水汽相变预处理技术净化空气颗粒物的研究进展

林熙龙 姜坪

浙江理工大学建筑环境与能源应用工程系

0 引言

颗粒物净化技术主要有过滤技术，静电除尘技术及低温等离子净化技术[1]。过滤技术在室内空气净化方面以高效空气过滤器为代表，工业烟气净化方面以布袋除尘器和旋风除尘器为主。静电除尘技术主要应用于室内，以静电除尘器为主[2]。低温等离子净化技术在工业烟气处理和室内空气净化方面也均有应用。

颗粒物预处理技术作为一种颗粒物净化辅助手段，它的目的是通过增大颗粒物的粒径，让除尘装置更易于捕捉颗粒物，进而提高除尘装置对颗粒物的捕集效率。颗粒物预处理技术主要有电聚并，化学团聚，声聚并，湍流聚并和水汽相变等[3-5]。本文通过阐述水汽相变预处理技术的机理及应用研究，介绍了水汽相变预处理技术净化空气颗粒物的研究进展，同时探讨水汽相变预处理技术应用于室内空气净化的可行性。

1 水汽相变预处理技术的机理研究

水汽相变技术指的是通过营造饱和水汽场，使水汽与颗粒物结合进而让颗粒物粒径增大，最终提高除尘装置的除尘效率。水汽和颗粒物结合方式分为均相成核和非均相成核两种方式。形成均相成核所需要的饱和度远高于非均相成核，因此一般条件下，非均相成核是水汽相变促进颗粒物增大并脱除的主要机理。已经有研究表明，结合燃煤锅炉排放的高湿高热烟气条件，水汽相变能有效促进燃煤细颗粒长大并脱除[6]，因此这在工业上非常具有应用前景的除尘预处理措施。水汽相变预处理技术的机理研究大致可分为两个部分：颗粒物成核理论的研究和颗粒物成核后增大特性的研究。

经典异质成核理论是颗粒物凝结增长的理论基础，又称为非均相成核理论。Fletcher 首先提出了经典异质成核理论[7]，他认为水蒸汽会在颗粒表面的一个晶胚核化进而使粒径逐步增大。与Fletcher 的研究不同，Smorodin 等提出了一种颗粒物核化模型，他认为水汽会在细颗粒物的表面的活化部位进行核化，颗粒的化学和物理性质决定了活化部位的位置和数量。核化过程中，水汽会在活化部位凝结直到形成晶胚。由于颗粒物尺寸的不同，水汽在颗粒表面的核化速度还会受到颗粒尺寸的影响，当颗粒物尺寸越大时，核化速度会越快[8]。Talanquer 和Oxtoby 提出用密度泛函理论来精确研究核化，该理论指出，可以用一个密度函数来描述水与颗粒所形成的新相与初始相[9]，与经典异质核化理论不同，经典异质成核理论近似的假设了核化过程，而密度泛函理论相对来说更加精确。2015年，徐俊超等在过饱和水汽条件下对颗粒物的核化凝结增大过程进行了可视化研究，确定了颗粒物的核化模型，他们认为在颗粒物表面光滑的条件下，晶胚会在单个颗粒物表面随机形成、在多个颗粒物的连接处形成。此外，颗粒物的核化还受到颗粒物空间分布的影响[10]。这个发现进一步完善了颗粒物成核理论。除了颗粒物成核理论，有许多学者还将精力放在了颗粒物成核后增大特性的研究。Wanger 等求得了单液滴凝结增长速率公式，但结果并不精确[11]。随后Kulmala等对连续介质中单液滴凝结增长速率公式进行了完善，并通过水，甲醇和正丁醇等实验工质对该公式进行了验证[12]。温高森等通过研究硫酸铵颗粒在脱硫系统中的增长规律，建立了动力学模型，该模型描述了分散颗粒在凝结增长过程[13]。Chen 等在流动云室内对氧化硅和萘丸等细颗粒的成核特性进行了实验研究，发现润湿性较好、粒径较大的微粒脱除效率较高[14]。1993 年，Williams 提出了在超高水汽饱和度下的液滴增长模型并简化了颗粒物粒径增大速率的式子[15]。还有学者探讨了[16-19]烟气细颗粒物在过饱和蒸汽区域的停留时间，烟气细颗粒物浓度，过饱和蒸汽浓度等因素对颗粒物长大的影响，进一步扩充了颗粒物成核后的增大特性的研究。

2 水汽相变预处理技术的应用研究

水汽相变预处理技术能够有效降低工业烟气中的颗粒物浓度，因此在处理烟气方面也得到了较为广泛的应用，也得到了许多学者的研究跟进。陈进城等将蒸气相变与旋风除尘技术相结合，实验研究了平均粒径分别为0.85～3.5 μm、1～2 μm、0.2～0.4 μm、0.1～0.3 μm 的矿物烧结粉尘、电厂飞灰、粘土煅烧粉尘、二氧化硅粉末等四种细颗粒的相变脱除性能，研究结果表明，润湿性较好、粒径较大颗粒的相变脱除效率较高，质量脱除效率最高可达99%[20]。陈绍龙等在水泥立窑烟气中喷入微细水雾，微细水雾在高温烟气中蒸发降温后使烟气达到饱和，烟气中的灰尘在凝结增大后更容易被除尘装置捕获，因此最终提高了除尘效率[21]。熊英莹等开发了一种湿式相变毛细脱除技术，在构建了蒸汽过饱和环境后，利用高温烟气与毛细冷凝管接触提高湿式除尘系统的颗粒物脱除效率[22]。王东歌等将湿式相变凝聚器放置在湿式电除尘器的前端后使颗粒物的脱除效率提高了50%[23]。刘靓等在工业锅炉尾气处理中应用了相变凝结技术，减少了尾气中43%的PM2.5 排放量[24]。杨希刚等分别通过在脱硫净化烟气系统中采取加装氟塑料换热器降温、添加蒸汽、添加冷空气三种措施，增强了高效除雾器对颗粒物的拦截脱除效果，结果表明，三种措施均可使脱硫净化烟气系统中细颗粒物排放浓度降低35%以上，加装氟塑料换热器降温措施对脱硫净化烟气系统原始温度变化的适应性较强，细颗粒物脱除效率基本不随脱硫净烟气原始温度的变化而改变。添加蒸汽方式不适于脱硫净烟气温度较高的场合，且耗能较大。添加冷空气方式在脱硫净烟气温度较高时效果显著，但所需冷空气的温度较低，存在来源困难等问题[25]。当应用水汽相变预处理技术对工业烟气进行处理时，烟气颗粒物的净化效率平均可提高35%～50%。在上述研究中可以发现，烟气的温降对颗粒物凝结增大有着较大的影响。当烟气温度降低时，水蒸气会加速在颗粒物上凝结使颗粒物粒径加速增大，并最后提高了除尘装置对颗粒物的脱除效率。当温度梯度越高时，效果越明显。

气溶胶指的是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.01～10 μm，分散介质为气体。颗粒物作为雾霾的重要组成部分，也是气溶胶的一个类别。2005 年，Poschl 等人发现，自然界中的“湿沉降”，即降水到达地球表面的这个过程中，能使气溶胶粒子从大气中除去，这也是除去大气中气溶胶粒子的主要途径[26]。2008 年，M.B.Baker 等人发现大气中的降水是由云粒子碰撞形成的，而云粒子是由气溶胶粒子上的水蒸气凝结形成的[27]。2012 年，C.Hoose 等人进一步发现一小部分大气气溶胶群具有在不存在冰的情况下诱导冰形成的能力[28]，这会进一步加重雾霾的形成。这些研究都在一定程度上验证了通过相变可以去除空气中颗粒物的设想。

Ying Tang 等人设计了一种测试装置来测试低温方法在去除室内空气中颗粒物质方面的作用https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-scie nces/particulate-matter。他们将污染空气通入一个可控温的冷凝器，并通过液氮来创造冷凝器中低温环境，最后测试对比冷凝器进出口的颗粒物浓度来判断颗粒物的净化效果[29]。结果显示在冷凝器温度降低到-15 ℃时，PM10 的质量浓度降至国家标准水平以下。在温度降低到-16.5 ℃时，PM2.5 的质量浓度降至国家标准水平以下。当颗粒物浓度越高时，颗粒物净化效率显著提高。经过分析，他们认为低温下水蒸气在颗粒物上的凝结增大是主要的净化机理。在低温下，水蒸气以颗粒物为冰核逐渐在颗粒物上凝结，从而使得细颗粒物不断增大，最后较粗的颗粒物与空气分离并通过管内的重力或惯性沉降除去。这与水汽相变预处理技术的机理是一致的。但日常生活中常规制冷设备还无法满足-16.5 ℃以下的温度要求，这似乎成为了水汽相变预处理技术应用于室内空气净化的阻碍。

实际上，在Ying Tang 等人的实验中，通过观察他们的实验结果可以发现这样的现象：在冷凝器管道温度在0 ℃以上时，颗粒物的浓度也有所下降。当冷凝器内管道温度在0 ℃以上时，冷凝器进出口PM2.5 的质量浓度的见表1。

表1 不同温度下进出口的PM2.5 质量浓度

当冷凝器内的管道温度从常温降到0 ℃时，空气存在着降温和除湿两个过程。因为水蒸气在颗粒物上的冷凝增大是使颗粒物浓度降低的主要原因，所以可以推论：当温度降低到进口空气露点温度以下时，空气中的水蒸气会在颗粒物表面凝结从而增大颗粒物的粒径，使颗粒物浓度降低，那么日常生活中常规制冷设备可能对颗粒物具有一定的净化能力。此外，与烟气处理不同，Ying Tang 等人在应用该低温方法净化颗粒物时没有额外营造饱和水气场。这大大提高了将水汽相变预处理技术应用到室内空气净化的可行性。例如，目前的普通空调系统的蒸发温度为7～12 ℃，这个温度对可吸入颗粒物与部分空气中的颗粒物有一定的净化效果，但日常生活中人们更加关注与空调的制冷与制热效果而忽略了降温对空气的净化作用。因此在未来研究中可以尝试利用空调系统对空气进行净化来改善室内空气品质，但具体的净化效果以及影响净化效果的各类因素还需要进一步的实验探究。这些研究既能为水汽相变预处理技术净化机理做进一步的补充，也能为水汽相变预处理技术应用于室内空气净化做好铺垫。

当水汽相变预处理技术应用于室内空气净化时，还需要对应用过程中的温度控制与应用条件进行探究，以推动室内空气净化技术的发展以及水汽相变预处理技术的应用扩展。在应用过程中，还可以尝试将水汽相变预处理技术与其他成熟的净化技术进行结合，来实现对颗粒物更好的净化效果。

3 结语

1）水汽相变预处理技术的机理研究已经形成了颗粒物成核理论与颗粒物成核后增大特性理论。该技术在工业烟气处理上的应用较为成熟，能有效提高工业烟气处理过程中颗粒物的净化效率，当运用水汽相变预处理技术对烟气进行预处理时，烟气颗粒物的净化效率平均可提高35%～50%。

2）烟气的温降能影响水汽相变预处理技术对烟气颗粒物的凝结增长，当温度梯度越大时，颗粒物凝结增大的速度越快。由于室内空气净化应用条件与工业烟气处理的不同，现如今还没有水汽相变预处理技术在室内空气净化方面的应用研究。

3）单纯的低温方法需要将颗粒物流经的管道温度降低至-16.5 ℃以下才能使大部分颗粒物被除去，但当管道温度降低至进口空气露点温度以下时，颗粒物的浓度有一定程度的下降。因此常规制冷设备可能对颗粒物有一定的净化效果，但仍然需要更多的研究来进行验证。

4）将水汽相变预处理技术应用于室内空气净化，可以推动室内空气净化技术的发展以及水汽相变预处理技术应用的扩展。在应用过程中，还可以尝试将水汽相变预处理技术与其他较成熟的净化技术进行结合，以达到更好的净化效果。