潛伏的危險(xiǎn)：超細(xì)顆粒物的治理與開(kāi)發(fā)利用
1 可吸入顆粒物的危害概述
可吸入顆粒物(Inhalable particulate，IP)是指通過(guò)鼻和嘴進(jìn)入人體呼吸道的顆粒物總稱，又用PM10表示。小于10微米的顆粒PM10對(duì)人體健康關(guān)系較大，是室內(nèi)外環(huán)境空氣質(zhì)量的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。PM2.5（小于2.5微米的顆粒）又稱為可入肺顆粒，能夠進(jìn)入人體肺泡甚至血液系統(tǒng)中去，直接導(dǎo)致心血管病等疾病。PM2.5的比表面積較大，通常富集各種重金屬元素（如As、Se、Pb、Cr等）和PAHs、PCDD/Fs、VOCs 等有機(jī)污染物，這些多為致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物質(zhì)，危害極大。目前已知的PM2.5健康影響包括：增加重病及慢性病患者的死亡率；使呼吸系統(tǒng)及心臟系統(tǒng)疾病惡化；改變肺功能及結(jié)構(gòu)；改變免疫結(jié)構(gòu)等方面。
近年來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到大氣懸浮顆粒中的PM2.5對(duì)人體健康的危害遠(yuǎn)比粗顆粒大，而且是引起城市大氣酸雨、光化學(xué)煙霧、能見(jiàn)度降低的重要因素，許多研究已經(jīng)揭示出PM2.5對(duì)人體健康的嚴(yán)重危害和對(duì)氣候的重要影響。PM2.5已成為國(guó)際環(huán)境科學(xué)的研究焦點(diǎn)之一，美國(guó)環(huán)保局于1996年修訂了大氣顆粒物標(biāo)準(zhǔn)，增加了PM2.5的24小時(shí)和年平均值，我國(guó)于2000年6月1日起將空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)中的總懸浮顆粒物指標(biāo)修訂為可吸入顆粒物指標(biāo)。我國(guó)一些城市（如北京市）空氣質(zhì)量的惡化與大氣中超細(xì)粒子濃度的增加直接有關(guān)，目前可吸入顆粒物已經(jīng)成為我國(guó)城市大氣的首要污染物，全國(guó)范圍內(nèi)大氣PM2.5的調(diào)查工作已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)。
PM2.5的源解析工作、不同地區(qū)PM2.5分布的特殊性以及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響對(duì)于環(huán)境保護(hù)對(duì)策的制定是至關(guān)重要的。據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，PM2.5的污染源包括自然源和人為源，人為源分為固定源(燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程等)和流動(dòng)源(交通運(yùn)輸?shù)?，自然源包括植物花粉和孢子、土壤揚(yáng)塵、海鹽等。研究結(jié)果還表明，PM2.5顆粒對(duì)大氣能見(jiàn)度產(chǎn)生極大的影響，表現(xiàn)在細(xì)顆粒物質(zhì)的散光效應(yīng)、碳黑以及含碳黑顆粒對(duì)光的吸收作用等方面。英國(guó)環(huán)境部門的研究結(jié)果表明，PM2.5在大氣中停留的時(shí)間為7-30天，所以這種顆粒可以長(zhǎng)距離傳輸從而造成更大更遠(yuǎn)距離的污染，我國(guó)還沒(méi)有對(duì)PM10以及PM2.5的生態(tài)及經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和評(píng)價(jià)。
據(jù)我國(guó)環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)和世界資源報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，我國(guó)空氣質(zhì)量超標(biāo)的城市中，68%都存在可吸入顆粒物污染問(wèn)題。1998年，統(tǒng)計(jì)的全國(guó)322個(gè)城市中，空氣總懸浮顆粒物平均濃度值為0.289毫克/立方米，68%的城市總懸浮顆粒物濃度年均值超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有308個(gè)城市總懸浮顆粒物年均濃度高于世界衛(wèi)生組織（WHO）的空氣質(zhì)量指南值(0.09毫克/立方米)，占統(tǒng)計(jì)城市的95%以上。可吸入顆粒物是目前我國(guó)城市大氣環(huán)境的首要污染物，PM2.5污染問(wèn)題同樣是十分嚴(yán)重的。
燃料燃燒以及其它工業(yè)過(guò)程不僅排放一次顆粒物，而且排放二次顆粒物的前驅(qū)物如SO2、NOx 和VOCs等，更增加了PM2.5的復(fù)雜性。另一方面，現(xiàn)有的細(xì)顆粒凈化裝置對(duì)PM2.5的捕獲率很低，也導(dǎo)致大氣中PM2.5濃度的增加。2000年12月份英國(guó)專家研究結(jié)果還表明：大氣中SO2、氮化物和CO等污染物的含量與人類日死亡率并沒(méi)有緊密的聯(lián)系，細(xì)顆粒物反而是導(dǎo)致人類死亡率上升的主要原因。
2 可吸入顆粒物與超細(xì)顆粒物的形成探討
可吸入顆粒物的形成主要有兩個(gè)途徑：其一，各種工業(yè)過(guò)程（燃煤、冶金、化工、內(nèi)燃機(jī)等）直接排放的超細(xì)顆粒物；其二，大氣中二次形成的超細(xì)顆粒物與氣溶膠等。其中，第一種途徑是可吸入顆粒物的主要形成源，也是可吸入顆粒物污染控制的重要對(duì)象。
以煤炭利用領(lǐng)域?yàn)槔?/p>
我國(guó)一次能源以煤炭為主，大量煤炭燃燒已對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，并影響到資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。除控制SO2和NOx的排放外，懸浮顆粒物的排放亦不容忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)粉煤灰的排放量已達(dá)1.5億噸，雖然現(xiàn)有除塵裝置的除塵效率可高達(dá)99%以上，但靜電除塵器對(duì)超細(xì)飛灰的捕獲率較低，約有1%的飛灰進(jìn)入大氣，構(gòu)成大氣氣溶膠的主要部分。這部分飛灰以粒徑小于2.5微米甚至亞微米級(jí)超細(xì)顆粒為主，其數(shù)量可達(dá)到飛灰總數(shù)的90%以上，且表面往往富集煤中微量重金屬元素及有機(jī)污染物，危害甚大。另外，超細(xì)飛灰的形成也導(dǎo)致鍋爐內(nèi)爐壁的結(jié)渣與沾污程度的增加，影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，研究燃煤過(guò)程中超細(xì)飛灰的形成機(jī)制，降低其形成與排放量，意義重大。
七十年代以來(lái)，鑒于世界各國(guó)燃煤噸位的劇增，煤炭燃燒過(guò)程中無(wú)機(jī)組分的轉(zhuǎn)化行為及其對(duì)鍋爐設(shè)備和環(huán)境的影響受到普遍關(guān)注，有關(guān)燃煤飛灰的物理化學(xué)特性、形成機(jī)制及其利用途徑，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行不同程度的研究，但對(duì)于超細(xì)飛灰的形成機(jī)制，尚無(wú)定論。M. Shibaoka & A. R. Ramsden利用特殊取樣裝置觀察到煤粉燃燒過(guò)程中無(wú)機(jī)組分的形態(tài)變化，認(rèn)為高灰分及高惰性組含量的煤，容易形成大量細(xì)粒飛灰。Quann R.J. and Sarofim A. J.利用電子顯微鏡研究了褐煤燃燒過(guò)程中灰粒的形成過(guò)程與數(shù)量。Erickson T. A. etc研究了在有Na、S和Si存在的煤粉火焰中飛灰的演變過(guò)程。H.M ten Brink揭示出煤粉燃燒過(guò)程中，超細(xì)硅煙霧的形成。最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究結(jié)果表明，該類飛灰形成的數(shù)量主要與煤中礦物分布賦存特征有關(guān)，而與煤級(jí)關(guān)系不大。一般認(rèn)為，亞微米級(jí)顆粒主要由揮發(fā)的元素均相凝聚而成，主要為堿金屬或堿土金屬的鹽類（K2SO4、Na2SO4、CaSO4)。日本學(xué)者利用低變質(zhì)煙煤與褐煤進(jìn)行研究表明，亞微米級(jí)顆粒主要來(lái)自于與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的鈣離子，燃燒過(guò)程中未能充分聚結(jié)。可見(jiàn)，不同學(xué)者由于采用煤種與試驗(yàn)條件的差異，得出的結(jié)論并非一致。
我國(guó)也有少數(shù)學(xué)者涉足該領(lǐng)域的研究，王伯春（1997）等的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)粒飛灰形成的數(shù)量隨著煤中Fe、K、Na等元素的蒸發(fā)量的增加而增加。我國(guó)動(dòng)力用煤煤種齊全，今后針對(duì)不同煤種的煤質(zhì)特性及不同鍋爐類型，研究超細(xì)飛灰的形成機(jī)制是十分必要的。
姚強(qiáng)（2000）等針對(duì)不同的鍋爐類型、不同的煤種以及不同的工業(yè)過(guò)程，開(kāi)展了燃煤排放超細(xì)顆粒物的形成、重金屬與有機(jī)污染物的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化及細(xì)顆粒的脫除等方面的部分基礎(chǔ)與技術(shù)開(kāi)發(fā)研究工作，已經(jīng)取得了一定的研究成果。
3 超細(xì)顆粒物的治理簡(jiǎn)述（以燃煤工業(yè)過(guò)程為例）
以燃煤工業(yè)過(guò)程為例進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。
燃煤電站與工業(yè)鍋爐排放煙氣中飛灰的中值直徑分別為3.8微米和7.5微米。傳統(tǒng)的除塵器捕集小于1μm的粒子的效率是很低的，因?yàn)樗鶓?yīng)用的除塵原理如重力沉積、慣性沉積、電泳等對(duì)于該粒徑范圍的粒子已經(jīng)沒(méi)有明顯的作用。在目前常規(guī)的除塵方法中，采用慣性，旋風(fēng)方法，對(duì)于細(xì)微粒子的脫除效率僅在20－40％。
對(duì)細(xì)微顆粒脫除比較有效的是電除塵、文丘里除塵器和袋式除塵器，對(duì)于全效率為97％的電除塵，0－5微米粒徑的分級(jí)效率僅為90％，對(duì)于文丘里除塵器和袋式除塵器則為94－95％，都低于全效率。
近期研究還表明，飛灰顆粒本身，尤其是鐵質(zhì)顆粒對(duì)細(xì)粒飛灰捕捉的能力較強(qiáng)，具有顯著的自脫除效應(yīng)。有些學(xué)者利用脈沖放電技術(shù)進(jìn)行細(xì)顆粒的脫除試驗(yàn)，也取得了一定成果。
對(duì)燃煤煙氣中超細(xì)顆粒排放的控制，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的技術(shù)，因此開(kāi)發(fā)實(shí)用的超細(xì)飛灰脫除技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外正待加強(qiáng)研究的課題，我國(guó)作為燃煤大國(guó)，則更顯緊迫。
從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)看，煤的燃燒與污染控制是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從煤的形成與埋藏—煤炭資源特性—煤的燃燒—燃燒產(chǎn)物的處置與污染控制，一環(huán)緊扣一環(huán)，是一個(gè)互為關(guān)聯(lián)的整體。其研究的核心，既是煤中有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分在不同環(huán)境條件下的物理化學(xué)轉(zhuǎn)化行為，研究目的則是充分利用有利于人類發(fā)展的這些物質(zhì)演化過(guò)程，并將不利轉(zhuǎn)化為有利或盡量控制不利方向的轉(zhuǎn)化。
總體來(lái)講，煤燃燒過(guò)程中超細(xì)顆粒物的治理是一個(gè)多種學(xué)科綜合交叉的基礎(chǔ)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，大力開(kāi)展超細(xì)顆粒物治理工作不僅具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有潛在的環(huán)境效益和社會(huì)效益。
燃煤過(guò)程中超細(xì)顆粒物的治理工作主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)在線測(cè)試技術(shù)水平的提高。這是研究超細(xì)顆粒物形成、排放與治理的重要基礎(chǔ)。
(2)打破常規(guī)的研究思路與手段。由于超細(xì)顆粒物的微觀性和復(fù)雜性，其化學(xué)行為與動(dòng)力學(xué)行為十分特殊，因此需要建立新的研究思路，尋求新的研究手段，才更加有利于問(wèn)題的解決。
(3)除上述兩點(diǎn)以外，國(guó)家在法規(guī)及其政策上的支持也是至關(guān)重要的。
4 超細(xì)顆粒是可以“變廢為寶”的重要資源
大氣中可吸入顆粒物的一次形成源多為工業(yè)過(guò)程中超細(xì)顆粒物的排放。但超細(xì)顆粒如果捕集下來(lái)，將是可以再生利用的重要資源。
以鐵鋁合金冶煉爐排放的超細(xì)粉末－硅微粉為例。
硅微粉系鐵合金冶煉爐生產(chǎn)過(guò)程中，由硅石中的SiO2被還原生成的氣態(tài)物質(zhì)，在逸出料面后，再氧化形成的SiO2微粒。它是一種灰白色的超細(xì)粉末，在掃描電鏡下為光滑的圓球狀，平均粒徑小于1mm。用氮吸附法測(cè)得比表面積25~30m2/g，比水泥(0.4 m2/g)大50~100倍。堆積密度為200~250kg/m3，比重2.1~3.0 kg/m3，常溫下比電阻2.4×1014Ω.m , 酸堿度6.7~8，火山灰活性90%。
硅微粉由于具有優(yōu)良的理化性能，是一種重要的納米~微米級(jí)無(wú)機(jī)非金屬材料，被國(guó)外稱為“神奇的材料”，目前已廣泛應(yīng)用于建筑、橡膠、陶瓷與耐火材料等領(lǐng)域，且利用范圍日益擴(kuò)大。據(jù)悉，日本在從我國(guó)進(jìn)口鐵合金產(chǎn)品的同時(shí)，也大量進(jìn)口硅微粉，進(jìn)行提純加工后，生產(chǎn)出高性能陶瓷材料，用于航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域。而我國(guó)在提純、加密與高性能陶瓷材料方面，尚未掌握關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，如果對(duì)這些粉塵不進(jìn)行治理，進(jìn)入大氣后成為可吸入顆粒物，可直接進(jìn)入人體肺部，危害極大。因此，硅微粉的回收利用，不僅體現(xiàn)在其經(jīng)濟(jì)效益上，而且體現(xiàn)在環(huán)境效益上。
我國(guó)冶金爐硅微粉產(chǎn)品自1990年以來(lái)，暢銷美、日、英、德、港、臺(tái)等18個(gè)國(guó)家和地區(qū)，年創(chuàng)匯達(dá)1000萬(wàn)美元以上，深受國(guó)內(nèi)外用戶好評(píng)。但目前僅將布袋除塵器收集的原狀硅微粉進(jìn)行出售，由于在硅微粉的除塵回收、提純、加密以及綜合利用方面的技術(shù)開(kāi)發(fā)力度不夠，在一定程度上影響了硅微粉回收的經(jīng)濟(jì)效益，而且產(chǎn)品銷售受到外界市場(chǎng)狀況的制約。由于硅微粉的容重輕，密度只有200kg/m3，因此，在運(yùn)輸和包裝上費(fèi)用較高。另外，高純度的硅微粉在耐火材料、化工等領(lǐng)域應(yīng)用較廣，現(xiàn)在許多國(guó)家提出該產(chǎn)品的供貨要求，但是，目前我國(guó)硅微粉純度不夠，SiO2含量只能達(dá)到92%左右，如果在提高收塵率的同時(shí)，能夠把SiO2含量提高到96%以上，將其中的雜質(zhì) Fe2O3、C等去除，則每噸銷售價(jià)格可以大幅度提高，為企業(yè)帶來(lái)更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié) 論
(1)可吸入顆粒物已經(jīng)成為全球所共同關(guān)注的嚴(yán)重問(wèn)題，其對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)所造成的危害已經(jīng)引起我國(guó)相關(guān)部門的關(guān)注。清華大學(xué)熱能工程系已經(jīng)在此方面展開(kāi)了部分基礎(chǔ)性研究工作。
(2)工業(yè)過(guò)程中超細(xì)顆粒物的排放是形成可吸入顆粒物的重要來(lái)源，因此研發(fā)對(duì)超細(xì)顆粒物控制技術(shù)的重要意義在于切斷了可吸入顆粒物形成的重要途徑。
(3)工業(yè)過(guò)程中排放的超細(xì)顆粒同樣是可以利用的重要資源，通過(guò)技術(shù)的綜合研發(fā)，可以“變廢為寶”，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益。
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