[科普中国]-除雾霾：水汽凝结促PM2.5“长大”

当前，细颗粒物PM2.5污染已成为突出的大气环境问题，特别是在我国。PM2.5不仅能通过呼吸系统进入人体，沉积在肺部对人体健康造成严重危害，也是导致大气能见度降低、光化学烟雾等环境问题的重要因素之一。近年来，灰霾已成为我国中东部乃至西部大多数城市经常出现的天气现象。为了拨开灰霾，让蓝天白云重回我们的世界，控制大气中PM2.5的排放迫在眉睫。
PM2.5在我国主要来源包括机动车、燃煤、二次气溶胶和工业源等，燃煤在已知来源中占有相当大的比重。因此，从源头加大对燃煤电厂一次颗粒物排放的控制至关重要。
脱除PM2.5的预处理：让颗粒“长大”
然而常规除尘技术对PM2.5的捕集效率很低，数量上，占有飞灰数量90%以上的细颗粒因不能有效脱除而直接排入大气。怎样才能有效地脱除这些细颗粒物呢？事实上，常规除尘设备对10um以上的粗颗粒粉尘的脱除效率是非常高的。显然，如果能让细颗粒在进入常规除尘设备前变大一些，就能利用常规除尘设备实现PM2.5的有效脱除。
基于这一思路，科研工作者提出了一系列让颗粒变大的技术，主要有化学团聚、声团聚、磁团聚、电聚并、水汽凝结等，其中水汽凝结技术由于过程简单，颗粒长大效果明显，受到国内外广泛重视。
水汽凝结促进PM2.5“长大”：需要特定环境
水汽凝结促进PM2.5变大的原理类似于我们日常生活中云、雾的形成。如图1所示，水汽以细颗粒物为凝结核在其表面进行凝结，形成液滴胚胎，进而使得细颗粒物长大。在这个过程中，为克服新增胚胎液滴表面面积所需要的能量，水汽凝结促进PM2.5长大需要特定的环境。那么该特定的生长环境是什么呢？

图1

经科学证明，该环境被称为过饱和氛围。何为过饱和氛围？这类似于生活中向白开水中添加糖，并不断搅拌，如果一直添加直到糖不能在溶解在水中，这时白开水变成为饱和糖水。也就是说当环境中水蒸气分子的个数大于该温度下气体所能容纳的水蒸气分子数，相对湿度大于100%时便成为过饱和状态。为描述它，相关学者提出，过饱和度即：水蒸气分压与该温度下饱和蒸汽分压的比值。
早在1894年，威尔逊在研究云雾中的光学现象中发现利用蒸汽绝热膨胀冷却到一定程度达到过饱和状态，过饱和蒸汽便以肉眼看不见的离子为核心凝结成小液滴，形成雾点，便可显示出微粒运动的“足迹”，不过他的目的是为了研究带电粒子的运动轨迹的。那么在水汽凝结促进PM2.5长大的过程中，我们该如何构建PM2.5生长所需要的过饱和氛围呢？
构建过饱和环境的技术手段
科学家们对此做了大量的理论和实验研究，目前广泛应用于构建细颗粒物长大所需过饱和环境的技术手段有：
1.直接注入蒸汽，气体中的水蒸气分子不断增加，气体的湿度也逐渐上升，从而使气体达到过饱和，但是它的能耗极大，尤其在温度较高和烟气量很大时所需要的蒸汽添加量较大；
2.绝热膨胀，气体绝热膨胀使得气体温度急剧下降，这使得气体容纳水蒸气分子的能力急剧下降，导致气体中水蒸气分子“溢出”形成过饱和，但对于废气量较大和相对湿度较低的排放源适用性较差；
3.含湿气体与高温液体接触，水蒸气在空气中质量扩散速率比热量扩散速率要快，如图2所示，高温水蒸气分子快速向气体扩散，而气体温度也升高这意味着气体容纳水蒸汽分子的能力也增长，两者相比，水蒸气分子对气体的补充效果更为显著，从而使得气体达到过饱和，当然高温液体作为蒸汽的供给需要消耗一定的能量；

图2

4.高温高湿气体与低温液体相接触，如图3所示，气体将热量传递给低温液体，气体温度下降使得气体容纳水蒸汽分子的能力显著下降，虽然气体中的水蒸气分子同时“脱离”气体向外扩散，气体中水蒸气分子的个数在减少，但气体也已远远不能容纳相当的水蒸气分子数，使得水蒸气分子“溢出”而达到过饱和。

图3

国外Hering和Fisenko两个团队对3、4两种过饱和环境的构建方法做了一系列的研究，他们的研究结果表明过饱和环境的构建有效性对水汽凝结促进PM2.5长大起到至关重要的作用。
科学家们已经对水汽相变促进细颗粒物的长大做了大量的实验研究，并取得了一定的成果，然而气液固多相流中过饱和环境的构建机制还不明确，尤其是颗粒在长大过程中对过饱和环境的影响研究尚不深入。如何获得高效的过饱和氛围仍然有待解决。可以相信，未来一段时间内，随着科学家的深入研究，水汽凝结促进细颗粒物长大能广泛应用到工业实践中。