Общая характеристика гигроскопичности

1.Гигроскопичность – предварительное знакомство

Гигроскопичность – это свойство веществ поглощать влагу из воздуха при комнатной температуре. Влагу из воздуха поглощают разные виды веществ и технических продуктов: растворимые и нерастворимые неорганические соли, органические вещества, кристаллогидраты, окислы, технические сорбенты, полимеры, нанопорошки, ткани, продукты растительного и животного происхождения и др. При этом происходящие гигроскопические процессы могут быть разными: адсорбция, абсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация или сочетание нескольких процессов. Поэтому внешние проявления гигроскопичности тоже могут быть разные: как отсутствие таких проявлений (только увеличение веса), так и набухание материала, увлажнение вещества вплоть до образования раствора, разрушение кристалла, изменение цвета и др. Хемосорбция может начинаться с индукционного периода, когда никаких изменений не наблюдается, а после этого периода вещество резко преобразуется в другое вещество.  

Гигроскопические свойства вещества (продукта, материала) описываются его равновесной изотермой сорбции паров воды, которая представляет из себя зависимость равновесного влагосодержания вещества от относительной влажности воздуха при определенной температуре, или зависимость равновесной относительной влажности воздуха над влажным веществом от его влагосодержания. На этой зависимости важной точкой является гигроскопическая точка, это та относительная влажность воздуха, которая соответствует образцу с определенным влагосодержанием. Такой образец, находясь в атмосфере с такой относительной влажностью воздуха, будет находится в равновесии с ней: не будет ни увлажняться, ни подсыхать. Для твердых кристаллических чистых веществ, растворимых в воде, гигроскопическая точка не зависит от влагосодержания образца, поэтому является константой, основной характеристикой гигроскопичности. Однако, чтобы сказать будет ли гигроскопичен этот образец вещества при работе с ним, надо знать в какой окружающей атмосфере этот образец находится (будет находится). А для этого надо знать относительную влажность окружающего воздуха в помещении (складе), в атмосфере определенного региона, в определённый сезон года.

Скорость гигроскопического процесса (Q ) (как любого массообменного процесса) в самом упрощенном виде можно представить формулой:

Q = K(φ – h)

где К – коэффициент скорости поглощения влаги в конкретном приборе,

φ – относительная влажность окружающего воздуха,

h –  гигроскопическая точка вещества.

(φ – h) – это движущая сила процесса, если φ > h, то происходит увлажнение образца, если φ < h, то образец подсыхает. Если гигроскопический процесс проходит в стационарных условиях, то движущая сила процесса снижается, так как значение гигроскопической точки приближается к значению относительной влажности окружающего воздуха. Скорость гигроскопического процесса зависит не только от величины его движущей силы, но и от коэффициента скорости сорбции/десорбции влаги. К - обобщенный коэффициент, зависящий от множества факторов: от свойств образца, которые определяют нахождение лимитирующей стации гигроскопического процесса, от коэффициента диффузии паров воды через образец или воздух (неподвижный или из потока, от давления насыщенных паров воды при данной температуре), от площади сечения диффузионного потока и его длины, которые связаны с характеристиками образца, помещения или исследовательской установки.

Однако то, что вещество поглотило какое-то количество паров воды это не всегда неприятность. Технические продукты всегда выходят из сушилки на упаковку при некоторой рабочей влажности (Wраб), которая должна быть меньше максимально допустимой влажности (Wмакс) по техническим условиям на продукт. Увлажнение за счет гигроскопичности продукта от Wраб до Wмакс не является процессом, вызывающим негативные проблемы с данным образцом (партией продукта). Однако дальнейшее увлажнение уже нежелательно, так как вызывает брак продукции.

 

2.Общая характеристика влажного воздуха

Рассмотрим некоторый объем (V) влажного воздуха, находящегося при температуре (Т), в этом объеме содержится масса (М) влажного воздуха, которая состоит из массы сухого воздуха (mв) и массы водяного пара (mп). Общее (барометрическое) давление (p) также представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха (pв) и водяного пара (pп).

Для количественной оценки «влажности» воздуха наиболее часто используют следующие характеристики:

Парциальное давление водяного пара (pп) [Па, мм рт. ст.]

Давление насыщенного водяного пара (ps) [Па, мм рт. ст.] – это давление водяного пара, находящегося в равновесии с жидкой водой при той же температуре. Это максимальное давление паров при этой температуре, повышение давления приводит к конденсации паров воды.

Относительная влажность воздуха (φ) [% о.в.в.] - это отношение парциального давления водяного пара (pп) к давлению насыщенного пара (ps) при данной температуре, выраженное в процентах. Относительная влажность воздуха характеризует степень насыщения воздуха парами воды, при 100 % о.в.в. насыщенность воздуха максимальна при данной температуре.

Активность воды (aw), определяется как отношение парциального давления водяного пара (pп) к давлению насыщенного пара (ps) при данной температуре. Для воздуха термин аналогичен относительной влажности воздуха, но перенесенный на вещества и продукты, он имеет более широкое значение, особенно для пищевых продуктов, так как определяет их гигроскопические свойства, активность микробиологических, ферментативных, плесневых процессов и др.  

Температура точки росы (инея) (Тр) [оС] - это температура, до которой надо охладить данный влажный воздух, чтобы достичь его насыщения, сохраняя массовое содержание влаги в процессе охлаждения. При температуре точки росы pп становится равным ps.

Абсолютная влажность воздуха [г/м3] - это масса паров воды (mп) в единице объема влажного воздуха.

Зависимости давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда от температуры, полученные теоретически на основании уравнения Клаузиуса - Клапейрона и сверенные с экспериментальными данными многих исследователей, рекомендованы для метеорологической практики Всемирной метеорологической организацией:  

ln psw = -6094,4692T-1 + 21,1249952 - 0,027245552 T + 0,000016853396T2 + 2,4575506 ln T

ln psi = -5504,4088T-1 - 3,5704628 - 0,017337458T + 0,0000065204209T2 + 6,1295027 ln T
где psw и psi - давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда соответственно (Па);

Т - температура ( К ).

Приведенные формулы справедливы для температур от 0 до 100°C (для psw) и от -0 до -100°C (для psi). В то же время ВМО рекомендует первую формулу и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50°C).

 

3.Справочные сведения, связанные с влажностью воздуха

Давление насыщенных паров воды в воздухе, абсолютная влажность, температура точки росы от температуры (при атмосферном давлении)

https://dpva.ru/Guide/GuidePhysics/Humidity/ClimateHumidity/

Относительная Влажность

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Температура воздуха [°C]

абсолютная влажность г/м3 (сверху)
точка росы [°C](снизу)

50°C

8,3

16,6

24,9

33,2

41,5

49,8

58,1

66,4

74,7

83

8

19

26

32

36

40

43

45

48

50

45°C

6,5

13,1

19,6

26,2

32,7

39,3

45,8

52,4

58,9

65,4

4

15

22

27

32

36

38

41

43

45

40°C

5,1

10,2

15,3

20,5

25,6

30,7

35,8

40,9

46

51,1

1

11

18

23

27

30

33

36

38

40

35°C

4

7,9

11,9

15,8

19,8

23,8

27,7

31,7

35,6

39,6

-2

8

14

18

21

25

28

31

33

35

30°C

3

6,1

9,1

12,1

15,2

18,2

21,3

24,3

27,3

30,4

-6

3

10

14

18

21

24

26

28

30

25°C

2,3

4,6

6,9

9,2

11,5

13,8

16,1

18,4

20,7

23

-8

0

5

10

13

16

19

21

23

25

20°C

1,7

3,5

5,2

6,9

8,7

10,4

12,1

13,8

15,6

17,3

-12

-4

1

5

9

12

14

16

18

20

15°C

1,3

2,6

3,9

5,1

6,4

7,7

9

10,3

11,5

12,8

-16

-7

-3

1

4

7

9

11

13

15

Пример:

  • При температуре воздуха + 45 °C и относительной влажности 60%, абсолютная влажность составляет 39.3 г/м3, а температура точки росы 36 °C

 

4.Относительная влажность воздуха в природе и помещениях

(в нормативных документах)

     Относительная влажность воздуха в природе России сильно колеблется от географической местности и времени года. Для зон умеренного климата можно принять колебания в диапазоне от 40 до 90 % отн.вл.в.

Климат СССР ГОСТ 16350-80; п.3.Характеристика климатических районов по относительной влажности воздуха

Оптимальная влажность воздуха в жилых помещениях находится в диапазоне 30 – 50 (допустимая от 15 до 60 - 65) % отн.вл.в. Рекомендации по обеспечению влажности воздуха в зданиях и помещениях, приведены ряде нормативных документов, например:

ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

МУК 4.3.2756-10 Методические указания по измерению и оценке микроклимата производственных помещений. 4.3. Методы контроля . Физичекие факторы

СанПиН 2.1.2.2645-10 Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях.

Как обеспечивать оптимальную влажность воздуха в квартире см. в интернете.

 

5.Слёживаемость растворимых веществ и антислёживающие гигроскопичные добавки

Гигроскопический процесс увлажнения растворимого вещества часто приводит к неприятностям, но процессы, связанные с десорбций влаги из влажного вещества (подсыхание), могут привести к еще большим неприятностям – к слёживаемости продукта. (Методику определения степени слёживаемости см.)

Слёживаемость — это свойство порошкообразных и гранулированных веществ, характеризующее их склонность к переходу в связанное, уплотненное состояние.

Гигроскопичность и слеживаемость растворимых веществ являются разными направлениями одного и того же массообменного процесса:

  • Гигроскопичность – это свойство твердого растворимого вещества, связанное с процессами переноса воды из газовой фазы (окружающей атмосферой) и жидкую фазу (раствор на гранулах, кристаллах), с одновременным растворением твердой фазы.
  • Слеживаемость – это свойство дисперсного вещества, связанное с процессом переноса воды из жидкой фазы (раствор на гранулах, кристаллах) в газовую фазу, при одновременном  выделении кристаллов из жидкой фазы.

Кратко основные причины слёживаемости приведены здесьЕсли влажный продукт после сушилки недостаточно охладился и поступил на склад, то на складе продукт будет продолжать охлаждаться, за счет охлаждения в местах контакта кристаллов из жидких менисков будет выделяться новая твердая фаза, скрепляя между собой соседние кристаллы, из-за этого продукт будет слёживаться. Слёживаемость определённого продукта имеет свою зависимость слёживаемости от влагосодержания, которая начинается с определенного (критического) влагосодержания продукта. Если на склад поступает продукт, соответствующий требованию ТУ по максимальному влагосодержанию, но с влагосодержанием выше критического, то он может подсушиваться и слёживаться. Однако, если такой продукт будет содержать гигроскопичную примесь (добавку), то продукт высыхать не будет и не будет слёживаться. В таких случаях гигроскопичная примесь (добавка) носит антислёживающий характер, так как не дает возможности продукту высохнуть.

Для оценки склонности технического продукта к слёживаемости (выявления причин слеживаемости) надо представить определенную исходную информацию и некоторые простейшие экспериментальные данные.