有色金属科学与工程  2010, Vol. 1 Issue (1): 45-48
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许秦坤, 陈海焱. 可吸入颗粒物研究现状及发展趋势[J]. 有色金属科学与工程, 2010, 1(1): 45-48.
XU Qin-kun, CHEN Hai-yan. On the Research Status and Tendency of Inhalable Air Particulate[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2010, 1(1): 45-48.
可吸入颗粒物研究现状及发展趋势[PDF全文]
许秦坤1,2 , 陈海焱1,2     
1. 固体废物处理资源化省部共建教育部重点实验室，四川 绵阳 621010;
2. 西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010
基金项目：西南科技大学重点基金“低成本、规模化制备超细粉煤灰的关键技术研究”（编号：082xgp03）
作者简介：许秦坤（1973-），男，博士，讲师
收稿日期：2010-08-28
摘要：职业卫生对可吸入颗粒物有着严格要求，为了弄清对可吸入颗粒物研究进展，借助于文献分析的研究方法，通过对可吸入颗粒物危害性、源解析、排放标准及检测、净化技术等的研究现状及发展趋势分析，得出对可吸入颗粒物携带毒物的规律性认识、各个地区城市可吸入颗粒物来源构成研究远未足够，同时提出了对可吸入颗粒物制定包括数量浓度在内的更为严格的排放标准及一种利用电除尘机理、湿式清洗及热泳技术等复合净化技术，并对可吸入颗粒物净化技术进行一定展望.
关键词：电除尘    可吸入颗粒物    数量浓度    排放标准    复合净化    
On the Research Status and Tendency of Inhalable Air Particulate
XU Qin-kun1,2, CHEN Hai-yan1,2    
1. Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle, Ministry of Educatior, Mianyang 621010, China;
2. Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China
Abstract: This paper analyzes the harmfulness, source apportionment, emission standard and detection and purification technology of inhalable air particulate based on the current researches. It shows that the understanding on the harmful effects and source structure of the inhalable air particulates is far from enough. A stricter emission standard about the inhalable air particulate including amount concentration, should be worked out by practicing a composite purification technology with electrostatic precipitator, wet rinsing and thermophoresis technology, etc.
Key words: electrostatic precipitator    inhalable air particulate    amount concentration    emission standard    multi purification technique    
0 引言

随着生活水平的提高，人们对环境保护要求越来越高，对于粉尘的排放控制越来越严格，不仅有排放质量浓度的要求，而且还有排放总量的控制要求，特别是目前人们逐渐意识到可吸入颗粒物危害性，提出了对可吸入颗粒物的排放限值.可吸入颗粒物(inhalable particulate, IP)是指空气动力学直径不大于10μm的颗粒物，即PM10，它可以通过人的呼吸系统进入人体.针对可吸入颗粒物对人类的潜在危害，整体上，尽管其从质量分布来看所占不多，但是从数量来说，其颗粒数却占据了很大一部分，有时微细粉尘颗粒数甚至超过占据大部分质量的大颗粒数.正因为如此，国外已经有更为严格的颗粒数量浓度限值标准，如欧洲的汽车排放标准，其中对可吸入颗粒物有明确数量浓度规定[1].由此可见，对可吸入颗粒物的相关研究越来越引起政府部门与学者们的重视.

目前，对于可吸入颗粒的净化遇到了亟待解决的一系列基础问题.如可吸入颗粒物危害性、源解析、排放标准、精确的检测技术和高效的净化等.

1 可吸入颗粒物危害

可吸入颗粒物存在于人们日常生活、工作环境中，不仅影响大气的能见度，而且人一旦吸入，其有可能在肺部沉集从而导致尘肺等职业病，这将是对劳动力的一大损失.同时，由于可吸入颗粒物的比表面积大，容易吸附有毒有害的微细重金属元素[2]和病菌，很容易导致职业病的产生；在可吸入颗粒物迁移的过程中，携带病菌易传播，这样可以加速一些病菌的扩散，从而增加社会上一些流行性传染病防治的难度.因此，有必要加大对可吸入颗粒物的治理.

许多不大于1μm的粉尘颗粒携带有铅、汞、砷等有毒痕量元素[2].而这些痕量元素对人的危害是不可小觑的.可见对可吸入颗粒物的去除，净化环境，保护人的身心免受其潜在的伤害显得越发突出.但是对于可吸入颗粒物携带毒物的规律一直认识不清，比如毒物与颗粒尺寸、种类、形状等关系没有形成较为系统的认识.

2 可吸入颗粒物源解析

对于可吸入颗粒物，尽管人们采用了各种先进的粉尘治理技术，但是随着社会经济的快速发展，空气中的可吸入颗粒物有日益增多的趋势.而目前所有的环境粉尘治理的法律法规及技术标准仅对排入大气中粉尘质量浓度和排放总量进行限制，而对排放粉尘的数量浓度没有限制，其中一条原因是当前对可吸入颗粒物排放源不甚清楚.有学者根据统计数据得出汽车等交通工具是可吸入颗粒物的最大排放源，但是又有研究表明，对可吸入颗粒物的贡献不仅仅限于交通工具排放的一次粉尘，还有来自于道路磨损、交通工具自身的机械磨损及反复卷扬而起的路尘等产生的二次粉尘[3-4].

很有意思的是，印度学者A.R. Sharma等[5]人2009年1月在印度Hyderabad城市进行有关车辆排放物对该市空气中的炭黑浓度、痕量气体、地面接受太阳辐射量的影响研究中, 恰好遇到全国近一周时间的卡车司机大罢工，通过各个监测点发现，在罢工期间，由于这种易导致交通粉尘产生的卡车停运，该城市空气中粉尘颗粒明显减少，比平时减少了60 %.这就说明使用柴油的卡车运营对城市粉尘颗粒量影响明显，但其没有单独对可吸入颗粒物作出说明.交通粉尘是否是可吸入粉尘颗粒主要来源之一，还必须进行一定的研究.

在国内，尽管有人对排放空气污染物的燃煤电厂这样源点进行较为系统研究并建立了各种污染物排放因子基础数据，但是对于燃煤电厂排放的粉尘对当地可吸入颗粒物贡献缺乏研究[6].由此可见，有必要对各个城市的可吸入颗粒物来源进行解析，摸清可吸入颗粒物主要来源.

目前，尽管有了个别对空气中粉尘来源研究，但人们对可吸入颗粒物进行系统的源解析还远远不够，没有形成系统的认识，也就是说可吸入颗粒物源摸排不清，而可吸入颗粒物的来源跟当地的社会生产结构、经济发展水平、气候条件、人们社会活动习惯等因素相关.因此，有必要对可吸入颗粒物进行系统研究.

3 可吸入颗粒物排放标准及检测

对于可吸入颗粒的净化遇到了亟待解决的一系列基础问题.如可吸入颗粒物排放标准制定、更为精确的检测技术等.

除了欧洲的汽车排放标准中对可吸入颗粒物数量控制有明确规定外，在国外还很难找到公认的、类似的、更为严格的粉尘数量浓度排放限值标准；在国内，尽管有很多学者提出了对可吸入粉尘颗粒排放限值控制要求，但大部分对数量浓度难以给出一个具体的参考值.这可能与人们对可吸入粉尘颗粒产生机理、运动迁移及毒害特性等基础性问题认识还不够透彻有关，同时对于可吸入颗粒物还没有找到适当可以大规模应用的高效净化技术.即使有了严格的标准，还须有更为精细的可吸入颗粒物检测配套技术，特别是实时便携式在线检测技术以满足现场检测实用化要求.尽管目前实验室用于检测可吸入粉尘颗粒物数量浓度主要由低压撞击仪来承担，但是其由于实验条件限制很难满足现场实测要求，因此有必要开发一种新的实时便于现场应用检测设备，而这又属于可吸入颗粒物基础研究范围.由此可见，有必要加强对可吸入颗粒物产生及特性等一些基础问题研究.

4 可吸入颗粒物净化技术

目前, 对于可吸入颗粒物难以从含尘气体中的除去问题, 研究者提出了各种各样的净化技术, 包括利用电场力的静电除尘技术、主要利用筛分效应的膜过滤技术、湿式清洗技术、热力及电力凝并技术或者它们组合的复合式净化技术，如电-袋复合除尘、静电旋风除尘、静电滤筒除尘等.但这些除尘净化技术都存在各种各样的问题，如造价、操作、选用材质、工艺等.

由于静电除尘技术其机理先进(电场力直接作用在带电的尘粒上)、除尘效率高、性能稳定而得到大量应用，特别是在火电厂烟气除尘方面得到大量应用；但是，其对于细小的可吸入颗粒的去除效果一直不理想，这主要是因为细小尘粒本身所具有的固有特征及电场对其荷电机理不利于荷电而导致难以收集.Y. Zhao等人在国内选择8个比较典型电厂的10个除尘装置的粉尘排放实测表明，对于可吸入颗粒物排放呈现经典的双模态分布，即峰值分别出现在0.2~0.3 μm和2.0~3.0 μm，并对可吸入颗粒物(即PM10)中两种粒级(即PM2.5和PM1.0)在含尘气体处理前后的所占份额进行比对，得出PM2.5和PM1.0所占百分比分别由原来的23%~35 %、小于10%增加到38 %~60 %、14 %~28 %，这就证明电除尘对可吸入颗粒去除不理想，同时发现采用湿式收尘对超细粉尘所占份额的增加量影响最小.由此可见，要找到合适的可吸入颗粒物净化技术还有很长的一段路要走.因此，有必要加强对可吸入颗粒物收集技术的基础研究.

尽管电除尘具有对细小的可吸入颗粒的去除效率低的问题，但是由于其本身除尘机理的先进性，在可吸入颗粒物净化方面还将扮演重要角色，特别是针对大气量待处理的含尘气体.同时，为了克服自身的不足，必须与其他除尘机理有效结合起来，达到稳定去除可吸入颗粒物效果.在此，本文提出利用电除尘机理、湿式清洗技术、热泳技术等3种方式有效结合的复合净化技术，即电饱和湿空气除尘净化.该净化是在原来双区湿式电除尘的基础上，在放电区采用强荷电技术、在足够长的收尘区采用水膜清洗技术，同时结合在前端或收尘区采用电加热方法维持含尘气体一定温度，经过加热的尘气温度与收尘区水膜温度存在一定温差使得粉尘颗粒趋向水膜运动，即热泳现象.同时，由于水膜的蒸发使得尘气湿度增加最终达到饱和，即饱和湿空气，而这时可吸入颗粒物由于荷电及本身特性使得水蒸气在颗粒表面凝结形成较大的易于捕集小水滴，在此，可吸入颗粒起到凝结核的作用，最终这些雾状小水滴在电场力及热泳力协同作用下被收尘水膜所捕集[7-10].

5 可吸入颗粒净化技术其他应用展望

除了上述可以利用电饱和湿空气等这样多种除尘机理有机结合的净化技术来达到控制可吸入颗粒的排放之外，事实上，可吸入颗粒净化技术还可以应用于大型空调净化.

对于长大隧道、大型体育中心、商业中心、演艺场所等，其通风空调条件要求极为严格，而其排入的制冷风量必须严格满足空调循环用风标准，这就要求有高标准的去除可吸入颗粒物净化技术.目前所采用的空调净化技术大部分都是采用过滤技术，尽管其具有诸多如净化效率高、易于拆洗更换等，但是对于大风量、高风速尘气来说，其缺点是显而易见的，如阻力大、过滤风速低等.

对于长大隧道这样较为封闭的空间，一般要求净化设备具有处理大风量、高风速、低浓度的含尘气体，这就使得电除尘成为首选，在国外，如日本、挪威等国已经大量采用该净化技术并取得较好的社会经济效益.对于大型体育场馆，一般都采用露天形式，很少采用封闭式，如国家奥林匹克体育中心(鸟巢)采用露天，这主要是受限于一旦遇到大型体育文艺活动，人员多为密集，按人头估算空调需风量极为庞大，几乎所有目前在用的空调净化技术都难以实现，而电除尘可以满足处理大风量净化要求，这就为人们提供了一个解决问题的思路.但是空调净化用电除尘器遇到了国外技术封锁、国内基本上处于起步阶段，尽管在小型空气净化用电除尘器方面取得了一定进展[11-14]，但是在普及和性能可靠性及大型应用方面缺乏成熟的技术，落后于国际技术水平几十年，特别是在基础研究方面.

6 结论

通过对可吸入颗粒物危害性、源解析、排放标准及检测、净化技术等的研究现状及发展趋势分析，得出以下4点结论.

(1) 由于可吸入颗粒物具有可以携带有毒有害的重金属及病菌，其潜在的危害性已成共识，但对携带毒物的规律性认识还远远不够；

(2) 可吸入颗粒物来源一个是工业生产粉尘，如火电厂最终排放的粉尘，绝大部分为可吸入颗粒物，但其对城市空气中可吸入颗粒物贡献到底有多大还缺乏应有的系统研究，有必要对各个地区城市可吸入颗粒物来源进行广泛研究以确定主要来源；

(3) 在对可吸入颗粒物的危害性及源解析充分认识和了解的基础上，有必要制定更为严格的可吸入颗粒物排放标准，包括数量浓度标准；

(4) 基于可吸入颗粒物电特性及运动特点，提出了一种利用电除尘机理、湿式清洗及热泳技术等复合净化技术，即电饱和湿空气净化技术.

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