройде через фрагмент марлі, розташований в трубі і звідти буде стікати в нижній. Марля буде постійно зволожувати. Проходячи через зволожуючу марлю, потік з фільтра буде відчищати від надмірної вологи і різних суспензій, але при цьому тут же насичуватися парами чистої води. Забруднена вода буде стікати в нижній посудину, а на зміну їй з верхньої судини по волокнах буде опускатися свіжа вода. Таким чином відбувається процес збору суспензій на вологу марлю і одночасно попутна «прання» цієї ж марлі.

До нещастя, фільтрування димів через вологу марлю фактично не призводить до результатів. Максимум, чого можна домогтися таким чином - зниження кількості домішок приблизно на 5%.

Здавалося б, це суперечить одній з рекомендацій, щодо порятунку від задухи при пожежі. Адже у випадках пожеж, щоб не задихнутися від диму, рекомендується дихати через складений в декілька шарів і попередньо зволожений носовичок. По-перше, тканина хустки більш щільна, по друге, складена раз в 8 волога марля так само здатна захищати від диму, поки його компоненти не пройдуть наскрізь. По-третє, хустку ми щільно притискаємо пальцями до носа, в той час як в трубу при установці автоматично увлажняемой тканини особливої ​​герметичності домогтися складно. По-четверте, затримки димів при пожежі сприяє ще і деяка методика дихання. Дихання має бути по можливості рівніше і спокійніше, так як мала швидкість повітряного потоку, що проходить через марлю, так само знижує швидкість проникнення шкідливих домішок крізь волокна і шари хустки. По-п'яте, хустку використовується тільки до того моменту, поки людина не вибереться з зони задимлення. А при установці на фільтр, хустка буде «Копти» цілодобово. До того ж навіть ті, хто використовує вологий хустку, щоб вибратися із задимленої зони іноді втрачають свідомість через брак кисню і отруйної дії токсичних компонентів диму. Так що вологий хустку або зволожена марля далеко не панацея, що рятує від отруйних речовин.

Спалювання і порушення кругообігу

Вогонь - один з найстаріших способів знищення. Органічні і неорганічні сполуки, луги і фактично будь-яке сміття (при певних умовах навіть метали) може знищити фізично вогонь. Тому, якщо немає можливості знищити сміття іншими способами, вдаються саме до спалення. Від газів і рідин після горіння залишаються тільки скупчення диму, іноді й сажі. Від твердих тіл - ще й вугілля та зола. Обсяги і маса зали в десятки разів менше, ніж були об'єм і маса згорілих колод. Тому, знищення вогнем - простий, швидкий і ефективний спосіб відчистити територію. Тепло, що виділяється при горінні можна використовувати для розігріву будь-яких речей або отримання механічної, а надалі - і електричної енергій. Але на скільки непоправної шкоди завдає біосфері такий вогонь?

У природі фактично будь-який матеріал заповнюється за допомогою кругообігу. А надлишок будь-якого природного матеріалу швидко розподіляється по площі за допомогою потоків повітря і води. А іноді й силами тваринного світу. Скільки було створено цими силами? Як мінімум грунтовий шар, атмосфера. Всього дві складових, завдяки яким існує наш світ. «Проста утилізація» - спалення, - виводить частину вже готових речовин з більш простої системи обороту в більш складну. Наприклад, як далеко не зробила крок наука, а синтез папери з найпростіших вуглеводнів не поширений вже тому, що обробляти деревину і перетворювати її на папір - набагато простіше. Стало бути, щоб зберегти природу і навколишній світ, заповнювати недолік папери потрібно за допомогою переробки паперових відходів. Втрати такої переробки складають десяті відсотка, а витрати на переробку навіть менше, ніж на її виробництво з деревини. Значна частина нової інформації переправляється електронною поштою, що в кілька знижує необхідність витрати паперу. Тому переробка могла б сприяти збереженню ресурсів усього світу, а отже - зіграла б роль у справі збереження екології вже сьогодні.

Список використаних джерел

1) Хімія деревини і целюлози - Нікітін В.М., Оболенська А.В., Щеголев В.П - 1978).

2) Енциклопедичний Словник Юного Хіміка, укладачі Кріцман В.А. і Станція В.В., головний редактор Прокоф'єв М.А., М - «Педагогіка», 1982, 368 с., мул.

3) Короткий довідник з хімії, І.Т. Гороновскій, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некряч, під редакцією члена-кореспондента АН УРСР, О.Д. Куриленко, - Київ, видавництво Наукова думка, 1974, - 994 с.

4) Верховський В.М. Техніка та методика хімічного експерименту в школі, посібник для викладачів та студентів педагогічних вузів, Т 1, видання 5, Москва, Учпедгиз, 1953 р., 556 стор, мул.