摘要：綜述了可吸入顆粒物的常規(guī)除塵技術(shù)和細(xì)顆粒凝并技術(shù)、聯(lián)合脫除技術(shù)、電聯(lián)合處理技術(shù)等新的控制技術(shù)。通過對可吸入顆粒物控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析，指出常規(guī)除塵技術(shù)和這些新的控制技術(shù)的應(yīng)用局限性，在綜合分析有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出利用紡織品濾料纖維改形（改性）后得到高效低阻的異型纖維材料來脫除可吸入顆粒物的新思路。

可吸入顆粒物指懸浮在空氣中，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑 ≤10μm的顆粒物(PM2.5)?？晌腩w粒物污染已成為大氣環(huán)境污染的突出問題，并日益引起人們高度重視。可吸入顆粒受到的主要作用一般是氣體擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散，由于它質(zhì)量微小且對氣流跟隨性極好，故在常規(guī)除塵設(shè)備中，幾乎總是跟隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，難于從氣流中分離出來。此外由于可吸入顆粒粒徑小、比表面積大，因而其吸附性很強(qiáng)，容易成為空氣中各種有毒物質(zhì)的載體，特別是容易吸附多環(huán)芳烴、多環(huán)苯類和重金屬及微量元素等，是多種污染物(如重金屬、酸性氧化物、有害有機(jī)物等)的載體和催化劑，有時(shí)能成為多種污染物的集合體 [1,2]。

因此，研究可吸入顆粒物的控制技術(shù)具有重要的意義。目前顆粒污染物控制技術(shù)的重點(diǎn)是如何提高細(xì)微顆粒物的分級(jí)效率，解決問題的思路有二：一是促使小顆粒變大顆粒；二是創(chuàng)造條件提高小顆粒的動(dòng)力學(xué)捕集作用。小顆粒變大顆?？梢酝ㄟ^凝并也可以通過凝結(jié)作用，且在國外蒸汽凝結(jié)在冶金行業(yè)已有成功應(yīng)用的案例。本文旨在對脫除可吸入顆粒物的控制技術(shù)做一定的歸納總結(jié)，以方便相關(guān)領(lǐng)域的科研工作。

1  控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)與趨勢

1.1  常規(guī)除塵技術(shù)

目前工業(yè)上應(yīng)用的除塵方法有干法和濕法兩大類，傳統(tǒng)的濕式除塵設(shè)備主要有水膜、泡沫、沖激、水浴等除塵器。濕法除塵存在物料難以回收、易造成污染轉(zhuǎn)移以及高溫環(huán)境下會(huì)造成能量浪費(fèi)等缺點(diǎn)；干法除塵設(shè)備主要有旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器、電除塵器和顆粒層除塵器等。電除塵器對顆粒的比電阻要求嚴(yán)格；旋風(fēng)除塵器處理粗粉塵顆粒效果較好，而對于微米級(jí)和亞微米級(jí)粒子其分離能力很低；多孔陶瓷高溫除塵過濾器的除塵效率高,可達(dá)99 %以上,能除去粒徑5μm以上的塵粒，但清灰比較困難；而移動(dòng)顆粒層過濾除塵技術(shù)被認(rèn)為是繼陶瓷過濾器之后最具發(fā)展前途的高溫除塵技術(shù)之一，但在高溫下運(yùn)行時(shí),床層容易堵塞[3]。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)的控制技術(shù)在脫除超細(xì)顆粒物時(shí)的不足，細(xì)顆粒凝并技術(shù)、聯(lián)合脫除技術(shù)、電催化氧化聯(lián)合處理技術(shù)等新控制技術(shù)將成為未來發(fā)展的趨勢,本文對這些技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

1.2  新控制技術(shù)

1.2.1  細(xì)顆粒凝并技術(shù)

從控制角度來看，清除可吸入顆粒可以通過內(nèi)場力或外場力作用來使其發(fā)生凝并或團(tuán)聚,其結(jié)果是使粒子的數(shù)目減少、粒子的有效直徑增大,它易于被常規(guī)的分離設(shè)備分離，從而提高整體的清除效率。超細(xì)顆粒物凝并技術(shù)主要有聲波凝并、電凝并、熱凝并、化學(xué)凝并、磁凝并、光凝并和湍流邊界層凝并等[3-7]。

聲波凝并通過外加聲波的作用使細(xì)顆粒發(fā)生碰撞團(tuán)聚長大，團(tuán)聚后產(chǎn)生的細(xì)顆粒團(tuán)聚物的平均粒徑大,從而通過常規(guī)的除塵設(shè)備將其清除，達(dá)到控制細(xì)顆粒排放的目的。通過聲波團(tuán)聚的方法控制超細(xì)顆粒物有較好的可行性和實(shí)際效果。但由于聲波凝并問題本身的復(fù)雜性和超細(xì)顆粒物測試手段的局限性，目前還沒有形成一個(gè)完整的體系，使得聲波團(tuán)聚超細(xì)顆粒物技術(shù)仍然處在實(shí)驗(yàn)探索和理論研究階段。同時(shí)姚剛[6]指出，由于產(chǎn)生幾十甚至幾百千赫的聲波，可能消耗大量能源，且產(chǎn)生很大的噪音等負(fù)面效果。

化學(xué)凝并是使用固體吸附劑捕獲超細(xì)顆粒物的除塵方法，主要是通過物理吸附和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)的。溫紹國等[8]通過實(shí)驗(yàn)表明，凝聚劑存在下的凝聚是小粒徑膠粒先凝并成較大的膠粒, 同時(shí)大粒徑的膠粒凝并成更大的膠粒。張軍營等[9]指出，在爐膛中加入固態(tài)吸附劑，可以使細(xì)小顆粒團(tuán)聚形成較大顆粒，同時(shí)也可以抑制成核，吸收痕量金屬元素，目前化學(xué)凝并主要采用硅土、礬土、石灰石等作為吸附劑，但在脫除0~5μm的可吸入顆粒物的同時(shí)也產(chǎn)生了其他的重金屬顆粒污染物。

熱凝并是指超細(xì)顆粒物在沒有外力、溫度較高的環(huán)境下產(chǎn)生明顯的成核和凝并的現(xiàn)象。按經(jīng)典的熱團(tuán)聚方程計(jì)算,團(tuán)聚所用的時(shí)間約要9 h以上。由于熱團(tuán)聚過程緩慢, 因而難以在工業(yè)中得到應(yīng)用。

電凝并[10]是通過增強(qiáng)微細(xì)顆粒的荷電能力，促進(jìn)微細(xì)顆粒以電泳方式到達(dá)飛灰顆粒的表面，從而增強(qiáng)顆粒間的凝并效應(yīng)。GAUNT等[11]指出，荷電水霧來捕集濕度較大的微細(xì)粉塵是一種較好的方法。荷電水霧振弦除塵技術(shù)是將液滴荷電技術(shù)與振弦除塵技術(shù)相結(jié)合，以求得對微細(xì)粉塵的高效捕集，而且能耗低、結(jié)構(gòu)簡單，是一種新型高效除塵技術(shù)[12]。用電凝并除塵器收集亞微米級(jí)粉塵的研究在理論和實(shí)驗(yàn)方面都取得了突破性進(jìn)展[13]。雖然采用電團(tuán)聚技術(shù)能夠使電除塵器除去超細(xì)顆粒物的效率大為提高。但除塵極板捕捉的顆粒累計(jì)一定數(shù)量后, 效率大大降低, 從而限制了電凝并技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

磁凝并技術(shù)利用磁力脫除磁性顆粒物，而對無明顯磁性的顆粒物，則通過磁化或者添加磁性顆粒物，利用磁性與非磁性顆粒物在磁場中運(yùn)動(dòng)的明顯差異，增大顆粒物的碰撞與結(jié)合的幾率，以便得到尺寸更大的顆粒團(tuán)，從而便于進(jìn)一步脫除超細(xì)顆粒物[14]。譚言毅等[15]運(yùn)用單絲模型分析了高梯度磁分離器的粒子捕集機(jī)理。LUA等[16]在基于單絲模型的磁力除塵技術(shù)相關(guān)研究中，單絲模型沒有考慮絲與絲之間的作用以及吸附在絲上粒子之間的作用，藍(lán)惠霞[17]認(rèn)為，在單絲模型中順磁性材料的磁化系數(shù)為常數(shù)。磁力除塵技術(shù)不能大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的主要原因是對弱磁性顆粒的收集及收集表面的清除還存在問題。

湍流凝并是指超細(xì)顆粒物在湍流射流中有明顯的成核和凝聚現(xiàn)象，而且成核和凝聚的顆粒將進(jìn)一步長大。邊界層凝并是由于橫向速度實(shí)用梯度引起的碰撞而導(dǎo)致的梯度凝并。在湍流流動(dòng)中，同時(shí)存在熱凝并、梯度凝并和湍流凝并，并且隨著超細(xì)顆粒物直徑的增大，此三種凝并作用依次增強(qiáng)。湍流脈動(dòng)速度會(huì)促使顆粒碰撞并發(fā)生凝并，在湍流流動(dòng)的邊界層內(nèi)，對于顆粒直徑較小的微粒，由于橫向速度梯度引起的凝并效果也非常明顯。湍流團(tuán)聚和梯度團(tuán)聚在高溫下或雷諾數(shù)較大時(shí)效果才比較明顯，因此, 這類團(tuán)聚技術(shù)有一定的局限性。

光凝并是指應(yīng)用光輻射的原理促進(jìn)顆粒物凝并。光凝并一般遵循如下過程：入射電子束→等離子體膨脹→等離子體云膨脹→成核→冷凝膨脹長大→凝結(jié)+不規(guī)則片形狀→凝并→凝膠化。雖然通過改變激光傳播的折射角、光的強(qiáng)度等多種參數(shù)可以促使超細(xì)顆粒發(fā)生團(tuán)聚，但其成本相當(dāng)大,目前還不可能大規(guī)模利用。

1.2.2  聯(lián)合脫除技術(shù)

為了滿足新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求,有些電廠利用布袋除塵器對靜電除塵器進(jìn)行了改造，運(yùn)用聯(lián)合除塵技術(shù)的思想，研發(fā)了電袋復(fù)合式除塵器、靜電增強(qiáng)顆粒層除塵器等新型設(shè)備。靜電布袋復(fù)合式除塵器先利用靜電除塵器將粒徑在10 μm以上的粉塵除去,再利用布袋除塵器濾料自身固有以及附著在濾料表面的粉塵層的過濾特性,截留煙氣中具有一定顆粒度的粉塵。聯(lián)合除塵中靜電布袋復(fù)合式除塵器是對粗細(xì)粉塵皆有效捕集的除塵設(shè)備[18]。靜電增強(qiáng)顆粒層除塵器是將靜電與顆粒層除塵器兩者結(jié)合起來，其中粉塵和顆粒層都帶電的結(jié)合方式對顆粒脫除作用最明顯[5]。雖然聯(lián)合脫除技術(shù)效果較好，但存在清灰難題。

1.2.3  電催化氧化聯(lián)合處理技術(shù)

美國First-Energy公司和Powers-pan公司聯(lián)合研制的電催化氧化聯(lián)合處理過程（Eco Process）一種同時(shí)脫除NOx、SO2、細(xì)顆粒物和痕量元素的先進(jìn)技術(shù)。煙氣首先經(jīng)過傳統(tǒng)的干靜電除塵器,除去大部分顆粒物及少量其他污染物;接著進(jìn)入等離子體放電區(qū),在這里氣體污染物被氧化,如NOx 氧化為硝酸、SO2 氧化為硫酸、汞也變成了汞的氧化物;然后煙氣進(jìn)入濕靜電除塵器,細(xì)顆粒物、氣體污染物和N、S、Hg 等元素的氧化物被脫除[19]。ECO技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)多種污染物一體化去除，是煙氣污染治理的發(fā)展方向，但是它在使用過程中投資高，耗能較大。

2  改型異型纖維除塵技術(shù)

雖然上述各種控制技術(shù)對脫除可吸入顆粒物有較好的效果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，還存在一定的局限性，不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，必須尋找脫除細(xì)微顆粒的新方法。

與以上控制技術(shù)相比，袋式除塵器具有運(yùn)行穩(wěn)定、除塵效率高、不受煤質(zhì)和粉塵特性影響等特點(diǎn)。袋式除塵器的核心部分是濾袋。而濾袋的材質(zhì)始終是袋式除塵器耐高溫、防腐蝕發(fā)展的關(guān)鍵問題。常規(guī)濾料難以適應(yīng)高溫?zé)煔飧g性強(qiáng)的工況條件，為了解決這一難題，需要尋求一種耐高溫、抗酸堿腐蝕等良好性能的新型濾料以滿足工程需求。利用異型纖維來改善過濾效果這一做法在實(shí)際工程還沒有應(yīng)用，但國外學(xué)者對過濾纖維單元的形狀對過濾性能的影響也做了一些工作：HAIL等[20]提出纖維的形狀對過濾特性影響的必要性研究。BROWN[21]、FARDY等 [22]、WANG[23]、OUYANG等[24]、ADAMINK[25]和RAYNOR [26]都試圖研究纖維的形狀對過濾特性影響，指出異型纖維較經(jīng)典的圓柱纖維具有較高的過濾效果，但是沒有深入系統(tǒng)研究纖維的方向和錯(cuò)排纖維結(jié)構(gòu)之間的相互作用對過濾性能的影響。且很少涉及研究濾餅的形成對過濾性能的影響過程。

綜上所述，纖維受顆粒的作用以及在高溫濾料的過濾性能方面許多研究者已做了一定的研究，但脫除0～5μm的超細(xì)顆粒的難題并沒有從根本上得到較好的解決。為此，可以考慮利用異型纖維過濾材料來脫除這部分超細(xì)顆粒(PM2.5）：即首先從纖維的微觀結(jié)構(gòu)入手，對纖維的結(jié)構(gòu)改形，研究超細(xì)顆粒對纖維作用的力學(xué)表征，然后再對改形的異型纖維改性覆膜，進(jìn)一步分析其表面過濾和深層過濾的機(jī)理，對纖維的形狀和粗細(xì)進(jìn)行合理的組合，把表面過濾技術(shù)和深層過濾技術(shù)結(jié)合起來獲得更高效低阻的異型纖維過濾材料。從而為超細(xì)顆粒的脫除提供了一種新的思路。

3  結(jié)  語

（1） 當(dāng)前迫切需要解決的難題是脫除0~5μm的可吸入顆粒物和富集的重金屬、酸性氧化物及有害有機(jī)物。現(xiàn)有的濕法和干法除塵總體效果很好，但對于微米、亞微米甚至納米級(jí)可吸入顆粒物的脫除分離效率很低。凝并促進(jìn)技術(shù)、電催化氧化聯(lián)合處理技術(shù)、聯(lián)合除塵技術(shù)等新控制技術(shù)對超細(xì)可吸入顆粒物的脫除效果比較好，但各種新技術(shù)還存在一些缺點(diǎn)和不足。主要體現(xiàn)在：熱凝并的凝聚過程較為緩慢,在工業(yè)上很難得到應(yīng)用；聲凝并可以大大提高微粒的凝并速度,但能耗太高且噪聲很大；電凝并和光凝并對控制可吸入顆粒物是十分有效的,但一次性投資較高。聯(lián)合脫除技術(shù)效果較好，但存在清灰難題，電催化氧化聯(lián)合處理技術(shù)在使用過程中投資高，耗能較大。未來對顆粒的凝并分析時(shí),需要對以下因素進(jìn)行考慮：顆粒間彼此存在作用力情況下的凝并、顆粒的回彈和顆粒自身屬性的影響。

（2） 通過上述學(xué)者的研究方向可以看出，對細(xì)微米除塵和納米除塵規(guī)律的深入探討，是對捕集微細(xì)可吸入顆粒物必定的研究趨勢。雖然許多研究者對高溫條件下濾料的過濾性能已做了一定的研究，但在脫除高溫環(huán)境下的可吸入顆粒物方面還存在不足。從而提出了利用異型纖維及其織物結(jié)構(gòu)來解決高溫下超細(xì)顆粒的脫除的新思路：首先從纖維的微觀結(jié)構(gòu)入手，對纖維的結(jié)構(gòu)改形，研究超細(xì)顆粒對纖維作用的力學(xué)表征，然后再對改形的異型纖維改性覆膜，進(jìn)一步分析其表面過濾和深層過濾的機(jī)理，對纖維的形狀和粗細(xì)進(jìn)行合理的組合，把表面過濾技術(shù)和深層過濾技術(shù)結(jié)合起來獲得更高效低阻的異型纖維過濾材料。

參考文獻(xiàn)：（略） 

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