Non-Fickian diffusion in viscous aerosol particles.

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Date: Feb. 2022
From: Canadian Journal of Chemistry(Vol. 100, Issue 2)
Publisher: NRC Research Press
Document Type: Report
Length: 4,913 words
Lexile Measure: 1770L

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Abstract :

Slow condensed phase diffusion in organic aerosol particles can impede many chemical and physical processes associated with atmospheric aerosol (e.g., gas-particle equilibrium partitioning). The characteristic times associated with these high viscosity particles are typically modelled using a concentration-dependent diffusivity within a purely Fickian framework. In that model, the medium in which diffusion is taking place is treated as being inviscid as far as mass transport is concerned. In this report, we investigate the validity of assuming that the viscosity is equal to zero by using a transport model that includes viscous pressure gradients. It is found that the effect of viscosity is negligible for particles with radii that are larger than 100 nm, but below that radius, it can delay water uptake and loss by orders of magnitude for physically realistic viscosities. However, if the Stokes-Einstein relation is obeyed, then viscosity can be ignored, even for nanosized particles. In addition to numerical calculations, a dimensionless Deborah number is defined that indicates the significance of Fickian diffusion compared with the Theological response during water transport. Key words: diffusion, viscosity, aerosol. La diffusion lente de la phase condensée dans les particules d'aérosols organiques peut entraver de nombreux processus physiques et chimiques associés aux aérosols atmosphériques (par exemple, la partition gaz-particules à l'équilibre). Les temps caractéristiques associés à ces particules à haute viscosité sont habituellement calculés à l'aide d'un modèle de diffusivité dépendante de la concentration dans un contexte purement flckien. Dans ce modèle, le milieu dans lequel a lieu la diffusion est traité comme étant non visqueux du point de vue du transport de masse. Dans le présent rapport, nous examinons la validité de l'hypothèse selon laquelle la viscosité est égale à zéro en faisant appel à un modèle de transport qui inclut des gradients de pression décrivant une certaine viscosité. Nous avons observé que l'effet de la viscosité est négligeable dans le cas de particules dont le rayon est supérieur à 100 nm, mais à des rayons inférieurs, la viscosité peut retarder l'absorption et la perte d'eau de quelques ordres de grandeur à des viscosités physiquement réalistes. Cependant, si les conditions obéissent à la relation de Stokes-Einstein, la viscosité peut être ignorée même pour les particules nanométriques. En plus des calculs numériques, nous avons défini un nombre de Deborah sans dimension qui indique l'importance de la diffusion fickienne par rapport à la réponse rhéologique pendant le transport de l'eau. [Traduit par la Rédaction] Mots-clés : diffusion, viscosité, aerosol.

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Gale Document Number: GALE|A692877014