水汽相變預處理技術凈化空氣顆粒物的研究進展

林熙龍 姜坪

浙江理工大學建筑環境與能源應用工程系

0 引言

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

顆粒物預處理技術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，進而提高除塵裝置對顆粒物的捕集效率。顆粒物預處理技術主要有電聚并，化學團聚，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處理技術的機理及應用研究，介紹了水汽相變預處理技術凈化空氣顆粒物的研究進展，同時探討水汽相變預處理技術應用于室內空氣凈化的可行性。

1 水汽相變預處理技術的機理研究

水汽相變技術指的是通過營造飽和水汽場，使水汽與顆粒物結合進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顆粒物增大并脫除的主要機理。已經有研究表明，結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燃煤細顆粒長大并脫除[6]，因此這在工業上非常具有應用前景的除塵預處理措施。水汽相變預處理技術的機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。

經典異質成核理論是顆粒物凝結增長的理論基礎，又稱為非均相成核理論。Fletcher 首先提出了經典異質成核理論[7]，他認為水蒸汽會在顆粒表面的一個晶胚核化進而使粒徑逐步增大。與Fletcher 的研究不同，Smorodin 等提出了一種顆粒物核化模型，他認為水汽會在細顆粒物的表面的活化部位進行核化，顆粒的化學和物理性質決定了活化部位的位置和數量。核化過程中，水汽會在活化部位凝結直到形成晶胚。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來描述水與顆粒所形成的新相與初始相[9]，與經典異質核化理論不同，經典異質成核理論近似的假設了核化過程，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增大過程進行了可視化研究，確定了顆粒物的核化模型，他們認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]。這個發現進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增長速率公式，但結果并不精確[11]。隨后Kulmala等對連續介質中單液滴凝結增長速率公式進行了完善，并通過水，甲醇和正丁醇等實驗工質對該公式進行了驗證[12]。溫高森等通過研究硫酸銨顆粒在脫硫系統中的增長規律，建立了動力學模型，該模型描述了分散顆粒在凝結增長過程[13]。Chen 等在流動云室內對氧化硅和萘丸等細顆粒的成核特性進行了實驗研究，發現潤濕性較好、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]。還有學者探討了[16-19]煙氣細顆粒物在過飽和蒸汽區域的停留時間，煙氣細顆粒物濃度，過飽和蒸汽濃度等因素對顆粒物長大的影響，進一步擴充了顆粒物成核后的增大特性的研究。

2 水汽相變預處理技術的應用研究

水汽相變預處理技術能夠有效降低工業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用，也得到了許多學者的研究跟進。陳進城等將蒸氣相變與旋風除塵技術相結合，實驗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 的礦物燒結粉塵、電廠飛灰、粘土煅燒粉塵、二氧化硅粉末等四種細顆粒的相變脫除性能，研究結果表明，潤濕性較好、粒徑較大顆粒的相變脫除效率較高，質量脫除效率最高可達99%[20]。陳紹龍等在水泥立窯煙氣中噴入微細水霧，微細水霧在高溫煙氣中蒸發降溫后使煙氣達到飽和，煙氣中的灰塵在凝結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]。熊英瑩等開發了一種濕式相變毛細脫除技術，在構建了蒸汽過飽和環境后，利用高溫煙氣與毛細冷凝管接觸提高濕式除塵系統的顆粒物脫除效率[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]。劉靚等在工業鍋爐尾氣處理中應用了相變凝結技術，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，增強了高效除霧器對顆粒物的攔截脫除效果，結果表明，三種措施均可使脫硫凈化煙氣系統中細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原始溫度變化的適應性較強，細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]。當應用水汽相變預處理技術對工業煙氣進行處理時，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現，煙氣的溫降對顆粒物凝結增大有著較大的影響。當煙氣溫度降低時，水蒸氣會加速在顆粒物上凝結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點分散并懸浮在氣體介質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點，其大小為0.01～10 μm，分散介質為氣體。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 等人發現，自然界中的“濕沉降”，即降水到達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 等人發現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形成的[27]。2012 年，C.Hoose 等人進一步發現一小部分大氣氣溶膠群具有在不存在冰的情況下誘導冰形成的能力[28]，這會進一步加重霧霾的形成。這些研究都在一定程度上驗證了通過相變可以去除空氣中顆粒物的設想。

Ying Tang 等人設計了一種測試裝置來測試低溫方法在去除室內空氣中顆粒物質方面的作用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，并通過液氮來創造冷凝器中低溫環境，最后測試對比冷凝器進出口的顆粒物濃度來判斷顆粒物的凈化效果[29]。結果顯示在冷凝器溫度降低到-15 ℃時，PM10 的質量濃度降至國家標準水平以下。在溫度降低到-16.5 ℃時，PM2.5 的質量濃度降至國家標準水平以下。當顆粒物濃度越高時，顆粒物凈化效率顯著提高。經過分析，他們認為低溫下水蒸氣在顆粒物上的凝結增大是主要的凈化機理。在低溫下，水蒸氣以顆粒物為冰核逐漸在顆粒物上凝結，從而使得細顆粒物不斷增大，最后較粗的顆粒物與空氣分離并通過管內的重力或慣性沉降除去。這與水汽相變預處理技術的機理是一致的。但日常生活中常規制冷設備還無法滿足-16.5 ℃以下的溫度要求，這似乎成為了水汽相變預處理技術應用于室內空氣凈化的阻礙。

實際上，在Ying Tang 等人的實驗中，通過觀察他們的實驗結果可以發現這樣的現象：在冷凝器管道溫度在0 ℃以上時，顆粒物的濃度也有所下降。當冷凝器內管道溫度在0 ℃以上時，冷凝器進出口PM2.5 的質量濃度的見表1。

表1 不同溫度下進出口的PM2.5 質量濃度

當冷凝器內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。因為水蒸氣在顆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：當溫度降低到進口空氣露點溫度以下時，空氣中的水蒸氣會在顆粒物表面凝結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制冷設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處理技術應用到室內空氣凈化的可行性。例如，目前的普通空調系統的蒸發溫度為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注與空調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利用空調系統對空氣進行凈化來改善室內空氣品質，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一步的實驗探究。這些研究既能為水汽相變預處理技術凈化機理做進一步的補充，也能為水汽相變預處理技術應用于室內空氣凈化做好鋪墊。

當水汽相變預處理技術應用于室內空氣凈化時，還需要對應用過程中的溫度控制與應用條件進行探究，以推動室內空氣凈化技術的發展以及水汽相變預處理技術的應用擴展。在應用過程中，還可以嘗試將水汽相變預處理技術與其他成熟的凈化技術進行結合，來實現對顆粒物更好的凈化效果。

3 結語

1）水汽相變預處理技術的機理研究已經形成了顆粒物成核理論與顆粒物成核后增大特性理論。該技術在工業煙氣處理上的應用較為成熟，能有效提高工業煙氣處理過程中顆粒物的凈化效率，當運用水汽相變預處理技術對煙氣進行預處理時，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處理技術對煙氣顆粒物的凝結增長，當溫度梯度越大時，顆粒物凝結增大的速度越快。由于室內空氣凈化應用條件與工業煙氣處理的不同，現如今還沒有水汽相變預處理技術在室內空氣凈化方面的應用研究。

3）單純的低溫方法需要將顆粒物流經的管道溫度降低至-16.5 ℃以下才能使大部分顆粒物被除去，但當管道溫度降低至進口空氣露點溫度以下時，顆粒物的濃度有一定程度的下降。因此常規制冷設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行驗證。

4）將水汽相變預處理技術應用于室內空氣凈化，可以推動室內空氣凈化技術的發展以及水汽相變預處理技術應用的擴展。在應用過程中，還可以嘗試將水汽相變預處理技術與其他較成熟的凈化技術進行結合，以達到更好的凈化效果。