水汽凝結(jié)：從源頭控制PM2.5排放

大氣中的PM2.5與我們的日常生活息息相關(guān)，近來全國多個城市頻繁出現(xiàn)霧霾天氣，這不僅給人們的生活造成了諸多不便，還會對人體健康造成損害。為了還我們清新世界，讓我們每天都能呼吸到新鮮健康的空氣，控制大氣中PM2.5的含量勢在必行。

科學(xué)家們通常認為，從源頭控制PM2.5是最直接和最有效的方法。而燃煤電廠是PM2.5產(chǎn)生的主要源頭之一，盡管現(xiàn)代除塵器的效率可達到99.9%以上，但對PM2.5特別是其中0.1-1μm的細微顆粒的脫除效率很低。如何將細微顆粒變大成為了提高現(xiàn)有除塵設(shè)備脫除PM2.5效率的有效措施之一，對此，國內(nèi)外做了大量的研究，提出許多控制技術(shù)，如電凝并、聲團聚、化學(xué)團聚、水汽凝結(jié)等，不少新技術(shù)也在研發(fā)中，其中水汽凝結(jié)被認為是目前最有前途的技術(shù)之一。

我們知道，含濕的氣流遇冷時其所含的水汽會凝結(jié)產(chǎn)生液滴，液滴的尺寸可達幾μm到十幾μm，這種凝結(jié)稱為均相凝結(jié)。若能讓水汽凝結(jié)發(fā)生在細顆粒表面，不就可實現(xiàn)使細顆粒變大的目的了嗎？水汽凝結(jié)促進PM2.5控制技術(shù)正是基于此而提出的，這種水汽在顆粒表面的凝結(jié)被稱為非均相凝結(jié)。

早在1871年，W.Thompson Lord對均相凝結(jié)和非均相凝結(jié)進行了較為系統(tǒng)的研究，他發(fā)現(xiàn)水汽在細顆粒上可以凝結(jié)，且細顆粒越小，凝結(jié)所需的過飽和度越大。1976年，日本的T. Yoshida 等研究認為水汽相變是最有前途的脫除超細顆粒的預(yù)調(diào)節(jié)措施之一。隨后TSI公司將這一技術(shù)應(yīng)用在WCPC （water-based condensation particle counter）3785產(chǎn)品上，使細顆粒長大到光學(xué)測量范圍，從而實現(xiàn)對細顆粒的數(shù)目進行測量。而將該技術(shù)用于燃燒源PM2.5排放的控制則是近些年的事，其基本技術(shù)路線是在排放含有PM2.5的原始煙氣中注入水蒸氣，形成過飽和的水汽環(huán)境，在此環(huán)境中，水蒸氣會以細顆粒為核心包圍細顆粒并且凝結(jié)成水滴，然后繼續(xù)吸收水蒸氣，凝結(jié)成以細顆粒為內(nèi)核的大水滴，再通過傳統(tǒng)的脫除煙塵的設(shè)備比如布袋除塵器脫除這些大水滴，從而達到脫除工業(yè)生產(chǎn)尾氣中的PM2.5的目的。

國內(nèi)東南大學(xué)楊林軍教授帶領(lǐng)的團隊對相變脫除PM2.5與WFGD結(jié)合進行了系統(tǒng)的研究，他們的研究結(jié)果表明相變脫除PM2.5與濕法脫硫技術(shù)結(jié)合可以同時達到脫硫和促進PM2.5長大的效果。

那么水蒸氣在細顆粒表面是如何凝結(jié)成長為大水滴的呢？弄清這一問題對該技術(shù)的發(fā)展是至關(guān)重要的。目前有三種解釋：一種是Krastanov模型，這種理論認為水蒸氣均勻的凝結(jié)于顆粒的整個表面，圍繞顆粒表面形成一個球狀的水殼結(jié)構(gòu)（如圖1）;還有一種是圍繞Fletcher經(jīng)典異質(zhì)成核理論提出的，其推測水蒸氣是在顆粒表面的某一個區(qū)域開始凝結(jié)，形成一個小的液滴胚胎，然后胚胎再慢慢長大凝結(jié)成大水滴（如圖2）;而Smorodin模型則認為顆粒的表面存在一些活性部位（active site），水蒸氣只會在這些活性部位開始凝結(jié)，在這些區(qū)域凝結(jié)成一個個液滴胚胎，再圍繞這些胚胎開始凝結(jié)長大。此外，這些胚胎與胚胎之間也會相互聚合并長大（如圖3）。然而，這些過程是獨立發(fā)生的還是同時發(fā)生的，科學(xué)家們還沒有得出一致的結(jié)論。

科學(xué)家們已經(jīng)對水汽相變脫除PM2.5做了大量的實驗研究，并取得了一定的成果，然而對于促進水汽在PM2.5細顆粒上凝結(jié)長大的機理目前還沒有定論，細顆粒的長大過程由于顆粒太小，影響因素多，給機理的研究帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。如何大幅度地提高水汽相變，促進PM2.5脫除效率的問題仍然有待解決。可以預(yù)見的是，將來一定時期內(nèi)，通過研究人員深入研究，水汽凝結(jié)促進PM2.5脫除這一技術(shù)能應(yīng)用到工業(yè)實踐當(dāng)中。

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