АЭРОЗОЛИ
(от греч. aеr – воздух и лат. solluti – раствор) свободные дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой и дисперсной фазой, состоящей их твердых или жидких частиц.
Сам термин аэрозоль был предложен профессором Доннаном (Англия) в конце первой мировой войны для обозначения высокодисперсных систем, таких как ядовитые дымы фенилхлорарсина, которые начали применять в военных целях. Независимо от Доннана этим термином стал пользоваться и немецкий ученый Шмаусс, которому принадлежит первая статья (1920 г.), где он был использован.
Классификация.
1. По агрегатному состоянию дисперсной фазы:
туманы (Ж/Г) – дисперсная система, состоит из капелек жидкости;
дымы (Т/Г) – аэрозоли с твердыми частицами кондансационного происхождения;
пыли (Т/Г) – твердые частицы, образованные путем деспиригирования;
смог (Ж+Т/Г) – система смешанного типа, когда на твердых частицах конденсируется влага (туман, образовавшийся на частицах дыма);
2. По дисперсности:
ультрадисперсные аэрозоли (наночастицы) с размерами 0,001 – 0,01 мкм;
высокодисперсные аэрозоли (ВДА) 0,01 – 0,1 мкм;
среднедисперсные аэрозоли 0,1 – 10 мкм;
грубодисперсные аэрозоли 10 – 100 мкм.
Появление нового класса наночастиц произошло совсем недавно, когда стало возможным создание нового поколения аэрозольных приборов для изучения этих ультрадисперсных аэрозолей.
Характерные размеры аэрозольных частиц:
3. По методам получения:
конденсационные;
диспергационные.
Аэрозоли могут возникают естественным путем, образуются искусственно и сопутствуют промышленному производству.
Аэрозоли, которые возникают естественным путем :
До 30% всех естественных аэрозолей дает космическая пыль. Ежегодно в среднем 1 км 2 земной поверхности выбрасывает в атмосферу 20т раздробленной массы, которая превращается в атмосферные аэрозоли.
Ветер поднимает и разносит облака пыли, создавая пыльные бури. Пыль может подниматься на высоту 5 – 6 км и переноситься на расстояния, измеряемые тысячами километров (в Норвегии, например, была обнаружена пыль пустыни Сахара).
При извержении вулканов, а их на Земле более 600, в атмосферу выбрасывается несколько десятков миллионов тонн грунта, большая часть которого переходит в аэрозольное состояние (так, в результате гигантского извержения вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. в стратосферу было выброшено такое количество пыли, что следующий, 1816 г, вошел в историю как «год без лета»).
Микроорганизмы, вирусы и споры растений подхватываются потоком воздуха и образуют аэрозоли, таки аэрозоли биологического происхождения могут переносятся на огромные расстояния (отмечены случаи, когда споры грибов были обнаружены над Карибскимморем в 1000 км от ближайшего возможного места их образования).
Вода, испаряемая с водной поверхности Земли, образует аэрозоли, разрушение которых приводит к возникновению дождя, снега, града.
Аэрозоли, которые получают искусственно:
Около 10% всех аэрозолей получается искусственно: это распыление ядохимикатов и удобрений, орошение, бытовые аэрозоли и т. д.
Промышленные аэрозоли:
В шахтах, карьерах для добычи полезных ископаемых, около металлургических и химических комбинатов, при работе различных агрегатов (дробилок, мельниц, многочисленных котельных) образуются аэрозоли, загрязняющие воздух. Все виды наземного, воздушного и водного транспорта являются источниками аэрозолей за счет сгорания топлива (достаточно сказать, что в результате сгорания топлива ежегодно выбрасывается в атмосферу более 100т твердых и 1 млн.т газообразных веществ).
Производство ядерного топлива, эксплуатация атомных электростанций, испытания ядерного оружия приводят к образованию радиоактивных аэрозолей.
Основные безразмерные критерии подобия для описания аэродисперсных систем.
Они возникают при анализе и обезразмеривании определяющих уравнений, описывающих тот или иной элементарный процесс с одиночной частицей.
Кроме того, данные критерии имеют самостоятельное значение для понимания специфики и закономерностей процессов и явлений с аэрозолями.
Число Маха
где q p и q g – характерные скорости движения частицы и газа соответственно
Оно возникает при анализе уравнений газовой динамики и характеризует скоростные режимы движения аэрозольной частицы относительно центра масс газа.
Диапазон изменения критерия: от очень малых значений до единицы. Для атмосферных аэрозолей характерен диапазон M <<1, поэтому можно сказать, что динамика аэрозолей – это низкоскоростная аэродинамика.
Умеренные числа M ≈1 могут быть характерны для ряда технологических аэрозольных приложений.
Число Рейнольдса
где ρ– плотность
u – среднемассовая скорость
η – вязкость газа
R– радиус частицы
Оно возникает при анализе уравнений газовой динамики и выражает соотношение сил инерции и сил вязкого трения в газе.
Диапазон изменения критерия – от 0 до очень больших значений.
Для атмосферных и технологических аэрозолей число Re изменяется от очень малых (гравитационное осаждение частиц) до очень больших значений (турбулентный перенос частиц, газоочистные аппараты).
Число Кнудсена
где λ – средняя длина свободного пробега молекул газа
R – радиус частицы
Оно возникает при анализе уравнения Больцмана, применяемого для описания дисперсионной газовой среды, и характеризует структурность газа.
Формальный диапазон изменения критерия 0 < Kn < ∞
Для атмосферных аэрозолей 0.001мкм ≤ R ≤ 100мкм , λg ≈ 0. 065мкм при н.у., тогда
10−3 ≤ Kn ≤ 100
Число Стокса
где τ – время механической релаксации частицы
L – некоторый характерный размер процесса
Оно возникает при анализе уравнений движения частицы в механике аэрозолей и характеризует соотношение между силами инерции частицы и силами вязкого трения в газах.
Диапазон изменений критерия может быть достаточно большим (особенно для процессов с технологическими аэрозолями).
Число Брауна
где v p и v g –тепловая скорость движения аэрозольной частицы и молекулы газа
Возникает при анализе уравнений броуновского движения аэрозолей, характеризует интенсивность броуновского движения аэрозольных частиц. Диапазон изменения критерия от 0 до 1.
Для атмосферных аэрозолей обычно число Брауна Br << 1 (за исключением ультрадисперсного аэрозоля, где Br ≤ 1).
Свойства аэрозолей
Свойства аэрозолей определяются:
природой веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды
частичной и массовой концентрацией аэрозоля
размером частиц и распределением частиц по размерам
формой первичных (неагрегированных) частиц
структурой аэрозоля
зарядом частиц.
Для характеристики концентрации аэрозолей, как и других дисперсных систем, используются:
массовая концентрация – масса всех взвешенных частиц в единице объема дисперсной системы:
массовая и объемная доли :
,
где m 0
и V 0
– общая масса и общий объем дисперсной
системы
численная концентрация – число частиц в единице объема дисперсной системы
Где V 0 –общий объем дисперсной системы
N ч – число частиц
Особенности молекулярно-кинетических свойств аэрозолей обусловлены:
малой концентрацией частиц дисперсной фазы
(например, в 1 см 3 гидрозоля золота содержится 1016 частиц, а в таком же объеме аэрозоля золота менее 107 частиц).
малой вязкостью дисперсионной среды (воздуха), т.е., малым коэффициентом трения (В), возникающего при движении частиц
малой плотностью дисперсионной среды, следовательно ρ част » ρ газа
Все это приводит к тому, что движение частиц в аэрозолях происходит значительно интенсивнее, чем в гидрозолях.
Броуновское движение
Это непрерывное хаотичное равновероятностное для всех направлений движение частиц, распространяющихся за счет воздействия дисперсионной среды.
Согласно уравнению Эйншнейна, средний квадрат смещения частицы х 2 за промежуток времени t вдоль оси x равен:
где K – коэффициент сопротивления (сила, действующая на частицу, движущуюся со скоростью 1м/с)
В случае справедливости закона Стокса K=3d, так что уравнение приобретает вид:
Первые измерения броуновского движения частиц в газах, сделанные Де Бройлем, подтвердили справедливость уравнения Эйншнейна.
Диффузия
Это самопроизвольные процесс распространения дисперсионной фазы из области с большей концентрацией а область с меньшей концентрации.
где n – концетнрация частиц в данной плоскости.
По закуну Фика:
где D – коэффициент диффузии.
Тогда, можно выразить коэффициент диффузии в функции размера частицы:
где член представляет собой подвижность частицы.
Электрические свойства аэрозолей
До сих пор аэрозольные частицы рассматривались как незаряженные, и пренебрегали действием электрических сил как между самими частицами, так и между частицами и приложенным внешним электрическим полем. В реальности большинство аэродисперсных систем обладает электрическим зарядом, это свойство фактически является универсальным как для технологических, так и для природных атмосферных аэрозолей.
Электрические свойства частиц аэрозоля значительно отличаются от электрических свойств частиц в лиозоле.
Большинство аэрозолей несут заряд, который может постоянно перераспределяться между частицами;
Внешние электрические поля могут влиять как на величину заряда частиц, так и на характеристики их движения;
На частицах аэрозоля не возникает двойной электрический слой, так как из-за низкой диэлектрической проницаемости газовой среды в ней практически не происходит электролитическая диссоциация;
Заряд частиц носит случайный характер, и для частиц одной природы и одинакового размера может быть различным как по величине, так и по знаку.
В отсутствие специфической адсорбции заряды частиц очень малы и обычно превышают элементарный электрический заряд не более чем в 10 раз.
К основным процессам, приводящим к образованию заряда на частице, относятся прямая ионизация частиц; статическая электризация частиц; столкновения с ионами; ионизация частиц электромагнитным излучением (УФ, рентгеновским или гамма-излучением).
Согласно Смолуховскому, заряд зависит от числа положительных и отрицательных ионов, находящихся в капельке в момент ее отделения от жидкости, т.е. определяется концентрация ионов в жидкости, то есть:
где - средний квадрат заряда капельки, выраженный через число элементарных
N – концентрация ионов одного знака в жидкости
V – объем капельки
Эта теория была проверена Натансоном в опытах с жидкостями, имеющими очень низкую концентрацию ионов (менее 310 -9 моль/л), например с трансформаторным маслом. Он нашел, что распределение зарядов вполне симметрично во всей области размеров капелек 0,5 – 2,1 мк.
Но заряд жидкой капли не может достичь предельного значения кроме случая, когда ее размеры очень малы.
На заряд накладывается дополнительное ограничение, известное как предел Рэлея. Сильно заряженная капля будет испаряться до тех пор, пока внешняя сила электрического поля на поверхности капли не превысит внутреннюю силу ее поверхностного натяжения. В этот момент капля разорвется на части, а ее заряд распределится по большей поверхности нескольких более мелких капелек.
Рэлей получил выражение для количества электронов на капле, необходимого для ее разрыва:
где σ – коэффициент поверхностного натяжения
d – диаметр капли
Правильность этой формулы была подтверждена экспериментально
Устойчивость
Под устойчивостью системы понимается способность системы сохранять свои свойства, дисперсионный состав, равномерное распределение частиц по объему.
Есть два вида устойчивости:
1. Молекулярно-кинетическая устойчивость – это устойчивость дисперсной системы по отношению к действию силы тяжести. Она препятствует седиментации и определяется наличием броуновского движения, зависит от степени дисперсности частиц, вязкости среды, температуры.
2. Агрегативная устойчивость – это способность системы сохранять свою степень дисперсности.
Аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми системами. Устойчивость аэрозолей является лишь кинетической, термодинамические факторы устойчивости отсутствуют.
К нарушению устойчивости аэрозолей приводят следующие процессы:
седиментация частиц, которая по причине малой вязкости среды протекает быстрее, чем в гидрозолях;
коагуляция частиц, протекающая в газовой среде из-за интенсивного броуновского движения с большой скоростью, которая ещё более возрастает с увеличение концентрации аэрозоля. Ускорению коагуляции способствует повышенная влажность среды;
влияние температуры, особенно на устойчивость туманов, так как их равновесное состояние возможно только при условии, когда давление насыщенного пара дисперсных жидких частиц равно давлению насыщенного пара жидкости, из которой они образованны ( 0). При > 0 идет испарение капель, а при < 0 – конденсация.
а) Испарение
Продолжительность существования аэрозолей ограничивается скоростью испарения отдельных частиц; для данного вещества при постоянной температуре испарение будет происходить с максимальной скоростью в случае, когда окружающий воздух не содержит паров вещества; для вопроса об устойчивость аэрозолей эта максимальная скорость испарения имеет существенное значение.
Если построить графическую зависимость площади поверхности s от времени t для капельки чистого высококипящего вещества, то полученный график сначала приблизительно линеен (ds/dt=const), но затем постепенно отклоняется от оси времени. Причем кривизна тем заметнее, чем меньше частица. То есть, скорость испарения мелких капелек постепенно падает по мере уменьшения их размеров.
Расчеты времени полного испарения капелек важны при сравнении устойчивости различных веществ в аэродисперсном состоянии, но полное испарение частиц маловероятно. Наличие нелетучих примесей, присутствовавших в исходном веществе, или возникших уже в дисперсном состоянии в результате окисления или разложения, или приобретенных при столкновении с частицами пыли в воздухе, может замедлять испарение и даже останавливать его.
Поэтому «время полуиспарения» капли, т.е время, в течение которого капля потеряет за счет испарения половину своей первоначальной массы, оказывается более удобным параметром.
б) Коагуляция
Коагуляция – наиболее важный процесс межчастичного взаимодействия в аэрозолях. Ее надо понимать как эффект слипания, агрегирования первичных частиц в процессе их взаимного движения и парных столкновений (тройные столкновения частиц обычно не учитываются как весьма маловероятные).
Слияние жидких капель называется коалесценцией , для твердых частиц часто используется термин агломерация. Оба эффекта в целом можно характеризовать как агрегацию частиц.
В общем случае под коагуляцией понимают уменьшение степени дисперсности частиц (т.е. их укрупнение) при снижении числовой концентрации частиц.
Рассмотрим теорию коагуляции Смолуховского.
Монодисперсный аэрозоль из сферических частиц, которые первоначально были
равномерно распределены в объеме газа. Они испытывают поступательное броуновское движение, которое приводит к их сближению и столкновениям. Каждое парное столкновение частиц приводит к их слипанию.
Рассматривается
процесс броуновской диффузии частиц
из неограниченного объема газа к одной
неподвижной частице – так называемой
«поглощающей сфере».
В итоге, решение уравнения Смолуховского имеет вид:
Эти уравнения позволяют предсказать изменение числовой концентрации монодисперсных частиц во времени.
Видно, что данный процесс является достаточно медленным, а скорость изменения концентрации частиц сильно зависит от их начальной концентрации.
Зависимость числовой концентрации частиц n от времени для броуновской коагуляции монодисперсного аэрозоля (разные кривые соответствуют различной начальной концентрации частиц)
Оптические свойства
Определяются рассеянием светового потока при прохождении через аэрозоль.
Интенсивность излучения I, рассеянного в данном направлении определенным объемом аэрозоля, становится пропорциональной счетной концентрации частиц n и радиусу частиц в некоторой степени p, т.е. :
Специфические свойства
К особенностям физических свойств аэрозолей, связанным с газообразной дисперсной средой, относятся явления термофореза, фотофореза.
Явление термофореза наблюдается в аэрозолях под влиянием градиента температуры.
Термофорезом называют движение частиц аэрозоля в направлении области более низких температур. Причиной этого служит то, что более нагретую сторону частицы молекулы газа бомбандируют с большей скоростью. Чем менее нагретую. Частица получает импульс для движения в сторону более низкой температуры.
Фотофорезом называют перемещение частиц аэрозоля при одностороннем освещении. Направление движения зависит от многих свойств частиц – размера, формы, прозрачности и т.д.
Фотофорез отсутствует или проявляется очень слабо у веществ, хорошо отражающих свет, например фторида кальция, трехокиси сурьмы, и очень заметно у сильных поглотителей света: сажи, железных опилок.
Если сильнее нагревается сторона частицы, обращенная к источнику света, то благодаря усилившейся бомбардировке этой стороны молекулами окружающего газа частица смещается от источника света – имеет место положительный фотофорез. Если же сильнее будет нагреваться противоположная сторона частицы, то получается обратные эффект – отрицательный фотофорез.
Стоит сказать о роли фотофореза в медицине. Фотофорез лекарств метод, в основе которого лежит одновременное воздействие излучением и лекарственным веществом.
Суть фотофореза: на ограниченный участок кожи (до 80 см 2) наносится около 1 мл р-ра лекарственного вещества и равномерно распределяется по поверхности кожи. Далее этот участок облучают расфокусированным лучом красного или инфракрасного света. Время облучения около 10-20 мин. В основе фотофореза лежит повышение проницаемости кожи под влиянием низкоинтенсивного лазерного излучения и ускорение диффузии лекарств.
Фотофорез имеет большой диапазон воздействия на организм. Он способен повышать повышать иммунитет, увеличивать выработку антител, усиливать клеточный обмен, синтез коллагена и эластина, улучшать микроциркуляцию крови и лимфы, усиливать проникновение питательных веществ в глубину кожи, нормализовать АД и т.д.
Методы получения аэрозолей
Аэрозоли образуются при взрывах, дроблении и распылении веществ, а так же в процессах конденсации при охлаждении перенасыщенных паров воды и органических жидкостей.
Как и другие микрогетерогенные системы, аэрозоли могут быть получены двумя разными путями:
из грубо-дисперсных систем (диспергационные методы),
из истинных растворов (конденсационные методы).
Конденсационный метод .
Связан с образованием в гомогенной системе новой фазы. Обязательным условием ее образования является наличие пересыщенного пара, конденсация которого и приводит к образованию частиц дисперсной фазы.
Объемная конденсация пересыщенного пара может происходить в трех случаях:
*при адиабатическом расширении (образование облака);
*при смешении паров и газов, имеющих разные температуры (образование атмосферных туманов);
*при охлаждении газовой смеси.
Кроме того, конденсационный аэрозоль может образовываться в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов:
при сгорании топлива образуются дымовые газы, конденсация которых приводит к появлению топочного дыма;
при сгорании фосфора на воздухе образуется белый дым (Р 2 О 5);
при взаимодействии газообразных NH 3 и НСl образуется дым МН 4 Сl (тв);
окисление металлов на воздухе, происходящее в различных металлургических и химических процессах, сопровождается образованием дымов, состоящих из частиц оксидов металлов.
Особенность конденсации продуктов химических реакций – возможность каталитического действия конденсированных частиц на превращение исходных веществ.
Диспергационный метод.
Диспергационные аэрозоли образуются при измельчении (распылении) твердых и жидких тел в газовой среде и при переходе порошкообразных веществ во взвешенных состояниях при действии воздушных потоков.
Распыление твердых тел происходит в две стадии:
измельчение
распыление.
Среди методов распыления жидкостей различают следующие:
1. Пневматическое (или аэродинамическое)распыление;
2. Гидравлическое (или гидродинамическое) распыление;
3. Центробежное распыление;
4. Прочие методы (электростатическое, акустическое, с помощью пропеллентов и другие)
Перевод вещества в состояние аэрозоля должен быть осуществлен в момент применения аэрозоля, так как в отличие от других дисперсных систем (эмульсий, суспензий), аэрозоли нельзя приготовить заранее. В бытовых условиях почти единственным средством получения жидких и порошкообразных аэрозолей является устройство, называемое «аэрозольной упаковкой», вещество в нем упаковывается под давлением и распыляется при помощи сжиженных или сжатых газов.
Самобалансирующийся волчок Уолтона и Пруэтта.
Приводится в действие сжатым воздухом (вход справа), угловая скорость вращения – несколько тысяч оборотов в секунду, радиальное ускорение – порядка миллиона g. Жидкость подается сверху из узкой трубки (3) в центр ротора (2) и растекается на его поверхности в виде тонкой пленки. Капли отрываются от конуса ротора, тонокодисперсный туман выходит в зазор между вращающимся ротором и корпусом волчка.
Методы разрушения аэрозолей
Несмотря на то, что аэрозоли являются агрегативно неустойчивыми, проблема их разрушения стоит очень остро. Основные проблемы, при разрешении которых возникает необходимость разрушения аэрозолей:
Очистка атмосферного воздуха от промышленных аэрозолей;
Улавливание из промышленного дыма ценных продуктов;
Искусственное дождевание или рассеивание облаков и тумана.
При слове «аэрозоль» нам обычно представляется баллончик, из которого распыляется нечто полезное – либо средство от тараканов и мух, либо лекарство для горла. Такое представление, в принципе, соответствует действительности, но лишь отчасти.
Для начала разберёмся, какой смысл вкладывается в слово «аэрозоль» вообще. С точки зрения физики аэрозоль – это разновидность дисперсной системы. Что такое дисперсная система? Это сочетание физических тел (в данном случае они называются фазами), которые находятся в разных агрегатных состояниях (твёрдом, жидком или газообразном) или даже в одном (за исключением тех случаев, когда оба тела газообразные – при этом дисперсной системы не получится), но при этом не смешиваются друг с другом и не вступают в химическую реакцию, причём одно из них (оно называется дисперсионной фазой) равномерно распределяется во втором (дисперсионной среде). Агрегатным состоянием каждой из этих двух составляющих как раз и определяется разновидность аэрозолей.
Так вот, если дисперсная среда будет газообразной, а распределенная в ней дисперсная фаза жидкой или твёрдой – это и есть аэрозоль. Если быть точным, это будет один из двух видов аэрозолей, причём с обоими видами мы встречаемся практически каждый день. Так, облака, плывущие над землёй, или туман, покрывающий долины в предрассветный час – это тоже аэрозоли. В данном случае в газообразной дисперсионной среде взвешены мельчайшие капельки жидкости. Нечто подобное можно наблюдать и возле фонтанов или водопадов.
Дым – это тоже аэрозоль, в данном случае дисперсная фаза, взвешенная в воздухе, представлена мельчайшими твёрдыми частицами несгоревшего топлива. И даже пыль в воздухе – это тоже аэрозоль! Такой аэрозоль называется грубодисперсионным. Взвешенная в воздухе пыльца растений во время цветения, не дающая покоя тем, кто страдает аллергией – это тоже аэрозоль.
Но это ещё не самое удивительное. Аэрозоли бывают… живыми! Об этом можно говорить в том случае, если рассеянные в воздухе твёрдые частицы представляют собой какие-то микроорганизмы – например, бактерии. Впервые подобное явление обнаружил французский учёный Луи Пастер – объяснив таким образом, как инфекционный заболевания могут передаваться воздушно-капельным путём. Такой «живой аэрозоль» иначе называется аэропланктоном, и обнаруживали этих бактерий не только у земной поверхности, но и на изрядной высоте – в 70 км над поверхностью Земли! Итак, с аэрозолями в природе мы более или менее разобрались, а какие аэрозоли создаёт человек на пользу себе?
Прежде всего, аэрозоли используются в медицине. Ещё в древности помещения, где находились больные, окуривали дымом, образующимся при сжигании лекарственных растений. Определённую пользу это приносило, но в наше время существуют более эффективные способы, например – ингаляция. Раствор лекарства либо нагревают, либо подвергают какому-то другому воздействию (например, ультразвуком), в результате чего она превращается в аэрозоль, который и вдыхает больной. Лекарство таким образом глубоко проникает в дыхательные пути – это незаменимо, например, при лечении бронхита. Другой способ превращения лекарства в аэрозоль – распыление жидкости с помощью пульверизатора – устройства, действующего за счёт разницы в давлении. Аэрозолем можно обработать больное место «прицельно» – например, антибиотик в виде аэрозоли, которой опрыскивают горло, допустим даже беременным. В то же время, это не так мучительно, как смазывать горло лекарством.
В виде аэрозолей применяются не только лекарства, но и дезодоранты, упоминавшиеся уже яды для насекомых, краска, и даже оружие (газовые баллончики). И ещё один вид аэрозолей, к сожалению, созданный человеком – это смог.
неоднородные системы, состоящие из взвешенных в газообразной среде частицтвердогоилижидкого вещества размером обычно 10~6 или 10~2 см. В криминалистике используются для выявления следов, их фиксации и пр. Некоторые виды А. используются правоохранительными органами при действиях в особых условиях (при массовых беспорядках и др.).
Отличное определение
Неполное определение ↓
АЭРОЗОЛИ
неоднородные полидисперсные системы из взвешенных в газообразной среде частиц твердого или жидкого вещества размером 10–6-10–2 см. Различают А. конденсационные (дымы, туманы, смог) и диспергационные (пыль и жидкие частицы). А. могут быть естественные и искусственные. Их свойства определяются природой вещества, из которого состоят частицы, природой дисперсионной среды, массовой концентрацией А. (общей массой частиц в ед. объема), частичной концентрацией (числом частиц в ед. объема), размером, формой и зарядом частиц. А. широко применяются в сельском хозяйстве (опыление растений инсектицидами, искусственное дождевание, борьба с градом и т.д.), промышленности (пневматическое, окрашивание, распыление топлива для сжигания и т.д.), медицине (аэрозолетерапия), метеорологии (для рассеивания туманов), для борьбы с запыленностью воздуха, загрязнением атмосферы и др. В гражданской защите большое значение имеют мероприятия по осаждению и устранению радиоактивных А. и аэрозольных ОВ при применении ОМП и техногенных авариях. Защитные свойства А. используются при световом излучении ядерного взрыва и лучевого оружия.
В современной медицине лекарственные препараты выпускаются в различных формах, удобных для доставки действующего вещества к больному органу.
Одной из таких форм для наружного применения сегодня является спрей. Набрызгивание лекарственного состава на кожу, слизистую оболочку горла или другую пораженную зону позволяет равномерно нанести лекарство, не беспокоя больного прикосновениями и не рискуя внести инфекцию. Спрей является довольно новой формой лекарственных препаратов, и далеко не все потребители знают, что это такое и чем спреи отличаются от аэрозолей.
Что такое спрей?
Для местного применения спрей является одной из наиболее удобных форм, так как представляет собой дисперсию мельчайших твердых и жидких частиц лекарства в газовой среде.
Он используется для нанесения лечебных составов на поверхность кожи, раневую или ожоговую поверхность, на слизистые оболочки полости рта, носоглотки, вагины и т.д. Кроме того, спрей чрезвычайно удобен для ингаляций.
В чем разница между спреем и аэрозолем?
Иногда даже врачи не совсем уверенно различают спреи и аэрозоли. Между тем, разница имеется, и достаточно заметная. Основное отличие между ними заключается в способе извлечения препарата из флакона:
— в аэрозоле лекарство поступает наружу благодаря избыточному давлению внутри баллона, после открытия выпускного клапана;
— спрей подается путем механического выжимания поршневым микронасосом мелкодисперсной взвеси препарата в воздухе, при этом внутри флакона давление приближается к обычному атмосферному давлению.
Разница заключается и в размере частиц диспергированного вещества: в аэрозоле их диаметр составляет от 1 до 5 мкм, в спрее – от 10 до 50 мкм, причем их скорость невысока. Поэтому выпускное отверстие флакона спрея следует располагать ближе к поверхности кожи, чем при распылении аэрозоля из баллончика.
Преимущества спреев как лекарственной формы
Спрей оказался чрезвычайно эффективной и удобной лекарственной формой наружного, местного интраназального действия, обладающей широким рядом достоинств.
— Распыленный на больное или пораженное место, спрей оказывает чрезвычайно быстрый терапевтический эффект. Скорость воздействия и действенность лекарства в ряде случаев сравнима с внутривенной инъекцией.
— Дисперсная форма повышает химическую и фармакологическую активность лекарства, что дает возможность обходиться более низкими дозами действующего вещества. Это, в свою очередь, обеспечивает щадящий эффект лечения.
— Благодаря микроскопическим размерам частицы лекарства намного легче проникают в складки, полости и карманы дыхательных путей, впитываются поверхностью кожи и слизистыми оболочками.
— Спрей может применяться в тех случаях, когда пероральный способ приема лекарств не дает нужного эффекта, поскольку действующее вещество разрушается желудочным соком.
— Распыление лекарственного состава уменьшает негативные побочные эффекты от его воздействия на организм.
— До распыления лекарство находится в стерильном, чистом состоянии в герметично закрытом флаконе. Препарат не пересыхает и не вбирает в себя влагу воздуха, находясь в той форме, которую фармацевты сочли оптимальной для воздействия на организм больного.
— При помощи дозирующего клапана лекарство распыляется точно отмеренными порциями, исключающими передозировку.
— Удобный и быстрый способ применения доступен практически каждому больному, независимо от его физического состояния.
Следует заметить, что обычно аэрозоли более активно способствуют проявлению побочных эффектов лечения, чем спреи. В то же время они распыляют препарат наиболее мелкими частицами, что в некоторых случаях является важным фактором лечения.
Благодаря отсутствию специального газа-носителя, характерного для аэрозоля, спреи более приятны на вкус, если речь идет о лекарствах для верхних дыхательных путей. Прозрачный флакон позволяет видеть, сколько препарата осталось неиспользованным и каково его качество: не появился ли осадок или помутнение состава.
В настоящее время спрей является оптимальной, наиболее практичной и эффективной формой применения лекарственных средств наружного применения. Многие препараты, ранее выпускавшиеся в виде аэрозолей, сегодня переведены в форму спреев, что не замедлило позитивно сказаться на интенсивности их продаж.
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ
Аэрозоли и спреи ОФС.1.4.1.0002.15
Взамен ст. ГФ XI «Аэрозоли»
Аэрозоли – лекарственная форма, представляющая собой растворы, эмульсии или суспензии действующих веществ, находящиеся под давлением пропеллента в герметичной упаковке (аэрозольный баллон), снабженной клапанно-распылительной системой, которая обеспечивает высвобождение лекарственного средства в виде дисперсии твердых или жидких частиц в газе, размер которых соответствует пути введения.
Спреи – это аэрозоли, не содержащие пропеллента, высвобождение содержимого которых происходит за счет давления воздуха, создаваемого с помощью механического распылителя насосного типа или при сжатии полимерной упаковки. По сравнению с аэрозолями спреи являются более грубодисперсной системой.
Аэрозоли представляют собой двухфазные (газ и жидкость) или трехфазные (газ, жидкость и твердое вещество или жидкость) системы. Двухфазные аэрозоли состоят из раствора действующего вещества в сжиженном пропелленте с добавлением растворителей, обеспечивающих растворимость действующих веществ. Трехфазные аэрозоли состоят из суспензии или эмульсии действующих веществ и пропеллента.
К трехфазным аэрозолям относятся пенные аэрозоли, которые представляют собой эмульсии, содержащие действующие вещества, поверхностно-активные вещества, водные или неводные растворители и пропелленты. Если пропеллент входит в состав дисперсной фазы (эмульсия типа «масло в воде»), при выпуске содержимого образуется стабильная пена.
Спреи представляют собой однофазные (жидкость) или двухфазные (жидкость и твердое вещество или жидкость) системы.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ
Вспомогательные вещества в составе аэрозолей и спреев (растворители, пропелленты, поверхностно-активные вещества, пленкообразователи, корригенты, антимикробные консерванты, антиоксиданты и др.) должны быть разрешены к медицинскому применению, обеспечивать оптимальные технологические характеристики лекарственной формы, быть совместимы с другими компонентами лекарственной формы и материалом упаковки. Вспомогательные вещества в составе аэрозолей для ингаляций не должны неблагоприятно влиять на функцию слизистой оболочки респираторного тракта.
Растворители: вода, спирт этиловый, жирные масла растительного и животного происхождения, минеральные масла, глицерин, этилацетат, хлористый этил, пропиленгликоль, димексид (диметилсульфоксид), полиэтиленоксиды с различными молекулярными массами, полисилоксановые соединения, этилцеллюлозы и др.
Поверхностно-активные вещества : полисорбаты (твины), спены, пентол, препарат ОС-20, эмульсионные воски, эмульгатор № 1, эмульгатор Т-2, спирты синтетические жирные первичные, триэтаноламиновые соли высших жирных кислот, олеиновая кислота и др.
Пленкообразователи: производные целлюлозы, акриловой кислоты и др.
Корригенты: сахар, лимонная кислота, сорбит, эфирные масла, тимол, ментол и др.
Антимикробные консерванты: метилпарагидроксибензоат, натрия пропилпарагидроксибензоат, этилпарагидроксибензоат, сорбиновая и бензойная кислоты, натрия бензоат, этоний, катамин АБ и др.
Антиоксиданты: бутилокситолуол, бутилоксианизол, витамин Е, аскорбиновая кислота и др.
Пропелленты (используются в аэрозолях): сжиженные газы, например, низкомолекулярные углеводороды парафинового ряда, такие как пропан и бутан, сжатые газы, такие как азот, азота закись, углерода диоксид, и галогенированные углеводороды (фреоны или хладоны). Для создания оптимальных физико-химических характеристик аэрозоля могут быть использованы смеси пропеллентов.
Аэрозоли и спреи помещают в упаковку, которая должна быть изготовлена из материала, инертного по отношению к содержимому упаковки: металла, стекла, пластмассы или их комбинаций. Стеклянные емкости аэрозолей должны быть защищены пластмассовым покрытием. Аэрозольные баллоны должны выдерживать внутреннее давление не менее 1 МПа при 20 ºС.
В зависимости от типа и предназначения упаковки должны быть снабжены распылительным устройством непрерывного действия (недозированные аэрозоли и спреи) или дозирующим распылительным устройством (дозированные аэрозоли и спреи). Материалы, используемые в производстве распылительных устройств (пластмасса, резина, металл), должны быть инертны по отношению к содержимому упаковки.
Распылительное устройство должно регулировать высвобождение содержимого упаковки во время использования: скорость и полноту высвобождения, размер частиц дисперсии, однородность дозирования. Клапанно-распылительное устройство аэрозолей должно обеспечивать герметичность упаковки в нерабочем состоянии.
ИСПЫТАНИЯ
В зависимости от лекарственной формы контроль качества аэрозолей и спреев включает в себя оценку давления в упаковке, герметичности упаковки, проверку клапана, определение процента выхода содержимого упаковки, средней массы дозы, количества доз в упаковке, однородности дозирования, однородности массы. Для неингаляционных аэрозолей и спреев, содержащих суспензию действующих веществ, определяют размер частиц, для ингаляционных аэрозолей – респирабельную фракцию.
Для аэрозолей и спреев, представляющих собой эмульсии и суспензии, допускается расслаивание в процессе хранения, однако они должны легко реэмульгироваться и ресуспендироваться при встряхивании для обеспечения равномерного распределения действующего вещества в лекарственном средстве.
Аэрозоли, предназначенные для ингаляций, должны соответствовать .
Давление в упаковке
Измерение давления проводят только для аэрозолей, в которых пропеллентами являются сжатые газы.
Упаковки выдерживают при комнатной температуре в течение 1 ч и манометром (класс точности 2.5) измеряют давление внутри упаковки, которое должно соответствовать требованиям фармакопейной статьи или нормативной документации, но не должно превышать 0,8 МПа (8 кгc/см 2).
Герметичность упаковки (для аэрозолей)
Метод 1 . Аэрозольный баллон без колпачка и распылителя или насадки полностью погружают в водяную баню при температуре (45 ± 5) °С не менее чем на 15 мин и не более чем на 30 мин для стеклянного баллона и не менее чем на 10 мин и не более чем на 20 мин для металлического. Толщина слоя воды над штоком клапана должна быть не менее 1 см. Не должно наблюдаться выделение пузырьков газа.
Метод 2 . Отбирают 12 ранее не использовавшихся аэрозольных упаковок. Каждую упаковку без колпачка и распылителя или насадки взвешивают с точностью до 0,001 г (m 0) и оставляют в вертикальном положении при комнатной температуре на срок не менее 3 сут. Затем аэрозольную упаковку опять взвешивают с точностью до 0,001 г (m 1).
Отмечают продолжительность испытания в часах (Т ).
Освобождают аэрозольную упаковку от содержимого в соответствии со способом, указанным в фармакопейной статье или нормативной документации. Взвешивают пустую упаковку с точностью до 0,001 г (m 2), рассчитывают среднюю массу содержимого с точностью до 0,001 г (m 3) по формуле:
n – количество аэрозольных упаковок, подвергшихся испытанию.
Рассчитывают скорость утечки содержимого упаковки в граммах в год (V m ) по формуле:
Рассчитывают скорость утечки содержимого упаковки в год в процентах от средней массы (V % ) по формуле:
Если не указано иначе в фармакопейной статье или нормативной документации, среднегодовая скорость утечки для 12 упаковок не должна превышать 3,5 % от средней массы содержимого упаковки и ни для одной из них не должна превышать 5,0 %. Если хотя бы для одной упаковки скорость утечки превышает 5,0 % в год, но ни для одной из упаковок не превышает 7,0 %, испытание на утечку проводят еще на 24 упаковках. Не более 2 упаковок из 36 могут иметь скорость утечки больше 5,0 % и ни для одной из них скорость утечки не должна превышать 7,0 % в год.
Если масса содержимого упаковки менее 15 г, средняя скорость утечки для 12 упаковок не должна превышать 525 мг/год и ни для одной из них не должна превышать 750 мг/год. Если хотя бы для одной упаковки скорость утечки превышает 750 мг/год (но не более 1,1 г/год), то испытание на утечку проводят еще на 24 упаковках. Не более 2 упаковок из 36 могут иметь скорость утечки больше 750 мг/год и ни для одной упаковки из 36 скорость утечки не должна превышать 1,1 г/год.
Выход содержимого упаковки
Испытание проводят для недозированных аэрозолей и спреев. Упаковку взвешивают вместе с распылителем или насадкой с точностью до 0,01 г (m 4). Нажатием на распылитель или насадку из упаковки удаляют все содержимое и снова взвешивают упаковку вместе с распылителем или насадкой с точностью до 0,01 г (m 5).
Выход содержимого в процентах (X ) вычисляют по формуле:
где m 6 – масса содержимого, указанная на этикетке, г (или полученная путем умножения номинального объема на плотность препарата).
Если не указано иначе в фармакопейной статье или нормативной документации, процент выхода содержимого упаковки должен составлять не менее 90 %, и результатом считают среднее арифметическое, полученное при определении процента выхода содержимого из 3 упаковок.
Однородность массы дозы
Испытание проводят для дозированных аэрозолей и спреев, содержащих растворы. Испытание для ингаляционных аэрозолей проводят в соответствии с (испытание «Однородность доставляемой дозы»).
Высвобождают одну дозу и отбрасывают ее. Спустя не менее 5 с встряхивают упаковку в течение 5 с, снова высвобождают и отбрасывают одну дозу. Повторяют указанную процедуру еще 3 раза, если иначе не указано в фармакопейной статье или нормативной документации. Взвешивают упаковку. Встряхивают упаковку в течение 5 с, высвобождают и отбрасывают одну дозу, снова взвешивают упаковку. По разности вычисляют массу высвободившейся дозы.
Испытание повторяют еще для 9 доз, указанных в фармакопейной статье или нормативной документации. Рассчитывают среднюю массу дозы и отклонения индивидуальных значений от средней массы дозы.
Лекарственное средство считают выдержавшим испытание, если не более 1 из 10 индивидуальных масс отклоняется от средней массы на величину, превышающую 25 %, при этом не более чем на 35 %. Если 2 или 3 результата выпадают из пределов 75 – 125 %, испытание повторяют с 20 другими дозами. Не более 3 из 30 значений могут выходить за пределы 75 – 125 %, и все значения должны быть в пределах от 65 до 135 %.
Количество доз в упаковке
Испытание проводят для дозированных аэрозолей и спреев.
Метод 1. Выпускают содержимое одной упаковки, высвобождая дозы с интервалом не менее 5 с. Регистрируют количество высвобожденных доз.
Допускается проводить испытание одновременно с определением однородности дозирования.
Метод 2. Упаковку взвешивают вместе с распылителем или насадкой с точностью до 0,01 г (m 2). Нажимая на распылитель или насадку, из упаковки выпускают все содержимое и снова взвешивают упаковку вместе с распылителем или насадкой с точностью до 0,01 г (m 5).
Среднее количество доз (n ср) в одной упаковке вычисляют по формуле:
где m ср – cредняя масса одной дозы, г.
Полученное в результате испытания количество доз должно быть не менее указанного на этикетке.
Размер частиц
Испытание проводят для неингаляционных аэрозолей и спреев, содержащих суспензию действующих веществ. Методики определения и требования к размеру частиц должны быть указаны в фармакопейной статье или нормативной документации.
Респирабельная фракция
Испытание проводят для ингаляционных аэрозолей в соответствии с .
Однородность дозирования
Испытание проводят для дозированных аэрозолей и спреев, содержащих эмульсии или суспензии. Испытание для ингаляционных аэрозолей проводят в соответствии с .
Контроль данного показателя должен проводиться не только для доз, высвобождаемых из одной упаковки, но и для доз, полученных из разных упаковок. Процедура отбора доз должна включать в себя отбор доз в начале, в середине и в конце использования препарата.
Испытание проводят с использованием аппарата или установки, способных к количественному удерживанию дозы, выпущенной из распылительного устройства. Встряхивают упаковку в течение 5 с, высвобождают и отбрасывают одну дозу. Спустя не менее 5 с снова встряхивают упаковку в течение 5 с, высвобождают и отбрасывают одну дозу. Повторяют указанную процедуру еще 3 раза, если иначе не указано в фармакопейной статье или нормативной документации. Через 5 с выпускают одну дозу в приемник аппарата. Содержимое приемника собирают путем последовательных промываний и определяют содержание действующего вещества в объединенных промывных водах.
Испытание повторяют еще для 9 доз, указанных в фармакопейной статье или нормативной документации.
Препарат выдерживает испытание, если 9 из 10 результатов находятся в пределах от 75 до 125 % от среднего значения, а все результаты находятся в пределах от 65 до 135 %. Если 2 или 3 результата выпадают из пределов 75 — 125 %, испытание повторяют с 20 другими дозами. Не более 3 из 30 значений могут выходить за пределы 75 – 125 %, и все значения должны быть в пределах от 65 до 135 %.
Для аэрозолей и спреев, содержащих несколько действующих веществ, тест на однородность дозирования должен быть выполнен для каждого вещества.
УПАКОВКА
В соответствии с требованиями .
МАРКИРОВКА
В соответствии с требованиями . В маркировке аэрозолей должны быть предусмотрены предупредительные надписи: «Хранить вдали от отопительной системы и прямых солнечных лучей», «Не вскрывать», «Предохранять от падений и ударов» и другие при необходимости.
ХРАНЕНИЕ
В соответствии с требованиями . В упаковке, обеспечивающей стабильность в течение указанного срока годности лекарственного препарата, в защищенном от света месте при температуре от 8 до 15°С, если нет других указаний в фармакопейной статье или нормативной документации.
