大氣顆粒物在多孔材料上的吸附特性分析

李子宜，劉應書，戴長友，楊 權，王占營

(1.北京科技大學機械工程學院，北京 100083;2.泰瑞科技股份有限公司，北京 100024)

目前，PM2.5已經成為世界各國研究的重點大氣顆粒物，其主要來源于燃燒、揚塵等過程，如煤炭的燃燒、機動車尾氣的排放、生活爐灶的燃燒、垃圾的焚燒、道路揚塵、建筑揚塵等［1］。同時，人為活動排入大氣中的二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發性有機物等氣態污染物經化學反應或物理過程也可形成粒徑較小的二次顆粒物，包括硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和光化學煙霧等［2］。

開發合理的PM2.5脫除技術是治理大氣、改善空氣質量的關鍵所在。目前國內外對于工業尾氣、工業粉塵以及燃油、燃煤尾氣產生的PM2.5源頭凈化方法研究較多，并成功進行了工業應用;但對于室內外大氣環境中存在的PM2.5凈化手段的研究較為匱乏，少量研究也僅停留在實驗室階段。在現有PM2.5脫除方法中，噴水除塵、過濾除塵、靜電除塵、旋風除塵等方式應用較為常見［3］，還有尚處研發或小規模應用階段的技術，包括超聲波凈化、施加電、磁場截留PM2.5、新型粉體顆粒床過濾凈化與利用蒸汽相變凈化等。當前處理PM2.5的技術思想均是將PM2.5視為固體顆粒，根據沖擊、擴散、篩除及靜電等傳統除塵技術，通過改進工藝強化其攔截能力。由于PM2.5顆粒粒徑過于微小，為提高凈化效率，不得不采取各種“凝并”措施增加顆粒粒徑，由此增大過濾阻力，導致較大的設備投資和能源消耗，且最終凈化效果并不理想。

吸附分離是利用多孔材料的高比表面積以及對特定物質的較強吸附力，對混合物中一種或幾種物質實現分離的一種技術。PM2.5的實質是一種細小的氣溶膠顆粒，其中一半以上是具有極性的等水溶性離子，理論上，只要多孔吸附材料的孔徑合適并具備一定極性，就能讓PM2.5深入到多孔吸附材料顆粒孔隙，并被捕捉在顆粒內部，達到吸附分離的效果，不僅可大幅度提高PM2.5的截留效率，亦可減少因PM2.5在濾料顆粒之間積聚而造成的床層堵塞。

本文基于吸附原理提出利用多孔吸附材料吸附凈化PM2.5的新方法，并對PM2.5的基本特性及主要吸附力進行了闡述分析，進行了實驗探索以驗證吸附分離的可行性，提出了吸附材料的性能指標，為選擇合適的吸附材料提供依據。

1 PM2.5的特性

1.1 PM2.5的形成及成分

PM2.5的形成分為兩個階段。在第一階段，一次顆粒形成，包括風揚塵土、火山灰、森林火災、植物花粉等;在第二階段，以一次顆粒為凝結核，SO2，NOx，VOCs，NH3等在其上進行化學反應從而形成二次顆粒，顆粒之間相互碰撞、凝并長大，會逐漸形成較大的二次顆粒。

PM2.5不是一種單一成分的污染物，其化學組分非常復雜，主要包括有機碳(OC)、元素碳(EC)等含碳組分等水溶性離子，以及金屬元素、礦物塵、生物氣溶膠等［4］，此外還存在少量地殼元素 Al、Si、Ca、Mg和 Zn并在冬季其質量濃度有明顯上升。總而言之，含碳組分和水溶性離子組分是PM2.5的主要成分，其質量濃度之和通常超過PM2.5 的 50%［5］。

1.2 PM2.5的帶電特性

前面說到，PM2.5顆粒上含有較多的帶正電和負電的離子，這兩種離子上均還有相應的正負電荷。由PM2.5上主要離子組分的質量濃度，可計算得到PM2.5中各陰陽離子的摩爾濃度，加和并轉換可計算得到單位質量(g)PM2.5顆粒上所含正、負電荷數分別為:

由正、負電荷數可計算得到單位質量(g)PM2.5顆粒所帶電量為:

顯然上式若為正值這代表PM2.5顆粒整體帶正電，負值則代表帶負電。從PM2.5離子成分含量的相關文獻中選取了較有代表性的三篇，按照上式分別可得到陰、陽離子單位質量濃度，如表1所示。可以看出，PM2.5顆粒中正電荷數目多于負電荷，整體帶正電，帶電量會隨著地區、季節的不同而不同。

表1 不同地區PM2.5帶電特性Table 1 The charge characters of PM2.5 in different areas

2 PM2.5在多孔材料上吸附力分析

2.1 吸附基礎

PM2.5顆粒物在多孔介質上的吸附屬氣－固作用，該吸附作用力僅限物理非接觸力，化學相關的力并未涉及，起主導作用的力為范德華力、靜電力與液橋力，重力對PM2.5的作用可忽略不計。為突出吸附作用，此處討論的顆粒均是在靜態下與表面發生作用，忽略因流體速度產生的慣性力、拖拽力等。

圖1 室內空氣顆粒物粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution in the indoor air

對于顆粒－表面吸附作用模型，為簡化計算，可忽略顆粒與固體表面上的粗糙度［9］。為選擇合適的顆粒粒徑，筆者對室內空氣中顆粒物粒徑分布進行了測量，如圖1所示，則不妨視PM2.5顆粒為直徑為0.5μm的球體。

2.2 范德華力

范德華力的本質是分子內電荷分布不均勻而產生的靜電吸引，該力是影響PM2.5顆粒在固體表面產生吸附作用的主要因素。但范德華力屬于近程力，作用范圍通常為幾十納米［10］。PM2.5顆粒與表面間的范德華力應有［9］:

式中R為顆粒物半徑;H為顆粒與表面的間距。A為顆粒與表面之間的Hamaker常數，其值可由Lifshitz理論得到的幾何平均法求得:

式中A11、A22分別為顆粒、固體表面的 Hamaker常數。表2列出了多孔材料吸附PM2.5顆粒常見物質的 Hamaker常數(室溫)［9，11－12］:

表2 多孔材料吸附PM2.5顆粒常見物質的Hamaker常數Table 2 Hamaker constant of common porous materials for potential adsorption of PM2.5

2.3 靜電力

前面分析可知PM2.5顆粒整體呈正電，因而靜電力對吸附作用有顯著貢獻。靜電力的遠程性可使表面對距離較遠的PM2.5顆粒起吸附作用;而范德華力則是短程內起主要吸附作用。顆粒－表面間靜電作用有兩種形式:

第一種是當顆粒與表面接觸時，電荷會發生轉移，轉移過程中存在微觀電流形成的接觸電勢差ΔU，其值最大可取0.5 V，該力可表示為［9］:

式中ε0為真空介電常數，8.85×10－12F/m。

第二種即傳統意義上因顆粒自身攜帶電荷而產生的庫倫吸引力，倘若固體表面不帶電，則帶電顆粒將會在固體內部對稱位置感應出等量反號電荷－Qp，稱為鏡像電荷，原顆粒與鏡像顆粒之間的靜電作用力，即為原顆粒與表面之間的靜電吸引力，可表示為［13］:

式中Qp為顆粒電量，取文獻［8］數據計算得到的單位質量顆粒帶電量，設氣象中PM2.5顆粒真密度為2.5×103kg/m3，則0.5μm直徑顆粒的帶電量Qp為:

此外，在顆粒與表面吸附過程中，隨時間會產生一定的電荷泄漏，通常來說，對于聚合物材料，電荷泄漏較少，上述兩種靜電作用均較明顯。

2.4 液橋力

液橋力又叫毛細管力或潤滑力。當PM2.5顆粒與表面相互靠近到一定程度時，二者間隙很小，空氣的水蒸氣會在間隙中凝結。

間隙中凝結的彎月液面因表面張力而對顆粒產生指向表面的力，即為液橋力。隨間隙的減小，壓力的梯度差增加［14］，繼而液橋力增加。液橋力可近似表示為［13］:

式中γ為水的表面張力，72×10－3N/m。空氣濕度越大，液橋力對吸附作用的貢獻越大，但同時會中和顆粒物及多孔吸附材料表面的電荷，使得靜電力減小。倘若多孔吸附材料疏水性較強且空氣干燥，則液橋力可忽略不計。

2.5 各吸附力總結對比

由上述幾種吸附力及相關參數的介紹，假設多孔介質及顆粒材質分別為二氧化硅(石英質)和碳(金剛石)，根據上述各力計算參數，可得范德華力、靜電力、液橋力隨顆粒半徑R和顆粒與表面間H變化的三維圖，如圖2所示。可見隨著顆粒的增大以及與表面間距的減小，三種吸附力均會增大且呈現相似的趨勢，其中范德華力尤為明顯，靜電力次之，液橋力相對更加穩定且具有加高的量級。

圖2 范德華力、靜電力、液橋力三維圖Fig.2 Three－dimensional diagrams for Van derWaals’force，electrostatic force and liquid bridge force

3 實驗探索

3.1 實驗裝置、目的及內容

圖3為多孔材料靜態吸附PM2.5實驗裝置。為了驗證PM2.5顆粒在多孔吸附材料上的吸附效果并探索其吸附性能，進行了PM2.5顆粒靜態吸附實驗，旨在探索不同多孔吸附材料對PM2.5顆粒的吸附性能以及空氣濕度、壓力對吸附性能的影響。實驗中通過空氣壓縮機將實際空氣抽入凈化系統，并通過氮氣配氣調整入口PM2.5顆粒濃度，在預處理塔(內含活性氧化鋁)中先進行脫水及大顆粒的脫除，再通入多孔材料吸附柱進行PM2.5顆粒的靜態吸附，保壓30min打開出口閥門，將塔內吸附后的氣體通入TSI3330粒徑譜儀，檢測不同粒徑段的吸附情況。

圖3 多孔材料凈化吸附PM2.5實驗裝置Fig.3 Schematic diagram of experiments for PM2.5 adsorption on porousmaterials

3.2 實驗結果分析

3.2.1 不同吸附劑對PM2.5顆粒的吸附性能

圖4為原室內空氣和分別經過大孔吸附樹脂、壓塊活性炭和硅膠顆粒三種多孔材料吸附后空氣的粒徑分布圖，可見PM2.5顆粒在不同材料上的靜態吸附凈化情況。

圖4 不同吸附劑對PM2.5顆粒的吸附性能Fig.4 Adsorptions of PM2.5 on different adsorbents

經過吸附劑之后，原室內空氣中1μm以上的顆粒物基本被全部吸附，而在1μm粒徑以下尤其是0.5μm以下的顆粒依舊未被完全吸附。大孔吸附樹脂的效果最好，與其微米級大孔徑分布較多密切相關，相比之下另外兩種材料并未有較多的大孔徑分布，因而對1μm以下粒徑顆粒物吸附效果較差。

3.2.2 空氣濕度對吸附的影響

圖5為在兩種不同的空氣相對濕度下，原空氣經壓塊活性炭吸附后的顆粒粒徑分布。可以看出濕度的提高對吸附的影響不大，略微增加吸附效率。

濕度的增大會使液橋力增大，同時水蒸氣會吸收顆粒上的電荷，導致靜電力減少，因此理論上存在一個最優濕度，使得兩種力對吸附的貢獻總和最大。

3.2.3 吸附壓力的影響

圖6為不同吸附壓力下，原空氣經壓塊活性炭吸附后PM2.5顆粒的粒徑分布。可見隨著壓力增加，吸附量增加，但增到一定程度時(0.25 MPa)，該效果變小。同時也可以看出，壓力的增大能使小粒徑(0.5μm以下)顆粒被有效吸附。

顯然隨著壓力增加，PM2.5與吸附材料碰撞接觸的概率增大，使得吸附量增加，但增到一定程度時，材料表面達到飽和，此后繼續增大對吸附量的提高并不顯著，因而存在一個最優壓力。

圖5 空氣濕度對吸附的影響Fig.5 Effect of air humidity on the adsorption

圖6 壓力對吸附的影響Fig.6 Effect of air pressure on the adsorption

4 結論

本文在分析了PM2.5顆粒的理化特性的基礎上，提出使用多孔材料吸附凈化空氣中PM2.5的方法，總結了各種物理吸附力，并進行相關實驗探索，總結如下:

1.根據本文所選的文獻調研與理論計算，PM2.5普遍帶正電，單位質量PM2.5的電荷量在50～300 C/g。

2.計算表明當顆粒粒徑處于1μm以下，主導力為范德華力、靜電力與液橋力。選取Hamaker常數較高的材料可增大范德華力的作用，如碳化硅、二氧化硅等;提高相對濕度會顯著增大液橋力，但同時降低靜電力。

3.PM2.5在多孔材料上的靜態吸附實驗表明，增大材料大孔孔徑分布、適當提高空氣濕度并增大吸附壓力，有利于0.5μm以下細小顆粒的吸附。

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