Aerosol

Suspensión de partículas sólidas finas o gotitas de líquido en un gas

La niebla y la neblina son aerosoles.

Un aerosol es una suspensión de partículas sólidas finas o gotitas líquidas en el aire u otro gas . ^[1] Los aerosoles pueden generarse por causas naturales o humanas . El término aerosol se refiere comúnmente a la mezcla de partículas en el aire, y no solo a la materia particulada. ^[2] Algunos ejemplos de aerosoles naturales son la niebla , la neblina o el polvo . Algunos ejemplos de aerosoles de origen humano incluyen contaminantes del aire en partículas , neblina de la descarga de las represas hidroeléctricas , neblina de riego, perfume de los atomizadores , humo , polvo , pesticidas rociados y tratamientos médicos para enfermedades respiratorias. ^[3]

Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: volcánicos, polvo del desierto, sal marina, los que se originan de fuentes biogénicas y los creados por el hombre. Los aerosoles volcánicos se forman en la estratosfera después de una erupción como gotitas de ácido sulfúrico que pueden persistir hasta dos años y reflejar la luz solar, bajando la temperatura. El polvo del desierto, partículas minerales sopladas a grandes altitudes, absorben el calor y pueden ser responsables de inhibir la formación de nubes de tormenta. Los aerosoles de sulfato creados por el hombre , principalmente de la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. ^[4] Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan la deposición de contaminantes en la superficie de la tierra, así como en los cuerpos de agua. ^[5] Esto tiene el potencial de ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.

Las estelas de los barcos son nubes que se forman alrededor de los gases de escape que los barcos liberan en el aire quieto del océano. Las moléculas de agua se acumulan alrededor de las partículas diminutas ( aerosoles ) de los gases de escape para formar una semilla de nube . Cada vez se acumula más agua en la semilla hasta que se forma una nube visible. En el caso de las estelas de los barcos, las semillas de las nubes se extienden a lo largo de un camino largo y estrecho por donde el viento ha soplado los gases de escape del barco, por lo que las nubes resultantes se parecen a largas cuerdas sobre el océano.

El calentamiento causado por los gases de efecto invernadero producidos por el hombre se ha visto compensado en cierta medida por el efecto de enfriamiento de los aerosoles producidos por el hombre. En 2020, las regulaciones sobre combustibles redujeron significativamente las emisiones de dióxido de azufre del transporte marítimo internacional en aproximadamente un 80%, lo que provocó un shock inesperado de finalización global de la geoingeniería. ^[6]

Las partículas líquidas o sólidas de un aerosol tienen diámetros típicamente inferiores a 1 μm . Las partículas más grandes con una velocidad de sedimentación significativa hacen que la mezcla sea una suspensión , pero la distinción no es clara. En el lenguaje cotidiano, el término aerosol se refiere a menudo a un sistema de dispensación que suministra un producto de consumo desde una lata de aerosol .

Las enfermedades pueden propagarse a través de pequeñas gotitas en el aliento , ^[7] a veces llamadas bioaerosoles . ^[8]

Definiciones

Fotomicrografía realizada con microscopio electrónico de barrido (MEB): partículas de cenizas volantes con un aumento de 2000×. La mayoría de las partículas de este aerosol son casi esféricas.

Lata de aerosol en aerosol

El aerosol se define como un sistema de suspensión de partículas sólidas o líquidas en un gas. Un aerosol incluye tanto las partículas como el gas en suspensión, que normalmente es aire. ^[1] Los meteorólogos y climatólogos a menudo se refieren a ellos como materia particulada, mientras que la clasificación en rangos de tamaños como PM2.5 o PM10, ^{[9] [10]} es útil en el campo de la contaminación atmosférica ya que estos rangos de tamaño juegan un papel en la determinación de los efectos nocivos para la salud humana. ^[11] Frederick G. Donnan presumiblemente utilizó por primera vez el término aerosol durante la Primera Guerra Mundial para describir una solución aerodinámica , nubes de partículas microscópicas en el aire. Este término se desarrolló de forma análoga al término hidrosol , un sistema coloidal con agua como medio disperso. ^[12] Los aerosoles primarios contienen partículas introducidas directamente en el gas; los aerosoles secundarios se forman a través de la conversión de gas a partícula. ^[13]

Los grupos clave de aerosoles incluyen sulfatos, carbono orgánico, carbono negro, nitratos, polvo mineral y sal marina, que generalmente se agrupan para formar una mezcla compleja. ^[10] Varios tipos de aerosoles, clasificados según su forma física y cómo se generaron, incluyen polvo, humo, niebla, humo y neblina. ^[14]

Existen varias medidas de concentración de aerosoles. Las ciencias ambientales y la salud ambiental suelen utilizar la concentración másica ( M ), definida como la masa de partículas en suspensión por unidad de volumen, en unidades como μg/m ³ . También se utiliza habitualmente la concentración numérica ( N ), el número de partículas por unidad de volumen, en unidades como número por m ³ o número por cm ³ . ^[15]

El tamaño de partícula tiene una influencia importante en las propiedades de las partículas, y el radio o diámetro de la partícula de aerosol ( d _p ) es una propiedad clave utilizada para caracterizar los aerosoles.

Los aerosoles varían en su dispersión . Un aerosol monodisperso , que se puede producir en el laboratorio, contiene partículas de tamaño uniforme. Sin embargo, la mayoría de los aerosoles, como sistemas coloidales polidispersos , presentan un rango de tamaños de partículas. ^[13] Las gotas de líquido son casi siempre casi esféricas, pero los científicos usan un diámetro equivalente para caracterizar las propiedades de varias formas de partículas sólidas, algunas muy irregulares. El diámetro equivalente es el diámetro de una partícula esférica con el mismo valor de alguna propiedad física que la partícula irregular. ^[16] El diámetro de volumen equivalente ( d _e ) se define como el diámetro de una esfera del mismo volumen que el de la partícula irregular. ^[17] También se usa comúnmente el diámetro aerodinámico,  d _a .

Generación y aplicaciones

Las personas generan aerosoles con diversos fines, entre ellos:

• como aerosoles de prueba para calibrar instrumentos, realizar investigaciones y probar equipos de muestreo y filtros de aire; ^[18]
• para suministrar desodorantes , pinturas y otros productos de consumo en aerosol; ^[19]
• Para dispersión y aplicación agrícola
• para el tratamiento médico de enfermedades respiratorias ; ^[20] y
• en sistemas de inyección de combustible y otras tecnologías de combustión . ^[21]

Algunos dispositivos para generar aerosoles son: ^[3]

• Aerosol en aerosol
• Boquilla atomizadora o nebulizador
• Electropulverización
• Cigarrillo electrónico
• Generador de aerosol de orificio vibratorio (VOAG)

En la atmósfera

Contaminación por aerosoles en el norte de la India y Bangladesh

Vista general de grandes nubes de aerosoles alrededor de la Tierra (verde: humo, azul: sal, amarillo: polvo, blanco: sulfúrico)

Varios tipos de aerosoles atmosféricos tienen un efecto significativo en el clima de la Tierra: los volcánicos, el polvo del desierto, la sal marina, los que se originan de fuentes biogénicas y los creados por el hombre. Los aerosoles volcánicos se forman en la estratosfera después de una erupción en forma de gotitas de ácido sulfúrico que pueden permanecer hasta dos años y reflejar la luz solar, lo que reduce la temperatura. El polvo del desierto, partículas minerales que se elevan a grandes altitudes, absorben el calor y pueden ser responsables de inhibir la formación de nubes de tormenta. Los aerosoles de sulfato creados por el hombre , principalmente por la quema de petróleo y carbón, afectan el comportamiento de las nubes. ^[4]

Aunque todos los hidrometeoros , sólidos y líquidos, pueden describirse como aerosoles, comúnmente se hace una distinción entre dichas dispersiones (es decir, nubes) que contienen gotas y cristales activados y partículas de aerosol. ^[22] La atmósfera de la Tierra contiene aerosoles de varios tipos y concentraciones, incluidas cantidades de:

• Materiales inorgánicos naturales : polvo fino, sal marina o gotas de agua.
• Materiales orgánicos naturales : humo, polen , esporas o bacterias.
• productos antropogénicos de combustión tales como: humo, cenizas o polvos

Los aerosoles se pueden encontrar en los ecosistemas urbanos en diversas formas, por ejemplo:

• Polvo
• Humo de cigarrillo
• Niebla de latas de aerosol
• Hollín o humos en el escape del automóvil

La presencia de aerosoles en la atmósfera de la Tierra puede influir en su clima, así como en la salud humana.

Efectos

Los aerosoles tienen un efecto de enfriamiento que es pequeño comparado con el forzamiento radiativo (efecto de calentamiento) de los gases de efecto invernadero. ^[23]

Las erupciones volcánicas liberan a la atmósfera grandes cantidades de ácido sulfúrico , sulfuro de hidrógeno y ácido clorhídrico . Estos gases se presentan en forma de aerosoles y finalmente regresan a la Tierra en forma de lluvia ácida , lo que tiene una serie de efectos adversos sobre el medio ambiente y la vida humana. ^[24]

Cuando los aerosoles absorben contaminantes, facilitan su deposición en la superficie de la tierra y en los cuerpos de agua. ^[5] Esto tiene el potencial de ser perjudicial tanto para el medio ambiente como para la salud humana.

Los aerosoles interactúan con el presupuesto energético de la Tierra de dos maneras: directa e indirectamente.

• Por ejemplo, un efecto directo es que los aerosoles dispersan y absorben la radiación solar entrante. ^[25] Esto conducirá principalmente a un enfriamiento de la superficie (la radiación solar se dispersa de nuevo al espacio), pero también puede contribuir a un calentamiento de la superficie (causado por la absorción de la energía solar entrante). ^[26] Esto será un elemento adicional al efecto invernadero y, por lo tanto, contribuirá al cambio climático global. ^[5]
• Los efectos indirectos se refieren a la interferencia de los aerosoles con las formaciones que interactúan directamente con la radiación. Por ejemplo, pueden modificar el tamaño de las partículas de las nubes en la atmósfera inferior, cambiando así la forma en que las nubes reflejan y absorben la luz y, por lo tanto, modificando el balance energético de la Tierra. ^[24]
• Hay evidencia que sugiere que los aerosoles antropogénicos en realidad compensan los efectos de los gases de efecto invernadero en algunas áreas, por lo que el hemisferio norte muestra un calentamiento de la superficie más lento que el hemisferio sur, aunque eso solo significa que el hemisferio norte absorberá el calor más tarde a través de las corrientes oceánicas que traen aguas más cálidas desde el sur. ^[27] Sin embargo, a escala global, el enfriamiento por aerosoles disminuye el calentamiento inducido por los gases de efecto invernadero sin compensarlo por completo. ^[28]

Las estelas de los barcos son nubes que se forman alrededor de los gases de escape que liberan los barcos en el aire quieto del océano. Las moléculas de agua se acumulan alrededor de las partículas diminutas ( aerosoles ) de los gases de escape para formar una semilla de nube . Cada vez se acumula más agua en la semilla hasta que se forma una nube visible. En el caso de las estelas de los barcos, las semillas de las nubes se extienden a lo largo de un camino largo y estrecho por donde el viento ha soplado los gases de escape del barco, por lo que las nubes resultantes se parecen a largas cuerdas sobre el océano. ^[29]

El calentamiento causado por los gases de efecto invernadero producidos por el hombre se ha visto compensado en cierta medida por el efecto de enfriamiento de los aerosoles producidos por el hombre. En 2020, las regulaciones sobre combustibles redujeron significativamente las emisiones de dióxido de azufre del transporte marítimo internacional en aproximadamente un 80%, lo que provocó un shock inesperado de finalización global de la geoingeniería. ^[6]

Los aerosoles en el rango de 20 μm muestran un tiempo de persistencia particularmente largo en habitaciones con aire acondicionado debido a su comportamiento de "jinete de chorro" (se mueven con chorros de aire, caen gravitacionalmente en aire de movimiento lento); ^[30] como este tamaño de aerosol se adsorbe más efectivamente en la nariz humana, ^[31] el sitio de infección primordial en COVID-19 , dichos aerosoles pueden contribuir a la pandemia. ^[32]

Las partículas de aerosol con un diámetro efectivo menor a 10 μm pueden ingresar a los bronquios, mientras que las que tienen un diámetro efectivo menor a 2,5 μm pueden ingresar hasta la región de intercambio de gases en los pulmones, ^[33] lo que puede ser peligroso para la salud humana.

Distribución de tamaño

La misma distribución hipotética de aerosoles log-normal (bimodal) representada gráficamente, de arriba hacia abajo, como una distribución de número versus diámetro, una distribución de área de superficie versus diámetro y una distribución de volumen versus diámetro. Los nombres de los modos típicos se muestran en la parte superior. Cada distribución está normalizada de modo que el área total sea 1000.

En el caso de un aerosol monodisperso, un único número (el diámetro de la partícula) es suficiente para describir el tamaño de las partículas. Sin embargo, existen distribuciones de tamaño de partícula más complicadas que describen el tamaño de las partículas en un aerosol polidisperso. Esta distribución define las cantidades relativas de partículas, ordenadas según el tamaño. ^[34] Un enfoque para definir la distribución del tamaño de partícula utiliza una lista de los tamaños de cada partícula en una muestra. Sin embargo, este enfoque resulta tedioso de determinar en aerosoles con millones de partículas y difícil de usar. Otro enfoque divide el rango de tamaño en intervalos y encuentra el número (o proporción) de partículas en cada intervalo. Estos datos se pueden presentar en un histograma con el área de cada barra representando la proporción de partículas en ese intervalo de tamaño, normalmente normalizado dividiendo el número de partículas en un intervalo por el ancho del intervalo de modo que el área de cada barra sea proporcional al número de partículas en el rango de tamaño que representa. ^[35] Si el ancho de los intervalos tiende a cero , la función de frecuencia es: ^[36]

${\displaystyle \mathrm {d} f=f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

dónde

${\displaystyle d_{p}}$es el diámetro de las partículas

${\displaystyle \,\mathrm {d} f}$es la fracción de partículas que tienen diámetros entre y + ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle d_{p}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} d_{p}}$

${\displaystyle f(d_{p})}$es la función de frecuencia

Por lo tanto, el área bajo la curva de frecuencia entre dos tamaños a y b representa la fracción total de partículas en ese rango de tamaño: ^[36]

${\displaystyle f_{ab}=\int _{a}^{b}f(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

También se puede formular en términos de la densidad numérica total N : ^[37]

${\displaystyle dN=N(d_{p})\,\mathrm {d} d_{p}}$

Suponiendo que las partículas de aerosol son esféricas, el área superficial del aerosol por unidad de volumen ( S ) viene dada por el segundo momento : ^[37]

${\displaystyle S=\pi /2\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{2}\,\mathrm {d} d_{p}}$

Y el tercer momento da la concentración volumétrica total ( V ) de las partículas: ^[37]

${\displaystyle V=\pi /6\int _{0}^{\infty }N(d_{p})d_{p}^{3}\,\mathrm {d} d_{p}}$

La distribución del tamaño de las partículas puede ser aproximada. La distribución normal por lo general no describe adecuadamente las distribuciones del tamaño de las partículas en aerosoles debido a la asimetría asociada con una cola larga de partículas más grandes. Además, para una cantidad que varía en un rango amplio, como lo hacen muchos tamaños de aerosoles, el ancho de la distribución implica tamaños de partículas negativos, lo que no es físicamente realista. Sin embargo, la distribución normal puede ser adecuada para algunos aerosoles, como los aerosoles de prueba, ciertos granos de polen y esporas . ^[38]

Una distribución log-normal elegida más ampliamente da la frecuencia numérica como: ^[38]

${\displaystyle \mathrm {d} f={\frac {1}{d_{p}\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(ln(d_{p})-{\bar {d_{p}}})^{2}}{2\sigma ^{2}}}}\mathrm {d} d_{p}}$

dónde:

${\displaystyle \sigma }$es la desviación estándar de la distribución de tamaño y

${\displaystyle {\bar {d_{p}}}}$es el diámetro medio aritmético .

La distribución log-normal no tiene valores negativos, puede cubrir un amplio rango de valores y se ajusta razonablemente bien a muchas distribuciones de tamaño observadas. ^{[39] [40]}

Otras distribuciones que a veces se utilizan para caracterizar el tamaño de las partículas incluyen: la distribución Rosin-Rammler , aplicada a polvos y aerosoles dispersos de forma gruesa; la distribución Nukiyama-Tanasawa, para aerosoles de rangos de tamaño extremadamente amplios; la distribución de función de potencia , aplicada ocasionalmente a aerosoles atmosféricos; la distribución exponencial , aplicada a materiales en polvo; y para gotas de nubes, la distribución Khrgian-Mazin. ^[41]

Física

Velocidad terminal de una partícula en un fluido

Para valores bajos del número de Reynolds (<1), válidos para la mayoría de los movimientos de aerosoles, la ley de Stokes describe la fuerza de resistencia sobre una partícula esférica sólida en un fluido. Sin embargo, la ley de Stokes solo es válida cuando la velocidad del gas en la superficie de la partícula es cero. Sin embargo, para partículas pequeñas (<1 μm) que caracterizan a los aerosoles, esta suposición falla. Para tener en cuenta esta falla, se puede introducir el factor de corrección de Cunningham , siempre mayor que 1. Incluyendo este factor, se encuentra la relación entre la fuerza de resistencia sobre una partícula y su velocidad: ^[42]

${\displaystyle F_{D}={\frac {3\pi \eta Vd}{C_{c}}}}$

dónde

${\displaystyle F_{D}}$es la fuerza de resistencia sobre una partícula esférica

${\displaystyle \eta }$es la viscosidad dinámica del gas

${\displaystyle V}$es la velocidad de la partícula

${\displaystyle C_{c}}$es el factor de corrección de Cunningham.

Esto nos permite calcular la velocidad terminal de una partícula que experimenta un asentamiento gravitacional en aire en calma. Si ignoramos los efectos de flotabilidad , obtenemos: ^[43]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{p}d^{2}gC_{c}}{18\eta }}}$

dónde

${\displaystyle V_{TS}}$es la velocidad de asentamiento terminal de la partícula.

La velocidad terminal también se puede derivar para otros tipos de fuerzas. Si se cumple la ley de Stokes, entonces la resistencia al movimiento es directamente proporcional a la velocidad. La constante de proporcionalidad es la movilidad mecánica ( B ) de una partícula: ^[44]

${\displaystyle B={\frac {V}{F_{D}}}={\frac {C_{c}}{3\pi \eta d}}}$

Una partícula que viaja a cualquier velocidad inicial razonable se acerca a su velocidad terminal exponencialmente con un tiempo de plegado e igual al tiempo de relajación: ^[45]

${\displaystyle V(t)=V_{f}-(V_{f}-V_{0})e^{-{\frac {t}{\tau }}}}$

dónde:

${\displaystyle V(t)}$es la velocidad de la partícula en el tiempo t

${\displaystyle V_{f}}$es la velocidad final de la partícula

${\displaystyle V_{0}}$es la velocidad inicial de la partícula

Para tener en cuenta el efecto de la forma de las partículas no esféricas, se aplica a la ley de Stokes un factor de corrección conocido como factor de forma dinámica . Se define como la relación entre la fuerza resistiva de la partícula irregular y la de una partícula esférica con el mismo volumen y velocidad: ^[17]

${\displaystyle \chi ={\frac {F_{D}}{3\pi \eta Vd_{e}}}}$

dónde:

${\displaystyle \chi }$es el factor de forma dinámica

Diámetro aerodinámico

El diámetro aerodinámico de una partícula irregular se define como el diámetro de la partícula esférica con una densidad de 1000 kg/m ³ y la misma velocidad de sedimentación que la partícula irregular. ^[46]

Despreciando la corrección de deslizamiento, la partícula se asienta a la velocidad terminal proporcional al cuadrado del diámetro aerodinámico , d _a : ^[46]

${\displaystyle V_{TS}={\frac {\rho _{0}d_{a}^{2}g}{18\eta }}}$

dónde

${\displaystyle \ \rho _{0}}$= densidad de partículas estándar (1000 kg/m ³ ).

Esta ecuación da el diámetro aerodinámico: ^[47]

${\displaystyle d_{a}=d_{e}\left({\frac {\rho _{p}}{\rho _{0}\chi }}\right)^{\frac {1}{2}}}$

Se puede aplicar el diámetro aerodinámico a contaminantes particulados o a fármacos inhalados para predecir en qué parte del tracto respiratorio se depositan dichas partículas. Las compañías farmacéuticas suelen utilizar el diámetro aerodinámico, no el diámetro geométrico, para caracterizar las partículas en fármacos inhalables. ^{[ cita requerida ]}

Dinámica

El análisis anterior se centró en partículas de aerosol individuales. En cambio, la dinámica de los aerosoles explica la evolución de poblaciones completas de aerosoles. Las concentraciones de partículas cambiarán con el tiempo como resultado de muchos procesos. Los procesos externos que mueven partículas fuera de un volumen de gas en estudio incluyen la difusión , la sedimentación gravitacional y las cargas eléctricas y otras fuerzas externas que causan la migración de partículas. Un segundo conjunto de procesos internos a un volumen dado de gas incluye la formación de partículas (nucleación), la evaporación, la reacción química y la coagulación. ^[48]

Una ecuación diferencial llamada ecuación dinámica general del aerosol (EDG) caracteriza la evolución de la densidad numérica de partículas en un aerosol debido a estos procesos. ^[48]

${\displaystyle {\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}=-\nabla \cdot n_{i}\mathbf {q} +\nabla \cdot D_{p}\nabla _{i}n_{i}+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {growth} }+\left({\frac {\partial {n_{i}}}{\partial {t}}}\right)_{\mathrm {coag} }-\nabla \cdot \mathbf {q} _{F}n_{i}}$

Cambio en el tiempo = Transporte convectivo + difusión browniana + interacciones gas-partícula + coagulación + migración por fuerzas externas

Dónde:

${\displaystyle n_{i}}$es la densidad numérica de partículas de la categoría de tamaño ${\displaystyle i}$

${\displaystyle \mathbf {q} }$es la velocidad de la partícula

${\displaystyle D_{p}}$¿Es la difusividad de Stokes-Einstein de la partícula?

${\displaystyle \mathbf {q} _{F}}$es la velocidad de la partícula asociada con una fuerza externa

Coagulación

A medida que las partículas y gotitas de un aerosol chocan entre sí, pueden experimentar coalescencia o agregación. Este proceso conduce a un cambio en la distribución del tamaño de las partículas del aerosol, y el diámetro de la moda aumenta a medida que disminuye el número total de partículas. ^[49] En ocasiones, las partículas pueden fragmentarse en numerosas partículas más pequeñas; sin embargo, este proceso suele ocurrir principalmente en partículas demasiado grandes para ser consideradas aerosoles.

Regímenes dinámicos

El número de Knudsen de la partícula define tres regímenes dinámicos diferentes que gobiernan el comportamiento de un aerosol:

${\displaystyle K_{n}={\frac {2\lambda }{d}}}$

donde es el camino libre medio del gas en suspensión y es el diámetro de la partícula. ^[50] Para partículas en el régimen molecular libre , K _n >> 1; partículas pequeñas en comparación con el camino libre medio del gas en suspensión. ^[51] En este régimen, las partículas interactúan con el gas en suspensión a través de una serie de colisiones "balísticas" con moléculas de gas. Como tales, se comportan de manera similar a las moléculas de gas, tendiendo a seguir líneas de corriente y difundiéndose rápidamente a través del movimiento browniano. La ecuación de flujo de masa en el régimen molecular libre es: ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle I={\frac {\pi a^{2}}{k_{b}}}\left({\frac {P_{\infty }}{T_{\infty }}}-{\frac {P_{A}}{T_{A}}}\right)\cdot C_{A}\alpha }$

donde a es el radio de la partícula, P _∞ y P _A son las presiones lejos de la gota y en la superficie de la gota respectivamente, k _b es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, C _A es la velocidad térmica media y α es el coeficiente de acomodación de masa. ^{[ cita requerida ]} La derivación de esta ecuación supone una presión constante y un coeficiente de difusión constante.

Las partículas están en el régimen continuo cuando K _n << 1. ^[51] En este régimen, las partículas son grandes en comparación con el camino libre medio del gas en suspensión, lo que significa que el gas en suspensión actúa como un fluido continuo que fluye alrededor de la partícula. ^[51] El flujo molecular en este régimen es:

${\displaystyle I_{cont}\sim {\frac {4\pi aM_{A}D_{AB}}{RT}}\left(P_{A\infty }-P_{AS}\right)}$

donde a es el radio de la partícula A , M _A es la masa molecular de la partícula A , D _AB es el coeficiente de difusión entre las partículas A y B , R es la constante del gas ideal, T es la temperatura (en unidades absolutas como kelvin), y P _A∞ y P _AS son las presiones en el infinito y en la superficie respectivamente. ^{[ cita requerida ]}

El régimen de transición contiene todas las partículas que se encuentran entre los regímenes molecular libre y continuo o K _n ≈ 1. Las fuerzas que experimenta una partícula son una combinación compleja de interacciones con moléculas de gas individuales e interacciones macroscópicas. La ecuación semiempírica que describe el flujo de masa es:

${\displaystyle I=I_{cont}\cdot {\frac {1+K_{n}}{1+1.71K_{n}+1.33{K_{n}}^{2}}}}$

donde I _cont es el flujo de masa en el régimen continuo. ^{[ cita requerida ]} Esta fórmula se denomina fórmula de interpolación de Fuchs-Sutugin. Estas ecuaciones no tienen en cuenta el efecto de liberación de calor.

Particionado

Condensación y evaporación

La teoría de la partición de aerosoles rige la condensación y la evaporación de la superficie de un aerosol, respectivamente. La condensación de la masa hace que aumente el modo de distribución del tamaño de las partículas del aerosol; por el contrario, la evaporación hace que disminuya. La nucleación es el proceso de formación de la masa de aerosol a partir de la condensación de un precursor gaseoso, específicamente un vapor . La condensación neta del vapor requiere sobresaturación, una presión parcial mayor que su presión de vapor . Esto puede suceder por tres razones: ^{[ cita requerida ]}

1. Bajar la temperatura del sistema reduce la presión de vapor.
2. Las reacciones químicas pueden aumentar la presión parcial de un gas o disminuir su presión de vapor.
3. La adición de vapor adicional al sistema puede reducir la presión de vapor de equilibrio según la ley de Raoult .

Existen dos tipos de procesos de nucleación. Los gases se condensan preferentemente sobre superficies de partículas de aerosol preexistentes, lo que se conoce como nucleación heterogénea . Este proceso hace que el diámetro en el modo de distribución del tamaño de partícula aumente con una concentración numérica constante. ^[52] Con una supersaturación suficientemente alta y sin superficies adecuadas, las partículas pueden condensarse en ausencia de una superficie preexistente, lo que se conoce como nucleación homogénea . Esto da como resultado la adición de partículas muy pequeñas y de rápido crecimiento a la distribución del tamaño de partícula. ^[52]

Activación

El agua recubre las partículas de los aerosoles, lo que las activa , generalmente en el contexto de la formación de una gota de nube (como la siembra natural de nubes por aerosoles de los árboles en un bosque). ^[53] Siguiendo la ecuación de Kelvin (basada en la curvatura de las gotas de líquido), las partículas más pequeñas necesitan una humedad relativa ambiental más alta para mantener el equilibrio que las partículas más grandes. La siguiente fórmula da la humedad relativa en equilibrio:

${\displaystyle RH={\frac {p_{s}}{p_{0}}}\times 100\%=S\times 100\%}$

donde es la presión de vapor de saturación por encima de una partícula en equilibrio (alrededor de una gota de líquido curvada), p ₀ es la presión de vapor de saturación (superficie plana del mismo líquido) y S es la relación de saturación. ${\displaystyle p_{s}}$

La ecuación de Kelvin para la presión de vapor de saturación sobre una superficie curva es:

${\displaystyle \ln {p_{s} \over p_{0}}={\frac {2\sigma M}{RT\rho \cdot r_{p}}}}$

donde r _{p es} el radio de la gota, σ es la tensión superficial de la gota, ρ es la densidad del líquido, M es la masa molar, T es la temperatura y R es la constante molar del gas.

Solución a la ecuación dinámica general

No existen soluciones generales para la ecuación dinámica general (EDG); ^[54] los métodos comunes utilizados para resolver la ecuación dinámica general incluyen: ^[55]

• Método del momento ^[56]
• Método modal/seccional, ^[57] y
• Método de cuadratura de momentos ^{[58] [59]} / Método de expansión de momentos en serie de Taylor, ^{[60] [61]} y
• Método de Monte Carlo. ^[62]

Detección

Los aerosoles pueden medirse in situ o con técnicas de teledetección terrestre o aérea.

In situObservaciones

Algunas técnicas de medición in situ disponibles incluyen:

• Espectómetro de masas de aerosoles (AMS)
• Analizador de movilidad diferencial (DMA)
• Espectómetro de aerosol eléctrico (EAS)
• Analizador de tamaño de partículas aerodinámico (APS)
• Clasificador aerodinámico de aerosoles (AAC)
• Espectrómetro de partículas de amplio rango (WPS)
• Impactador de depósito uniforme de microorificios (MOUDI)
• Contador de partículas de condensación (CPC)
• Epifaniómetro
• Impactador eléctrico de baja presión (ELPI)
• Analizador de masas de partículas de aerosol (APM)
• Analizador de masa de partículas centrífugas (CPMA)

Enfoque de teledetección

Los enfoques de teledetección incluyen:

• Fotómetro solar
• Lidar
• Espectroscopia de imágenes

Muestreo selectivo por tamaño

Las partículas pueden depositarse en la nariz , la boca , la faringe y la laringe (la región de las vías respiratorias de la cabeza), más profundamente dentro del tracto respiratorio (desde la tráquea hasta los bronquiolos terminales ) o en la región alveolar . ^[63] La ubicación de la deposición de partículas de aerosol dentro del sistema respiratorio determina en gran medida los efectos sobre la salud de la exposición a dichos aerosoles. ^[63] Este fenómeno llevó a las personas a inventar muestreadores de aerosoles que seleccionan un subconjunto de las partículas de aerosol que llegan a ciertas partes del sistema respiratorio. ^[64]

Ejemplos de estos subconjuntos de la distribución del tamaño de partículas de un aerosol, importantes en la salud ocupacional, incluyen las fracciones inhalable, torácica y respirable. La fracción que puede entrar en cada parte del sistema respiratorio depende de la deposición de partículas en las partes superiores de las vías respiratorias. ^[65] La fracción inhalable de partículas, definida como la proporción de partículas originalmente en el aire que pueden entrar en la nariz o la boca, depende de la velocidad y dirección del viento externo y de la distribución del tamaño de partículas por diámetro aerodinámico. ^[66] La fracción torácica es la proporción de partículas en el aerosol ambiental que pueden alcanzar el tórax o la región del pecho. ^[67] La ​​fracción respirable es la proporción de partículas en el aire que pueden llegar a la región alveolar. ^[68] Para medir la fracción respirable de partículas en el aire, se utiliza un precolector con un filtro de muestreo. El precolector excluye partículas a medida que las vías respiratorias eliminan partículas del aire inhalado. El filtro de muestreo recoge las partículas para la medición. Es común utilizar la separación ciclónica para el precolector, pero otras técnicas incluyen impactadores, elutriadores horizontales y filtros de membrana de poro grande . ^[69]

Dos criterios alternativos de selección de tamaño, que se utilizan a menudo en la monitorización atmosférica, son PM ₁₀ y PM _2,5 . La ISO define PM ₁₀ como partículas que pasan a través de una entrada selectiva por tamaño con un límite de eficiencia del 50 % a un diámetro aerodinámico de 10 μm y PM _2,5 como partículas que pasan a través de una entrada selectiva por tamaño con un límite de eficiencia del 50 % a un diámetro aerodinámico de 2,5 μm . PM ₁₀ corresponde a la "convención torácica" tal como se define en la norma ISO 7708:1995, cláusula 6; PM _2,5 corresponde a la "convención respirable de alto riesgo" tal como se define en la norma ISO 7708:1995, 7.1. ^[70] La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos reemplazó las normas más antiguas para material particulado basadas en Partículas Suspendidas Totales por otra norma basada en PM ₁₀ en 1987 ^[71] y luego introdujo normas para PM _2.5 (también conocidas como partículas finas) en 1997. ^[72]

Véase también

• Aerogel
• Aeroplancton
• Transmisión de aerosoles
• Bioaerosol
• Deposición (Física de aerosoles)
• Oscurecimiento global
• Nebulizador
• Monoterpeno
• Inyección de aerosol estratosférico

Referencias

1. Hinds 1999, pág. 3.
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40. También existe una ventaja práctica en modelar las distribuciones de tamaño de aerosoles con una distribución log-normal, ya que el momento n-ésimo de una variable X distribuida log-normalmente tiene una expresión analítica simple que utiliza los dos parámetros y que simplifica el modelo. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \mu }$
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Fuentes

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Enlaces externos

• Asamblea Internacional de Investigación sobre Aerosoles Archivado el 21 de enero de 2020 en Wayback Machine
• Asociación Estadounidense para la Investigación de Aerosoles
• Manual de métodos analíticos del NIOSH (consulte los capítulos sobre muestreo de aerosoles)