荷電水霧技術(shù)對城市PM2.5的治理

郭軍團(tuán)，曾毅夫，葉明強(qiáng)，周益輝，何 淼，高 博

（凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長沙 410100）

荷電水霧技術(shù)對城市PM2.5的治理

郭軍團(tuán)，曾毅夫，葉明強(qiáng)，周益輝，何 淼，高 博

（凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，長沙 410100）

綜述了荷電水霧技術(shù)的荷電方式、對PM2.5的治理機(jī)理以及影響因素，分析了荷電水霧目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出利用荷電水霧治理PM2.5顆粒物的關(guān)鍵點(diǎn)，及對城市PM2.5治理的意義。

霧霾；荷電水霧；細(xì)顆粒物

引言

近年來，我國城市霧霾天氣越來越嚴(yán)重，對公眾健康和生活造成了嚴(yán)重影響，PM2.5含量過高是導(dǎo)致霧霾天氣的主要原因。PM2.5是指大氣中空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，其主要來源為燃煤、機(jī)動車排放、建筑塵、揚(yáng)塵、生物質(zhì)燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽及有機(jī)物。PM2.5能長期懸浮于大氣環(huán)境中，具有很大的比表面積，易于富集多環(huán)芳香烴、苯類、病毒和細(xì)菌等有毒有害物質(zhì)；PM2.5又稱為可入肺顆粒物，能夠進(jìn)入人體肺泡甚至血液循環(huán)系統(tǒng)，一旦在人體呼吸系統(tǒng)沉積將會造成嚴(yán)重危害。

目前對于室外大空間的細(xì)顆粒物的去除是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的難點(diǎn)，尚缺乏可靠的技術(shù)方案，而荷電水霧技術(shù)為室外環(huán)境降塵方案提供了新思路[1]。荷電水霧的液滴平均粒徑細(xì)小、尺寸分布均勻、粒徑譜較窄、顆粒不易聚集并導(dǎo)向控制，液滴在荷電后可增強(qiáng)液滴與顆粒之間的鏡像力和庫侖力，提高對細(xì)顆粒物的吸附效率。通過研究荷電水霧降塵規(guī)律，對改善和開發(fā)新型水霧降塵系統(tǒng)、抑制城市環(huán)境空氣粉塵污染和改善空氣質(zhì)量具有重要的應(yīng)用價值和意義。

1 荷電水霧技術(shù)的研究現(xiàn)狀

荷電水霧降塵屬于后處理技術(shù)的研究范疇，研究工作開展得相對較晚，且主要集中在工業(yè)生產(chǎn)、消防等領(lǐng)域，目前的研究主要在單液滴的吸附特性和工業(yè)領(lǐng)域的降塵效果方面。

L.F.Gaunt[2]等采用荷電水霧對室內(nèi)顆粒物的治理效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明荷電水霧可以明顯降低顆粒物的濃度，有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

Jaworek[3]課題組進(jìn)行了多項(xiàng)關(guān)于荷電液滴捕集細(xì)顆粒物的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水霧荷電能明顯提高細(xì)顆粒物的脫除率，尤其是液滴和顆粒帶異性電荷時能顯著提高對細(xì)顆粒物的脫除效果，研究結(jié)果顯示荷電水霧對1μm以下細(xì)顆粒物的去除效率可達(dá)80%～90%。

在工業(yè)領(lǐng)域，眾多學(xué)者分別從理論和實(shí)驗(yàn)的角度對噴霧降塵效果進(jìn)行了分析和總結(jié)：含塵氣流繞過霧滴時，塵粒由于慣性會從繞流的氣流中偏離而與霧滴相撞從而被捕捉，其被捕捉的機(jī)率與霧滴直徑有關(guān)。當(dāng)霧滴直徑與塵粒直徑相近時，霧滴更易捕捉到塵粒。2010年，李慶、孫曉榮[4]等對霧化電暈放電進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)將霧化電暈放電應(yīng)用于降塵領(lǐng)域來提高微細(xì)

粉塵的捕集效率是可行的。

以上研究表明：基于荷電水霧的特性，關(guān)于荷電水霧的理論與工業(yè)應(yīng)用研究已經(jīng)開展，相關(guān)學(xué)者從不同角度對荷電水霧去除細(xì)顆粒物的效率進(jìn)行了研究，對下一步的工作具有重要指導(dǎo)意義。因此，在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中，應(yīng)用荷電水霧技術(shù)去除PM2.5顆粒物的研究也有現(xiàn)實(shí)意義。

2 荷電水霧的相關(guān)理論

2.1 荷電水霧的荷電方式

水霧帶電通常有兩種類型：1）由液滴本身的作用（流動、分裂、運(yùn)動以及蒸發(fā)等現(xiàn)象）而導(dǎo)致的自然生成的電荷；2）通過外力（電源、離子源等能量）對其充電。使液滴荷電的機(jī)理主要以第2種方式為主，但實(shí)際上液滴最終的荷電量是多種機(jī)制共同作用的產(chǎn)物。

通過上述研究可得出，使水霧荷電的實(shí)用方式有3種：即電暈荷電、接觸荷電和感應(yīng)荷電。

（1）電暈荷電

在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。當(dāng)尖端電極帶電以后，通過尖端放電在電極周圍形成很強(qiáng)且非均勻的電場，使附近的空氣發(fā)生電離，形成大量的離子，這些離子在電場的排斥作用下與霧化的液滴相互碰撞，從而使得液滴荷電，因此電暈荷電會使液滴帶上與電極極性相同的電荷。

（2）接觸荷電

接觸荷電是在液體中或噴頭上直接連接高壓導(dǎo)線，使液體和地極之間形成電勢差，產(chǎn)生強(qiáng)電場，電荷在液體上積累，使霧滴也帶上電荷（如圖1所示）。此方式所需的電壓較高，一般以2萬伏左右最適宜。

圖1 接觸荷電原理圖

（3）感應(yīng)荷電

感應(yīng)荷電方法是在噴嘴周圍設(shè)置一環(huán)形電極并施以足夠高的電壓，使噴嘴與液面的接觸處形成很厚的偶電層，當(dāng)液體受到壓力而噴出時，液滴就攜帶著距噴嘴壁近層的偶層電荷噴出，因此液滴帶有與電極相反的電荷。圖2表示了水霧感應(yīng)荷電的基本原理。

圖2 感應(yīng)荷電原理圖

根據(jù)荷電原理以及荷電效果對比以上三種荷電方式，接觸荷電的荷電效果最好，但需要保證較好的絕緣性；電暈荷電的荷電效果次之，但高壓絕緣性好；感應(yīng)荷電的荷電效果最差，所需的荷電電壓較低。

2.2 荷電水霧除塵機(jī)理

常規(guī)噴霧降塵機(jī)理主要包括：重力沉降、慣性碰撞、惰性凝結(jié)和擴(kuò)散捕集[1]，如圖3所示：

圖3 常規(guī)降塵機(jī)理

常規(guī)噴霧除塵對于5μm以下的細(xì)顆粒物，尤其是2μm以下的高危害性顆粒物，其脫除效果欠佳。荷電水霧降塵技術(shù)為此提供了新思路，但其降塵機(jī)理更為復(fù)雜。除上述機(jī)制外，還有自團(tuán)聚沉降、空間荷電沉降、靜電液滴洗滌、荷電液滴沉降、荷電液滴吸附等降塵技術(shù)。

（1）水霧增濕團(tuán)聚機(jī)理

當(dāng)采用液滴吸附含塵氣流中的細(xì)顆粒物時，細(xì)顆粒物在慣性碰撞作用、攔截作用、凝聚作用以及擴(kuò)散作用下被液滴所吸附，而相應(yīng)的吸附效率與霧滴以及細(xì)顆粒物的自身物性以及受力情況有關(guān)。而在高溫條件下，液滴會不斷蒸發(fā)，使得空氣快速達(dá)到飽和水蒸汽狀態(tài)。楊林軍[5]等人對濕飽和空氣環(huán)境中PM2.5團(tuán)聚成長后沉降的過程進(jìn)行研究，得出在濕飽和空氣環(huán)境中細(xì)顆粒物增大的機(jī)制是：PM2.5在高溫蒸汽的作用下發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，使得自身粒徑不斷增大，質(zhì)量提升，并由于擴(kuò)散以及熱泳力的作用，使得自身不斷遷移并進(jìn)一步相互發(fā)生聚并，最終達(dá)到一定程度的團(tuán)聚后發(fā)生沉降。耿建新[6]等人研究了液滴對微細(xì)顆粒物的聚并現(xiàn)象，研究得出細(xì)顆粒物被液滴潤濕后自身質(zhì)量和粒徑逐漸提升，與液滴發(fā)生碰撞吸附，由此使得細(xì)水霧能夠?qū)ξ⒓?xì)顆粒物造成一

定的吸附效果。同時噴射出的液滴會對環(huán)境造成一定的影響，使得整個范圍內(nèi)的溫度有一定的降低，產(chǎn)生一定的不均勻性，低溫區(qū)內(nèi)細(xì)顆粒物的布朗運(yùn)動減弱，而高溫區(qū)內(nèi)的布朗運(yùn)動加劇，導(dǎo)致高低溫區(qū)產(chǎn)生一定的速度差，大大提升了不同顆粒物之間彼此發(fā)生撞擊的幾率，使細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效果更為明顯。當(dāng)采用荷電水霧除塵技術(shù)時，在常溫狀態(tài)下，由于水霧浸潤團(tuán)聚的作用，能在很大程度上加強(qiáng)微細(xì)顆粒物的沉降，提升吸附效率。

（2）荷電細(xì)顆粒物團(tuán)聚機(jī)理

當(dāng)細(xì)顆粒物荷電后，不論是帶異性電荷還是同性電荷，均會由于電荷之間的相互作用，細(xì)顆粒物自身會發(fā)生一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。王連澤[7]等人讓細(xì)顆粒物分別帶上異性的電荷，當(dāng)帶異性電荷的細(xì)顆粒物發(fā)生混合后，細(xì)顆粒物自身的收集效率得到了一定的提升。周建剛[8]等人對荷上相同電荷的細(xì)顆粒物的團(tuán)聚作用進(jìn)行分析，通常認(rèn)為荷相同電荷的細(xì)顆粒物由于相互間存在靜電排斥力而使得顆粒物難以團(tuán)聚，但產(chǎn)生這一現(xiàn)象的條件是顆粒物是球體并且呈單分散分布，然而顆粒物通常都是以多分散分布存在的，并且顆粒物的形狀很少能呈球形，多是以異形存在。在顆粒物荷上同種的電荷，每個顆粒物自身的荷電情況均不一樣，顆粒物自身的表面電荷密度的分布各異，這兩者的差異性會使同性的顆粒物產(chǎn)生一定的團(tuán)聚作用。當(dāng)由荷電而生成的鏡像作用大于由相同電荷而產(chǎn)生的排斥作用時，會使得顆粒的團(tuán)聚效果更為顯著。由此可見，只要顆粒物荷上電荷，那么不管這個電荷是同性還是異性，細(xì)顆粒物相互間的吸附效果均能獲得提升，由此加強(qiáng)沉積效率。

（3）荷電水霧吸附機(jī)理

液滴荷電以后，細(xì)水霧與帶電粉塵之間的庫侖力、與不帶電塵粒的鏡象力促進(jìn)兩者之間的碰撞沉降，對細(xì)顆粒物的脫除作用尤為明顯。同時，細(xì)水霧荷電以后，液體的表面張力和黏滯阻力減小，帶電液滴在高壓靜電場的作用下容易發(fā)生二次霧化，粒徑分布更加均勻，彌散程度加大；帶電液滴在同種電荷之間斥力作用下不易聚集，在空間中的分布密度增大，覆蓋區(qū)域更廣，兩者的共同作用增加了荷電液滴對細(xì)顆粒物的吸附能力，提高了降塵效率。

3 荷電水霧除塵的影響因素

影響荷電水霧除塵效率的主要因素為含塵氣流的速度、荷電液滴的粒徑、噴霧流量、液滴荷電特性等。

（1）含塵氣體流速

含塵氣體的流速直接影響了處理效率，吳琨[9]等人在荷電水霧除塵技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究得出，隨著含塵氣流速度的提升，除塵效率有一定的增強(qiáng)。氣流速度的提升能夠使得細(xì)顆粒物和液滴之間更易發(fā)生撞擊，從而起到加強(qiáng)液滴和細(xì)顆粒物的團(tuán)聚效果，但過大的風(fēng)速會使液滴和細(xì)顆粒物得不到充分的作用時間，同時容易造成二次揚(yáng)塵。袁穎[10]等人通過實(shí)驗(yàn)手段分析了荷電水霧除塵效率的影響因素，針對微細(xì)顆粒物的捕集，當(dāng)采用荷電水霧除塵時，在低風(fēng)速下可以獲得更高的除塵效率?？梢?，荷電液滴吸附細(xì)顆粒物的過程由于氣流的參與，其作用機(jī)制更為復(fù)雜。

（2）荷電液滴的粒徑

通常認(rèn)為，當(dāng)液滴與細(xì)顆粒物尺寸越接近，越能有效吸附氣流中的細(xì)顆粒物。而實(shí)際中，與細(xì)顆粒物尺寸相近的液滴在空氣中很容易直接蒸發(fā)，起不到捕集細(xì)顆粒物的效果，如果液滴非常小，當(dāng)液滴吸附細(xì)顆粒物后其自身的尺度仍然在微細(xì)顆粒物的范疇，同樣難以直接沉降，因此適當(dāng)?shù)囊旱纬叽缒軌蚴钩练e效率達(dá)到最大化。陳卓楷[11]等人針對超聲霧化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為傳統(tǒng)的水除塵難以消除吸入性細(xì)顆粒物的主要原因是液滴自身的尺寸過大（為200～600μm）。吳琨[9]等人通過研究發(fā)現(xiàn)，小尺度的液滴能夠更好地吸附微細(xì)顆粒物。而當(dāng)液滴荷電之后，由于同性相斥的作用，液滴間由于靜電力而互相排斥，因此更不易發(fā)生團(tuán)聚作用，而荷電能使小粒徑液滴的占比增多，液滴的尺寸分布會更加均勻。王貞濤[12]等人針對多種霧化形式對荷電液滴的噴霧特性進(jìn)行研究，認(rèn)為荷電削弱了液滴自身表面張力的作用，增加了液滴的不穩(wěn)定性，使大粒徑的液滴進(jìn)一步發(fā)生破碎，在氣流中發(fā)生二次霧化作用，大大增加了小液滴的數(shù)量。聞建龍[13]等人比較了荷電以及非荷電情況下液滴的霧化特性，得出荷電情況下液滴的尺寸比非荷電狀態(tài)降低一倍多。荷電后噴射液滴的角度增大，霧化均勻性更高。由此可知，荷電能夠加強(qiáng)液滴的霧化特性，進(jìn)一步達(dá)到改善吸附特性的效果。

（3）噴霧流量

噴霧流量是荷電水霧除塵技術(shù)中的重要參數(shù)，不同流量下，噴霧液滴的數(shù)量、分布密度以及霧化程度均有所不同。荷電水霧除塵技術(shù)的應(yīng)用中，不僅需要考慮如何提升除塵效率，還要考慮相關(guān)因素的影響。如采用的噴霧流量太大，會加劇諸如腐蝕等其它不良效果，并且濕度過大

的細(xì)顆粒物會黏附在除塵設(shè)備的表面，增加清理細(xì)顆粒物的難度。張小艷[14]等人研究了不同噴霧流量下的霧化特性，在一定的范圍內(nèi)，隨著噴射流量的增大，液滴的數(shù)量顯著增多，然而當(dāng)流量達(dá)到一定范圍時，再提升流量效果就變得不太明顯，而且會導(dǎo)致大粒徑的液滴數(shù)量增多。袁穎[10]等人的研究指出，增大噴霧液滴數(shù)量能顯著提升荷電水霧除塵的吸附效率?？梢?，在保證小液滴比例不減小的條件下，應(yīng)盡可能地增加噴霧流量。

（4）液滴荷電特性

在采用不同荷電方式荷電時，往往采用荷質(zhì)比來表征液滴自身的荷電量。對于噴射出的液滴，每一個液滴的尺寸、荷電量均不同，并且當(dāng)液滴沿著流場行進(jìn)時，其自身的各項(xiàng)參數(shù)也會不斷發(fā)生變化，因此針對噴霧的研究，只有液滴群的平均荷質(zhì)比才是有價值的。而液滴群所能獲得的平均荷電量取決于多種因素對其的共同作用。

基于以上分析，不難發(fā)現(xiàn)水霧荷電能顯著提高細(xì)顆粒物的脫除效率。荷電液滴吸附細(xì)顆粒物的機(jī)理較為復(fù)雜，各個影響因素在除塵過程中相互制約。

4 荷電水霧除塵的應(yīng)用

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，荷電水霧技術(shù)應(yīng)用于治理PM2.5的設(shè)備上時，需要用到高壓靜電發(fā)生器、噴頭、電極環(huán)等設(shè)備，其大致的系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 荷電水霧系統(tǒng)布置圖

5 關(guān)鍵點(diǎn)

（1）噴嘴的選擇

霧化裝置中噴嘴的選擇，必須要考慮工作環(huán)境、性能要求及維修成本等因素。對于荷電水霧降塵系統(tǒng)，理想的噴嘴既能產(chǎn)生粒徑分布較為均勻的液滴，又不易堵塞。工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室最常用的主要是壓力噴嘴和旋流霧化噴嘴。噴嘴的選擇對于實(shí)際應(yīng)用非常重要，其霧化質(zhì)量直接影響降塵裝置的性能指標(biāo)。

（2）荷電裝置的設(shè)計(jì)

水的電導(dǎo)率較好，液滴荷電相對容易，故采用環(huán)狀電極感應(yīng)荷電方式。因正離子的荷電幾率低于負(fù)離子，故高壓靜電發(fā)生器為電極環(huán)提供負(fù)高壓。

（3）絕緣

水霧荷電技術(shù)由于需要高電壓用于產(chǎn)生電場，因此需要考慮絕緣，防止發(fā)生觸電事故。據(jù)相關(guān)資料研究，所需要的高壓靜電電壓為12kV。

（4）荷電量

水霧荷電量的多少，直接影響除塵的效果。在設(shè)備或?qū)嶒?yàn)中，對水霧的荷電量的控制較難，目前尚未有準(zhǔn)確的設(shè)置參數(shù)，在后續(xù)的技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)著重實(shí)驗(yàn)研究。

6 總結(jié)

綜上所述，在現(xiàn)今空氣污染嚴(yán)重，霧霾等問題受到普遍關(guān)注的環(huán)境下，單純的水霧除塵技術(shù)已不能滿足對微細(xì)粉塵的治理，而通過對荷電水霧技術(shù)的研究結(jié)果表明，荷電水霧相比于非荷電水霧其除塵性能更強(qiáng)，而且對于PM2.5的治理具有更好的效果。荷電水霧技術(shù)的應(yīng)用將會得到更大范圍的推廣。

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City PM2.5Controlled by Charged Water-Mist Technology

GUO Jun-tuan, ZENG Yi-fu, YE Ming-qiang, ZHOU Yi-hui HE Miao, GAO Bo

X701

A

1006-5377（2015）12-0024-04