XIII. Отделяне на частици от аерозоли Аерозолите се получават или чрез кондензация от газова фаза или чрез диспергиране на течности или твърди тела. Те са много разпространени в природата и в промишлеността - мъгла, дим, пушек, прах (dut, mok, um, haz, mit, og). Атмосферният аерозол се състои от първичен материал (въведен направо като частици) и вторичен материал (в резултат на кондензация); морски солени капчици, дим от комини, вкл. SO, NO и NO, aвтомобилни газове (Рb и органични сажди), почвен прах. Наличието на аерозолни частици във въздуха има голямо значение в редица области на човешката дейност: климат, здраве, видимост и др. XIII.1. Фактори влияещи на поведението на аерозолите: размер, концентрация; и химичен състав на частиците. Примери: (а) при вдишване на аерозол определена част от диспергирания материал остава в дробовете, като се наблюдава много ясно изразена зависимост от големината на аерозолните частици: (б) Светоразсейващата способност на даден аерозол също зависи много силно от големината на частиците: (в) Ефективност на пречиствателните съоръжения - зависи преди всичко от размера http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 17
на частиците, а за електростатичните утаители и промивните колони (скруберите) и от химичната природа на частиците. Размерите на частиците в аерозолите попадат в диапазона от 1 nm до около 1 m. Концентрацията за замърсена градска атмосфера е от порядъка на 1 5 см -3 за частиците с размер p.1.1 m и от порядъка на 1 сm -3 за по-големите частици ( p > 1 m); общата маса на диспергираното вещество е обикновено под 1 g/dm 3. При концентрация на частиците 1 5 см -3 може да се оцени, че на една частица се пада обем с характерен размер 3 m. Поради това почти винаги при изследване на аерозолите, взаимодействията между частиците могат да се пренебрегнат. Aрозолите по принцип са нестабилни и частиците коагулират. Времето за коагулация може да се оцени по теорията на Smoluchowki за перикинетична флокулация, т.е.: t 1/ 3. Ако се вземе стойността на вискозитета на въздух 1-5 Pa. (при 4n kt стандартно атмосферно налягане и 3 К), то може да се изчисли, че: t 1/ (n =1 5 cm -3 ) 1 часа t 1/ (n =1 7 cm -3 ) 6 минути t 1/ (n =1 1 cm -3 ).4 секунди т.е. характерното време за коагулация силно зависи от началната концентрация на частици. XIII.. Tранспортни свойства на аерозолите. а) дифузия уравнение на дифузия: D t kt D - дифузионен коефициент; коефициент на триене. Dt - характерна дифузионна дължина. При аерозолите и D силно зависят от числото на Knudn: l l - среден свободен пробег на газова молекула Kn p - радиус на частицата p l m ; - кинематичен вискозитет; m - молекулна маса kt За въздух при нормални температура и налягане l 65 nm За малки частици ( p < nm), т.е. при Kn >> 1, обменът на топлина, маса и импулс се описват чрез молекулната теория на газовете (r molcul rang), и коефициента на триене се пресмята по закона на Стокс: 6. http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 18 p
За големи частици ( p > nm), т.е. при Kn << 1, газът може да се опише като континуум (флуид) с определен вискозитет и се използва условието за прилепване на флуида към повърхността на частицата. 1/ 8 kt p g 1 3 - коефициентът на триене е по-малък от изчисления по закона на Stok за същите размери m 8 g - плътност на газа; m - маса на молекулите на газа;.9 - акомодационен коефициент за преноса на импулс (accomodation coicint). За частици с междинните размери (Kn 1) няма изведени прости теоретични формули. Отново се допуска, че силата на триене е пропорционална на скоростта на частицата, F d = V, като зависимостта на коефициента на триене,, от радиуса на частицата се апроксимира с израза 6 C C 1 KnA1 A A xp l p 3 Millikan : A 1.57, A.4, A3 1 ;.55 Функцията C S ( p ) често се нарича в литературата фактор на Cunningham. p б) дифузия във външно поле Формулите имат същия общ вид като тези за хидрозоли, но трябва да се отчита фактора на Cunningham в коефициента на триене и в дифузионния коефициент в) термофореза - насочено движение на частиците в резултат на температурна разлика. Термофорезата е често срещано явление в производството и бита (запушване на топлообменни тръби в петролни рафинерии, замърсяване на студени повърхности) 3T Kn 1: v t ;.9 4 1 / 8 T Kn 1: v t T ; p p и p са топлинните проводимости на газа и на частиците, съответно. Във втория случай теорията предсказва прехлъзване на газа по повърхността на частицата (non-tick boundary condition); 1/5 - безразмерен коефициент;.9 - акомодационен коефициент; - кинематичен вискозитет. г) адхезия на частиците към твърди повърхности най-често заразди ван дер Ваалсовите взаимодействия (появяват се и в граничните условия на дифузионната задача). http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 19
XIII.3. Основни методи за пречистване на аерозоли XIII.3.1. Инерционно утаяване с използване на циклони. XIII.3.. Филтруване през нишкови (влакнести) филтри. Нишковидните филтри за отделяне на аерозоли са по същество дълбочинни филтри, които са съставени не от отделни зърна, а от тънки нишки. Най-разпространените нишковидни филтри за битови приложения в момента са така наречените НЕРА (Нigh Еicincy Рarticulat Аir) филтри, които са съставени от стъклени нишки с диаметър от.5 до m. Съгласно дефиницията на Американското министерство на енергетиката НЕРА филтър се нарича такъв, който задържа 99.97% от частиците с диаметър >.3 m. За първи път такива филтри са били разработени и използвани в САЩ за пречистване на въздуха от радиоактивен прах при разработката на първата ядрена бомба. През 5-те години на век тези филтри са били комерсиализирани и регистрирани като търговска марка. Принципът на действие на нишковидните дълбочинни филтри за аерозоли е доста различен от този на нишковидните филтри за течности. НЕРА филтър задържа 99.97 % от аерозолни частици с диаметър.3 m, но ако същите частици са суспендирани във вода и трябва да се филтрува суспензията, то задържането е почти нула. - Обща ефективност на влакнест дълбочинен филтър. За пресмятане на общата ефективност може да се използва следния подход: Разглеждаме елементарен обем xyz, съдържащ едно влакно с дължина y и радиус. Oбемна част на влакната във филтъра е същата както на едно влакно в елементарния обем xyz:.. y 1 x. y. z Koнцентрация на частиците, които влизат в контролния обем е http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 11
Брой частици, които влизат в контролния обем за единица време: N = u yz (u е скоростта на аерозола) Броят частици захванати от влакното е пропорционален на напречното му сечение y и на ефективността на отлагане на частици върху влакното, : N u Всички захванати частици могат да се изчислят с интегриране по цялата дълбочина на филтъра (от до Н): N N y N H d x N След това може да се изчисли и общата ефективност, E: N E 1 1xp H N - Механизми на отлагане на аерозолни частици върху повърхността на влакната. Четири основни механизма, показани схематично по-долу, определят отлагането на частици върху повърхността на влакната на филтрите: Общата ефективност на отлагане е сума от ефективностите по четирите механизма: = g + D + I + е http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 111
а) Геометрично пресичане (Intrcption) с ефективност g. б) Геометрично пресичане с Браунова дифузия този механизъм е съществен за частици < 1 m. Eфективността може да се изчисли като = g + D. в) Инерционно отлагане при движение с голяма скорост с ефективност I. г) Електростатично отлагане на незаредени частици върху незаредени нишки в присъствие на външно електрично поле, с ефективност е. Прилагането на външно електрично поле води до повишаване на ефективността на дълбочинните филтри при аерозоли. Причината е, че външното поле поляризира частиците и нишките на филтъра, което от своя страна води до възникване на допълнителни сили на привличане между тях. Eлектростатична сила действаща на сферична частица с радиус може да се изчисли по формулата: F 3 3 P. EdV V E E V Където поляризацията във външно поле с интензитет Е може да се запише като: P 3 E; 4 3V XIII.3.3. Електростатични утаители с коронен разряд (електрофилтри) За разлика от предишния случай, при този метод аерозолните частици се зареждат (придобиват нетен заряд) поглъщайки йони и електрони от газовата фаза. Йоните и електроните възникват при газов електрически разряд в пространството около зарадени проводници: http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 11
Между електродите протича ток, породен от движението на йоните и електроните. Част от тока се дължи на заредените частици, които от своя страна се отлагат върху стената на утаителя Типични напрежения V ~ 3 7kV и скорости u ~. 1.5m/. - механизми за зареждане на частиците Полево зареждане ( p >.5 m) - йоните от газовата фаза попадат на повърхността на частицата следвайки токовите линии на полето. С натрупването на заряди върху частицата сумарното електрично поле се променя така, че токовите линии (и йоните) почват да заобикалят частицата - настъпва насищане на заряда: Дифузионно зареждане (p <.1 m) - обяснява се с дифузията на йоните в газовата фаза и действа дори в отсъствие на външно електрично поле (стига да има йони). На практика, зарядът на частиците не нараства неограничено, защото над определен повърхностен потенциал на частицата започва емисия на електрони или йони обратно към газовата фаза (максимален заряд на частицата). - отлагане на частиците върху стените на колектора duˆ dt q E m 6 m p uˆ F g F l uˆ qe 6 p qe 1 xp t 6 p m 6 p http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 113
Следователно в ламинарен поток отлагането може да се представи схематично по следния начин: u L Y ˆ u За турбулентен газов поток (какъвто обикновено имаме в практиката) ефективността на задържане се дава с израза: N N Yuˆ uˆ E 1 xp x 1 xp N Y u Yu Auˆ E 1 xp Q A пълната площ на стените на утаителя; Q е обемният поток на аерозола. XIII.3.4. Промивни колони (скрубери, crubbr) В скруберите частиците се захващат от тънки течни слоеве или капки. Подобно на електрофилтрите и скруберите са много ефективни, но на изхода на колоната се получава суспензия, която трябва допълнително да се пречиства. Скруберите служат още за абсорбция на разтворими газове. газ а) мокри скрубери (wt crubbr) течност аерозол б) тарелкови скрубери (plat crubbr) течност http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 114
в) душови скрубери (pray crubbr) г) душови скрубери с влакнест или зърнест пълнеж (abric crubbr, packing crubbr) д) скрубери от типа "тръба на Вентури" (ефективни за подмикронни аерозолни частици) Теоретичното описание на процесите в скруберите се основава на теорията на (конвективната) дифузия към и през междуфазовата граница течност-газ. http://www.dc.uni-oia.bg/har/km/eco_pds/ 115