當(dāng)前，細(xì)顆粒物PM2.5污染已成為突出的大氣環(huán)境問題，特別是在我國。PM2.5不僅能通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，沉積在肺部對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害，也是導(dǎo)致大氣能見度降低、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的重要因素之一。近年來，灰霾已成為我國中東部乃至西部大多數(shù)城市經(jīng)常出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象。為了撥開灰霾，讓藍(lán)天白云重回我們的世界，控制大氣中PM2.5的排放迫在眉睫。
　　PM2.5在我國主要來源包括機(jī)動(dòng)車、燃煤、二次氣溶膠和工業(yè)源等，燃煤在已知來源中占有相當(dāng)大的比重。因此，從源頭加大對(duì)燃煤電廠一次顆粒物排放的控制至關(guān)重要。
　　脫除PM2.5的預(yù)處理：讓顆粒“長大”
　　然而常規(guī)除塵技術(shù)對(duì)PM2.5的捕集效率很低，數(shù)量上，占有飛灰數(shù)量90%以上的細(xì)顆粒因不能有效脫除而直接排入大氣。怎樣才能有效地脫除這些細(xì)顆粒物呢？事實(shí)上，常規(guī)除塵設(shè)備對(duì)10um以上的粗顆粒粉塵的脫除效率是非常高的。顯然，如果能讓細(xì)顆粒在進(jìn)入常規(guī)除塵設(shè)備前變大一些，就能利用常規(guī)除塵設(shè)備實(shí)現(xiàn)PM2.5的有效脫除。
　　基于這一思路，科研工作者提出了一系列讓顆粒變大的技術(shù)，主要有化學(xué)團(tuán)聚、聲團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、電聚并、水汽凝結(jié)等，其中水汽凝結(jié)技術(shù)由于過程簡單，顆粒長大效果明顯，受到國內(nèi)外廣泛重視。
　　水汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5“長大”：需要特定環(huán)境
　　水汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5變大的原理類似于我們?nèi)粘Ｉ钪性啤㈧F的形成。如圖1所示，水汽以細(xì)顆粒物為凝結(jié)核在其表面進(jìn)行凝結(jié)，形成液滴胚胎，進(jìn)而使得細(xì)顆粒物長大。在這個(gè)過程中，為克服新增胚胎液滴表面面積所需要的能量，水汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5長大需要特定的環(huán)境。那么該特定的生長環(huán)境是什么呢？


圖1

　　經(jīng)科學(xué)證明，該環(huán)境被稱為過飽和氛圍。何為過飽和氛圍？這類似于生活中向白開水中添加糖，并不斷攪拌，如果一直添加直到糖不能在溶解在水中，這時(shí)白開水變成為飽和糖水。也就是說當(dāng)環(huán)境中水蒸氣分子的個(gè)數(shù)大于該溫度下氣體所能容納的水蒸氣分子數(shù)，相對(duì)濕度大于100%時(shí)便成為過飽和狀態(tài)。為描述它，相關(guān)學(xué)者提出，過飽和度即：水蒸氣分壓與該溫度下飽和蒸汽分壓的比值。
　　早在1894年，威爾遜在研究云霧中的光學(xué)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)利用蒸汽絕熱膨脹冷卻到一定程度達(dá)到過飽和狀態(tài)，過飽和蒸汽便以肉眼看不見的離子為核心凝結(jié)成小液滴，形成霧點(diǎn)，便可顯示出微粒運(yùn)動(dòng)的“足跡”，不過他的目的是為了研究帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡的。那么在水汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5長大的過程中，我們?cè)撊绾螛?gòu)建PM2.5生長所需要的過飽和氛圍呢？
　　構(gòu)建過飽和環(huán)境的技術(shù)手段
　　科學(xué)家們對(duì)此做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，目前廣泛應(yīng)用于構(gòu)建細(xì)顆粒物長大所需過飽和環(huán)境的技術(shù)手段有：
　　1.直接注入蒸汽，氣體中的水蒸氣分子不斷增加，氣體的濕度也逐漸上升，從而使氣體達(dá)到過飽和，但是它的能耗極大，尤其在溫度較高和煙氣量很大時(shí)所需要的蒸汽添加量較大；
　　2.絕熱膨脹，氣體絕熱膨脹使得氣體溫度急劇下降，這使得氣體容納水蒸氣分子的能力急劇下降，導(dǎo)致氣體中水蒸氣分子“溢出”形成過飽和，但對(duì)于廢氣量較大和相對(duì)濕度較低的排放源適用性較差；
  3.含濕氣體與高溫液體接觸，水蒸氣在空氣中質(zhì)量擴(kuò)散速率比熱量擴(kuò)散速率要快，如圖2所示，高溫水蒸氣分子快速向氣體擴(kuò)散，而氣體溫度也升高這意味著氣體容納水蒸汽分子的能力也增長，兩者相比，水蒸氣分子對(duì)氣體的補(bǔ)充效果更為顯著，從而使得氣體達(dá)到過飽和，當(dāng)然高溫液體作為蒸汽的供給需要消耗一定的能量；


圖2

　　4.高溫高濕氣體與低溫液體相接觸，如圖3所示，氣體將熱量傳遞給低溫液體，氣體溫度下降使得氣體容納水蒸汽分子的能力顯著下降，雖然氣體中的水蒸氣分子同時(shí)“脫離”氣體向外擴(kuò)散，氣體中水蒸氣分子的個(gè)數(shù)在減少，但氣體也已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能容納相當(dāng)?shù)乃魵夥肿訑?shù)，使得水蒸氣分子“溢出”而達(dá)到過飽和。


圖3

　　國外Hering和Fisenko兩個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)3、4兩種過飽和環(huán)境的構(gòu)建方法做了一系列的研究，他們的研究結(jié)果表明過飽和環(huán)境的構(gòu)建有效性對(duì)水汽凝結(jié)促進(jìn)PM2.5長大起到至關(guān)重要的作用。
　　科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)水汽相變促進(jìn)細(xì)顆粒物的長大做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果，然而氣液固多相流中過飽和環(huán)境的構(gòu)建機(jī)制還不明確，尤其是顆粒在長大過程中對(duì)過飽和環(huán)境的影響研究尚不深入。如何獲得高效的過飽和氛圍仍然有待解決。可以相信，未來一段時(shí)間內(nèi)，隨著科學(xué)家的深入研究，水汽凝結(jié)促進(jìn)細(xì)顆粒物長大能廣泛應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中。

除霧霾：水汽凝結(jié)促PM2.5“長大”

圖文簡介

PM2.5在我國主要來源包括機(jī)動(dòng)車、燃煤、二次氣溶膠和工業(yè)源等。事實(shí)......