林熙龍 姜坪

浙江理工大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

0 引言

顆粒物凈化技術(shù)主要有過濾技術(shù)，靜電除塵技術(shù)及低溫等離子凈化技術(shù)[1]。過濾技術(shù)在室內(nèi)空氣凈化方面以高效空氣過濾器為代表，工業(yè)煙氣凈化方面以布袋除塵器和旋風(fēng)除塵器為主。靜電除塵技術(shù)主要應(yīng)用于室內(nèi)，以靜電除塵器為主[2]。低溫等離子凈化技術(shù)在工業(yè)煙氣處理和室內(nèi)空氣凈化方面也均有應(yīng)用。

顆粒物預(yù)處理技術(shù)作為一種顆粒物凈化輔助手段，它的目的是通過增大顆粒物的粒徑，讓除塵裝置更易于捕捉顆粒物，進(jìn)而提高除塵裝置對顆粒物的捕集效率。顆粒物預(yù)處理技術(shù)主要有電聚并，化學(xué)團(tuán)聚，聲聚并，湍流聚并和水汽相變等[3-5]。本文通過闡述水汽相變預(yù)處理技術(shù)的機(jī)理及應(yīng)用研究，介紹了水汽相變預(yù)處理技術(shù)凈化空氣顆粒物的研究進(jìn)展，同時探討水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化的可行性。

1 水汽相變預(yù)處理技術(shù)的機(jī)理研究

水汽相變技術(shù)指的是通過營造飽和水汽場，使水汽與顆粒物結(jié)合進(jìn)而讓顆粒物粒徑增大，最終提高除塵裝置的除塵效率。水汽和顆粒物結(jié)合方式分為均相成核和非均相成核兩種方式。形成均相成核所需要的飽和度遠(yuǎn)高于非均相成核，因此一般條件下，非均相成核是水汽相變促進(jìn)顆粒物增大并脫除的主要機(jī)理。已經(jīng)有研究表明，結(jié)合燃煤鍋爐排放的高濕高熱煙氣條件，水汽相變能有效促進(jìn)燃煤細(xì)顆粒長大并脫除[6]，因此這在工業(yè)上非常具有應(yīng)用前景的除塵預(yù)處理措施。水汽相變預(yù)處理技術(shù)的機(jī)理研究大致可分為兩個部分：顆粒物成核理論的研究和顆粒物成核后增大特性的研究。

經(jīng)典異質(zhì)成核理論是顆粒物凝結(jié)增長的理論基礎(chǔ)，又稱為非均相成核理論。Fletcher 首先提出了經(jīng)典異質(zhì)成核理論[7]，他認(rèn)為水蒸汽會在顆粒表面的一個晶胚核化進(jìn)而使粒徑逐步增大。與Fletcher 的研究不同，Smorodin 等提出了一種顆粒物核化模型，他認(rèn)為水汽會在細(xì)顆粒物的表面的活化部位進(jìn)行核化，顆粒的化學(xué)和物理性質(zhì)決定了活化部位的位置和數(shù)量。核化過程中，水汽會在活化部位凝結(jié)直到形成晶胚。由于顆粒物尺寸的不同，水汽在顆粒表面的核化速度還會受到顆粒尺寸的影響，當(dāng)顆粒物尺寸越大時，核化速度會越快[8]。Talanquer 和Oxtoby 提出用密度泛函理論來精確研究核化，該理論指出，可以用一個密度函數(shù)來描述水與顆粒所形成的新相與初始相[9]，與經(jīng)典異質(zhì)核化理論不同，經(jīng)典異質(zhì)成核理論近似的假設(shè)了核化過程，而密度泛函理論相對來說更加精確。2015年，徐俊超等在過飽和水汽條件下對顆粒物的核化凝結(jié)增大過程進(jìn)行了可視化研究，確定了顆粒物的核化模型，他們認(rèn)為在顆粒物表面光滑的條件下，晶胚會在單個顆粒物表面隨機(jī)形成、在多個顆粒物的連接處形成。此外，顆粒物的核化還受到顆粒物空間分布的影響[10]。這個發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步完善了顆粒物成核理論。除了顆粒物成核理論，有許多學(xué)者還將精力放在了顆粒物成核后增大特性的研究。Wanger 等求得了單液滴凝結(jié)增長速率公式，但結(jié)果并不精確[11]。隨后Kulmala等對連續(xù)介質(zhì)中單液滴凝結(jié)增長速率公式進(jìn)行了完善，并通過水，甲醇和正丁醇等實(shí)驗(yàn)工質(zhì)對該公式進(jìn)行了驗(yàn)證[12]。溫高森等通過研究硫酸銨顆粒在脫硫系統(tǒng)中的增長規(guī)律，建立了動力學(xué)模型，該模型描述了分散顆粒在凝結(jié)增長過程[13]。Chen 等在流動云室內(nèi)對氧化硅和萘丸等細(xì)顆粒的成核特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)潤濕性較好、粒徑較大的微粒脫除效率較高[14]。1993 年，Williams 提出了在超高水汽飽和度下的液滴增長模型并簡化了顆粒物粒徑增大速率的式子[15]。還有學(xué)者探討了[16-19]煙氣細(xì)顆粒物在過飽和蒸汽區(qū)域的停留時間，煙氣細(xì)顆粒物濃度，過飽和蒸汽濃度等因素對顆粒物長大的影響，進(jìn)一步擴(kuò)充了顆粒物成核后的增大特性的研究。

2 水汽相變預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用研究

水汽相變預(yù)處理技術(shù)能夠有效降低工業(yè)煙氣中的顆粒物濃度，因此在處理煙氣方面也得到了較為廣泛的應(yīng)用，也得到了許多學(xué)者的研究跟進(jìn)。陳進(jìn)城等將蒸氣相變與旋風(fēng)除塵技術(shù)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)研究了平均粒徑分別為0.85～3.5 μm、1～2 μm、0.2～0.4 μm、0.1～0.3 μm 的礦物燒結(jié)粉塵、電廠飛灰、粘土煅燒粉塵、二氧化硅粉末等四種細(xì)顆粒的相變脫除性能，研究結(jié)果表明，潤濕性較好、粒徑較大顆粒的相變脫除效率較高，質(zhì)量脫除效率最高可達(dá)99%[20]。陳紹龍等在水泥立窯煙氣中噴入微細(xì)水霧，微細(xì)水霧在高溫?zé)煔庵姓舭l(fā)降溫后使煙氣達(dá)到飽和，煙氣中的灰塵在凝結(jié)增大后更容易被除塵裝置捕獲，因此最終提高了除塵效率[21]。熊英瑩等開發(fā)了一種濕式相變毛細(xì)脫除技術(shù)，在構(gòu)建了蒸汽過飽和環(huán)境后，利用高溫?zé)煔馀c毛細(xì)冷凝管接觸提高濕式除塵系統(tǒng)的顆粒物脫除效率[22]。王東歌等將濕式相變凝聚器放置在濕式電除塵器的前端后使顆粒物的脫除效率提高了50%[23]。劉靚等在工業(yè)鍋爐尾氣處理中應(yīng)用了相變凝結(jié)技術(shù)，減少了尾氣中43%的PM2.5 排放量[24]。楊希剛等分別通過在脫硫凈化煙氣系統(tǒng)中采取加裝氟塑料換熱器降溫、添加蒸汽、添加冷空氣三種措施，增強(qiáng)了高效除霧器對顆粒物的攔截脫除效果，結(jié)果表明，三種措施均可使脫硫凈化煙氣系統(tǒng)中細(xì)顆粒物排放濃度降低35%以上，加裝氟塑料換熱器降溫措施對脫硫凈化煙氣系統(tǒng)原始溫度變化的適應(yīng)性較強(qiáng)，細(xì)顆粒物脫除效率基本不隨脫硫凈煙氣原始溫度的變化而改變。添加蒸汽方式不適于脫硫凈煙氣溫度較高的場合，且耗能較大。添加冷空氣方式在脫硫凈煙氣溫度較高時效果顯著，但所需冷空氣的溫度較低，存在來源困難等問題[25]。當(dāng)應(yīng)用水汽相變預(yù)處理技術(shù)對工業(yè)煙氣進(jìn)行處理時，煙氣顆粒物的凈化效率平均可提高35%～50%。在上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，煙氣的溫降對顆粒物凝結(jié)增大有著較大的影響。當(dāng)煙氣溫度降低時，水蒸氣會加速在顆粒物上凝結(jié)使顆粒物粒徑加速增大，并最后提高了除塵裝置對顆粒物的脫除效率。當(dāng)溫度梯度越高時，效果越明顯。

氣溶膠指的是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系，又稱氣體分散體系。其分散相為固體或液體小質(zhì)點(diǎn)，其大小為0.01～10 μm，分散介質(zhì)為氣體。顆粒物作為霧霾的重要組成部分，也是氣溶膠的一個類別。2005 年，Poschl 等人發(fā)現(xiàn)，自然界中的“濕沉降”，即降水到達(dá)地球表面的這個過程中，能使氣溶膠粒子從大氣中除去，這也是除去大氣中氣溶膠粒子的主要途徑[26]。2008 年，M.B.Baker 等人發(fā)現(xiàn)大氣中的降水是由云粒子碰撞形成的，而云粒子是由氣溶膠粒子上的水蒸氣凝結(jié)形成的[27]。2012 年，C.Hoose 等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一小部分大氣氣溶膠群具有在不存在冰的情況下誘導(dǎo)冰形成的能力[28]，這會進(jìn)一步加重霧霾的形成。這些研究都在一定程度上驗(yàn)證了通過相變可以去除空氣中顆粒物的設(shè)想。

Ying Tang 等人設(shè)計了一種測試裝置來測試低溫方法在去除室內(nèi)空氣中顆粒物質(zhì)方面的作用https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-scie nces/particulate-matter。他們將污染空氣通入一個可控溫的冷凝器，并通過液氮來創(chuàng)造冷凝器中低溫環(huán)境，最后測試對比冷凝器進(jìn)出口的顆粒物濃度來判斷顆粒物的凈化效果[29]。結(jié)果顯示在冷凝器溫度降低到-15 ℃時，PM10 的質(zhì)量濃度降至國家標(biāo)準(zhǔn)水平以下。在溫度降低到-16.5 ℃時，PM2.5 的質(zhì)量濃度降至國家標(biāo)準(zhǔn)水平以下。當(dāng)顆粒物濃度越高時，顆粒物凈化效率顯著提高。經(jīng)過分析，他們認(rèn)為低溫下水蒸氣在顆粒物上的凝結(jié)增大是主要的凈化機(jī)理。在低溫下，水蒸氣以顆粒物為冰核逐漸在顆粒物上凝結(jié)，從而使得細(xì)顆粒物不斷增大，最后較粗的顆粒物與空氣分離并通過管內(nèi)的重力或慣性沉降除去。這與水汽相變預(yù)處理技術(shù)的機(jī)理是一致的。但日常生活中常規(guī)制冷設(shè)備還無法滿足-16.5 ℃以下的溫度要求，這似乎成為了水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化的阻礙。

實(shí)際上，在Ying Tang 等人的實(shí)驗(yàn)中，通過觀察他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：在冷凝器管道溫度在0 ℃以上時，顆粒物的濃度也有所下降。當(dāng)冷凝器內(nèi)管道溫度在0 ℃以上時，冷凝器進(jìn)出口PM2.5 的質(zhì)量濃度的見表1。

表1 不同溫度下進(jìn)出口的PM2.5 質(zhì)量濃度

當(dāng)冷凝器內(nèi)的管道溫度從常溫降到0 ℃時，空氣存在著降溫和除濕兩個過程。因?yàn)樗魵庠陬w粒物上的冷凝增大是使顆粒物濃度降低的主要原因，所以可以推論：當(dāng)溫度降低到進(jìn)口空氣露點(diǎn)溫度以下時，空氣中的水蒸氣會在顆粒物表面凝結(jié)從而增大顆粒物的粒徑，使顆粒物濃度降低，那么日常生活中常規(guī)制冷設(shè)備可能對顆粒物具有一定的凈化能力。此外，與煙氣處理不同，Ying Tang 等人在應(yīng)用該低溫方法凈化顆粒物時沒有額外營造飽和水氣場。這大大提高了將水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用到室內(nèi)空氣凈化的可行性。例如，目前的普通空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度為7～12 ℃，這個溫度對可吸入顆粒物與部分空氣中的顆粒物有一定的凈化效果，但日常生活中人們更加關(guān)注與空調(diào)的制冷與制熱效果而忽略了降溫對空氣的凈化作用。因此在未來研究中可以嘗試?yán)每照{(diào)系統(tǒng)對空氣進(jìn)行凈化來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，但具體的凈化效果以及影響凈化效果的各類因素還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。這些研究既能為水汽相變預(yù)處理技術(shù)凈化機(jī)理做進(jìn)一步的補(bǔ)充，也能為水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化做好鋪墊。

當(dāng)水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化時，還需要對應(yīng)用過程中的溫度控制與應(yīng)用條件進(jìn)行探究，以推動室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的發(fā)展以及水汽相變預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展。在應(yīng)用過程中，還可以嘗試將水汽相變預(yù)處理技術(shù)與其他成熟的凈化技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)對顆粒物更好的凈化效果。

3 結(jié)語

1）水汽相變預(yù)處理技術(shù)的機(jī)理研究已經(jīng)形成了顆粒物成核理論與顆粒物成核后增大特性理論。該技術(shù)在工業(yè)煙氣處理上的應(yīng)用較為成熟，能有效提高工業(yè)煙氣處理過程中顆粒物的凈化效率，當(dāng)運(yùn)用水汽相變預(yù)處理技術(shù)對煙氣進(jìn)行預(yù)處理時，煙氣顆粒物的凈化效率平均可提高35%～50%。

2）煙氣的溫降能影響水汽相變預(yù)處理技術(shù)對煙氣顆粒物的凝結(jié)增長，當(dāng)溫度梯度越大時，顆粒物凝結(jié)增大的速度越快。由于室內(nèi)空氣凈化應(yīng)用條件與工業(yè)煙氣處理的不同，現(xiàn)如今還沒有水汽相變預(yù)處理技術(shù)在室內(nèi)空氣凈化方面的應(yīng)用研究。

3）單純的低溫方法需要將顆粒物流經(jīng)的管道溫度降低至-16.5 ℃以下才能使大部分顆粒物被除去，但當(dāng)管道溫度降低至進(jìn)口空氣露點(diǎn)溫度以下時，顆粒物的濃度有一定程度的下降。因此常規(guī)制冷設(shè)備可能對顆粒物有一定的凈化效果，但仍然需要更多的研究來進(jìn)行驗(yàn)證。

4）將水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化，可以推動室內(nèi)空氣凈化技術(shù)的發(fā)展以及水汽相變預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展。在應(yīng)用過程中，還可以嘗試將水汽相變預(yù)處理技術(shù)與其他較成熟的凈化技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，以達(dá)到更好的凈化效果。