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公众话科学
水汽凝结：从源头控制pm2.5排放
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2013年09月18日
大气中的pm2.5与我们的日常生活息息相关，近来全国多个城市频繁出现雾霾天气，这不仅给人们的生活造成了诸多不便，还会对人体健康造成损害。为了还我们清新世界，让我们每天都能呼吸到新鲜健康的空气，控制大气中pm2.5的含量势在必行。
科学家们通常认为，从源头控制pm2.5是最直接和最有效的方法。而燃煤电厂是pm2.5产生的主要源头之一，尽管现代除尘器的效率可达到99.9%以上，但对pm2.5特别是其中0.1-1 m的细微颗粒的脱除效率很低。如何将细微颗粒变大成为了提高现有除尘设备脱除pm2.5效率的有效措施之一，对此，国内外做了大量的研究，提出许多控制技术，如电凝并、声团聚、化学团聚、水汽凝结等，不少新技术也在研发中，其中水汽凝结被认为是目前最有前途的技术之一。
我们知道，含湿的气流遇冷时其所含的水汽会凝结产生液滴，液滴的尺寸可达几 m到十几 m，这种凝结称为均相凝结。若能让水汽凝结发生在细颗粒表面，不就可实现使细颗粒变大的目的了吗？水汽凝结促进pm2.5控制技术正是基于此而提出的，这种水汽在颗粒表面的凝结被称为非均相凝结。
早在1871年，w.thompson lord对均相凝结和非均相凝结进行了较为系统的研究，他发现水汽在细颗粒上可以凝结，且细颗粒越小，凝结所需的过饱和度越大。1976年，日本的t. yoshida 等研究认为水汽相变是最有前途的脱除超细颗粒的预调节措施之一。随后tsi公司将这一技术应用在wcpc (water-based condensation particle counter)3785产品上，使细颗粒长大到光学测量范围，从而实现对细颗粒的数目进行测量。而将该技术用于燃烧源pm2.5排放的控制则是近些年的事，其基本技术路线是在排放含有pm2.5的原始烟气中注入水蒸气，形成过饱和的水汽环境，在此环境中，水蒸气会以细颗粒为核心包围细颗粒并且凝结成水滴，然后继续吸收水蒸气，凝结成以细颗粒为内核的大水滴，再通过传统的脱除烟尘的设备比如布袋除尘器脱除这些大水滴，从而达到脱除工业生产尾气中的pm2.5的目的。
国内东南大学杨林军教授带领的团队对相变脱除pm2.5与wfgd结合进行了系统的研究，他们的研究结果表明相变脱除pm2.5与湿法脱硫技术结合可以同时达到脱硫和促进pm2.5长大的效果。
那么水蒸气在细颗粒表面是如何凝结，成长为大水滴的呢？弄清这一问题对该技术的发展是至为重要的。目前有三种解释：一种是krastanov模型，这种理论认为水蒸气均匀的凝结于颗粒的整个表面，围绕颗粒表面形成一个球状的水壳结构（如图1）；还有一种是围绕fletcher经典异质成核理论提出的，其推测水蒸气是在颗粒表面的某一个区域开始凝结，形成一个小的液滴胚胎，然后胚胎再慢慢长大凝结成大水滴（如图2）；而smorodin模型则认为颗粒的表面存在一些活性部位（active site），水蒸气只会在这些活性部位开始凝结，在这些区域凝结成一个个液滴胚胎，再围绕这些胚胎开始凝结长大，此外，这些胚胎与胚胎之间也会相互聚合并长大（如图3）。然而，这些过程是独立发生的，还是同时发生的，科学家们还没有得出一致的结论。
科学家们通常认为，从源头控制pm2.5是最直接和最有效的方法。而燃煤电厂是pm2.5产生的主要源头之一，尽管现代除尘器的效率可达到99.9%以上，但对pm2.5特别是其中0.1-1 m的细微颗粒的脱除效率很低。如何将细微颗粒变大成为了提高现有除尘设备脱除pm2.5效率的有效措施之一，对此，国内外做了大量的研究，提出许多控制技术，如电凝并、声团聚、化学团聚、水汽凝结等，不少新技术也在研发中，其中水汽凝结被认为是目前最有前途的技术之一。
我们知道，含湿的气流遇冷时其所含的水汽会凝结产生液滴，液滴的尺寸可达几 m到十几 m，这种凝结称为均相凝结。若能让水汽凝结发生在细颗粒表面，不就可实现使细颗粒变大的目的了吗？水汽凝结促进pm2.5控制技术正是基于此而提出的，这种水汽在颗粒表面的凝结被称为非均相凝结。
早在1871年，w.thompson lord对均相凝结和非均相凝结进行了较为系统的研究，他发现水汽在细颗粒上可以凝结，且细颗粒越小，凝结所需的过饱和度越大。1976年，日本的t. yoshida 等研究认为水汽相变是最有前途的脱除超细颗粒的预调节措施之一。随后tsi公司将这一技术应用在wcpc (water-based condensation particle counter)3785产品上，使细颗粒长大到光学测量范围，从而实现对细颗粒的数目进行测量。而将该技术用于燃烧源pm2.5排放的控制则是近些年的事，其基本技术路线是在排放含有pm2.5的原始烟气中注入水蒸气，形成过饱和的水汽环境，在此环境中，水蒸气会以细颗粒为核心包围细颗粒并且凝结成水滴，然后继续吸收水蒸气，凝结成以细颗粒为内核的大水滴，再通过传统的脱除烟尘的设备比如布袋除尘器脱除这些大水滴，从而达到脱除工业生产尾气中的pm2.5的目的。
国内东南大学杨林军教授带领的团队对相变脱除pm2.5与wfgd结合进行了系统的研究，他们的研究结果表明相变脱除pm2.5与湿法脱硫技术结合可以同时达到脱硫和促进pm2.5长大的效果。
那么水蒸气在细颗粒表面是如何凝结，成长为大水滴的呢？弄清这一问题对该技术的发展是至为重要的。目前有三种解释：一种是krastanov模型，这种理论认为水蒸气均匀的凝结于颗粒的整个表面，围绕颗粒表面形成一个球状的水壳结构（如图1）；还有一种是围绕fletcher经典异质成核理论提出的，其推测水蒸气是在颗粒表面的某一个区域开始凝结，形成一个小的液滴胚胎，然后胚胎再慢慢长大凝结成大水滴（如图2）；而smorodin模型则认为颗粒的表面存在一些活性部位（active site），水蒸气只会在这些活性部位开始凝结，在这些区域凝结成一个个液滴胚胎，再围绕这些胚胎开始凝结长大，此外，这些胚胎与胚胎之间也会相互聚合并长大（如图3）。然而，这些过程是独立发生的，还是同时发生的，科学家们还没有得出一致的结论。
科学家们已经对水汽相变脱除pm2.5做了大量的实验研究，并取得了一定的成果，然而对于促进水汽在pm2.5细颗粒上凝结长大的机理目前还没有定论，细颗粒的长大过程由于颗粒太小，影响因素多，给机理的研究带来了前所未有的挑战；如何大幅度的提高水汽相变促进pm2.5脱除效率的问题仍然有待解决。可以预见的是，将来一定时期内，通过研究人员深入研究，水汽凝结促进pm2.5脱除这一技术能应用到工业实践当中。（作者：徐俊超，张军，周璐璐，杨林军，袁竹林）
（编者注：本文来源为网友投稿，中国科普博览为了传播需要，在发布时略有修改）