當前，細顆粒物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)進入人體，沉積在肺部對人體健康造成嚴重危害，也是導致大氣能見度降低、光化學煙霧等環(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動車、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大的比重。因此，從源頭加大對燃煤電廠一次顆粒物排放的控制至關重要。

　　脫除PM2.5的預處理：讓顆粒“長大”

　　然而常規(guī)除塵技術對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顆粒物呢？事實上，常規(guī)除塵設備對10um以上的粗顆粒粉塵的脫除效率是非常高的。顯然，如果能讓細顆粒在進入常規(guī)除塵設備前變大一些，就能利用常規(guī)除塵設備實現(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，主要有化學團聚、聲團聚、磁團聚、電聚并、水汽凝結等，其中水汽凝結技術由于過程簡單，顆粒長大效果明顯，受到國內(nèi)外廣泛重視。

　　水汽凝結促進PM2.5“長大”：需要特定環(huán)境

　　水汽凝結促進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，水汽以細顆粒物為凝結核在其表面進行凝結，形成液滴胚胎，進而使得細顆粒物長大。在這個過程中，為克服新增胚胎液滴表面面積所需要的能量，水汽凝結促進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，這時白開水變成為飽和糖水。也就是說當環(huán)境中水蒸氣分子的個數(shù)大于該溫度下氣體所能容納的水蒸氣分子數(shù)，相對濕度大于100%時便成為過飽和狀態(tài)。為描述它，相關學者提出，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現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)利用蒸汽絕熱膨脹冷卻到一定程度達到過飽和狀態(tài)，過飽和蒸汽便以肉眼看不見的離子為核心凝結成小液滴，形成霧點，便可顯示出微粒運動的“足跡”，不過他的目的是為了研究帶電粒子的運動軌跡的。那么在水汽凝結促進PM2.5長大的過程中，我們該如何構建PM2.5生長所需要的過飽和氛圍呢？

　　構建過飽和環(huán)境的技術手段

　　科學家們對此做了大量的理論和實驗研究，目前廣泛應用于構建細顆粒物長大所需過飽和環(huán)境的技術手段有：

　　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，導致氣體中水蒸氣分子“溢出”形成過飽和，但對于廢氣量較大和相對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)量擴散速率比熱量擴散速率要快，如圖2所示，高溫水蒸氣分子快速向氣體擴散，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，水蒸氣分子對氣體的補充效果更為顯著，從而使得氣體達到過飽和，當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“脫離”氣體向外擴散，氣體中水蒸氣分子的個數(shù)在減少，但氣體也已遠遠不能容納相當?shù)乃魵夥肿訑?shù)，使得水蒸氣分子“溢出”而達到過飽和。

　　 

　　圖3

　　國外Hering和Fisenko兩個團隊對3、4兩種過飽和環(huán)境的構建方法做了一系列的研究，他們的研究結果表明過飽和環(huán)境的構建有效性對水汽凝結促進PM2.5長大起到至關重要的作用。

　　科學家們已經(jīng)對水汽相變促進細顆粒物的長大做了大量的實驗研究，并取得了一定的成果，然而氣液固多相流中過飽和環(huán)境的構建機制還不明確，尤其是顆粒在長大過程中對過飽和環(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，未來一段時間內(nèi)，隨著科學家的深入研究，水汽凝結促進細顆粒物長大能廣泛應用到工業(yè)實踐中。

除霧霾：水汽凝結促PM2.5“長大”

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