潛伏的危險：超細顆粒物的治理與開發(fā)利用
1 可吸入顆粒物的危害概述
可吸入顆粒物(Inhalable particulate，IP)是指通過鼻和嘴進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對人體健康關系較大，是室內外環(huán)境空氣質量的重要監(jiān)測指標。PM2.5（小于2.5微米的顆粒）又稱為可入肺顆粒，能夠進入人體肺泡甚至血液系統中去，直接導致心血管病等疾病。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 等有機污染物，這些多為致癌物質和基因毒性誘變物質，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；使呼吸系統及心臟系統疾病惡化；改變肺功能及結構；改變免疫結構等方面。
近年來，人們認識到大氣懸浮顆粒中的PM2.5對人體健康的危害遠比粗顆粒大，而且是引起城市大氣酸雨、光化學煙霧、能見度降低的重要因素，許多研究已經揭示出PM2.5對人體健康的嚴重危害和對氣候的重要影響。PM2.5已成為國際環(huán)境科學的研究焦點之一，美國環(huán)保局于1996年修訂了大氣顆粒物標準，增加了PM2.5的24小時和年平均值，我國于2000年6月1日起將空氣質量日報中的總懸浮顆粒物指標修訂為可吸入顆粒物指標。我國一些城市（如北京市）空氣質量的惡化與大氣中超細粒子濃度的增加直接有關，目前可吸入顆粒物已經成為我國城市大氣的首要污染物，全國范圍內大氣PM2.5的調查工作已經開始啟動。
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生態(tài)環(huán)境的影響對于環(huán)境保護對策的制定是至關重要的。據現有的研究結果，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)生產過程等)和流動源(交通運輸等)，自然源包括植物花粉和孢子、土壤揚塵、海鹽等。研究結果還表明，PM2.5顆粒對大氣能見度產生極大的影響，表現在細顆粒物質的散光效應、碳黑以及含碳黑顆粒對光的吸收作用等方面。英國環(huán)境部門的研究結果表明，PM2.5在大氣中停留的時間為7-30天，所以這種顆粒可以長距離傳輸從而造成更大更遠距離的污染，我國還沒有對PM10以及PM2.5的生態(tài)及經濟影響進行系統性的研究和評價。
據我國環(huán)境質量報告書和世界資源報告提供的數據，我國空氣質量超標的城市中，68%都存在可吸入顆粒物污染問題。1998年，統計的全國322個城市中，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國家二級標準，有308個城市總懸浮顆粒物年均濃度高于世界衛(wèi)生組織（WHO）的空氣質量指南值(0.09毫克/立方米)，占統計城市的95%以上？晌腩w粒物是目前我國城市大氣環(huán)境的首要污染物，PM2.5污染問題同樣是十分嚴重的。
燃料燃燒以及其它工業(yè)過程不僅排放一次顆粒物，而且排放二次顆粒物的前驅物如SO2、NOx 和VOCs等，更增加了PM2.5的復雜性。另一方面，現有的細顆粒凈化裝置對PM2.5的捕獲率很低，也導致大氣中PM2.5濃度的增加。2000年12月份英國專家研究結果還表明：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有緊密的聯系，細顆粒物反而是導致人類死亡率上升的主要原因。
2 可吸入顆粒物與超細顆粒物的形成探討
可吸入顆粒物的形成主要有兩個途徑：其一，各種工業(yè)過程（燃煤、冶金、化工、內燃機等）直接排放的超細顆粒物；其二，大氣中二次形成的超細顆粒物與氣溶膠等。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象。
以煤炭利用領域為例。
我國一次能源以煤炭為主，大量煤炭燃燒已對生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害，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。據統計，目前全國粉煤灰的排放量已達1.5億噸，雖然現有除塵裝置的除塵效率可高達99%以上，但靜電除塵器對超細飛灰的捕獲率較低，約有1%的飛灰進入大氣，構成大氣氣溶膠的主要部分。這部分飛灰以粒徑小于2.5微米甚至亞微米級超細顆粒為主，其數量可達到飛灰總數的90%以上，且表面往往富集煤中微量重金屬元素及有機污染物，危害甚大。另外，超細飛灰的形成也導致鍋爐內爐壁的結渣與沾污程度的增加，影響鍋爐的安全經濟運行。因此，研究燃煤過程中超細飛灰的形成機制，降低其形成與排放量，意義重大。
七十年代以來，鑒于世界各國燃煤噸位的劇增，煤炭燃燒過程中無機組分的轉化行為及其對鍋爐設備和環(huán)境的影響受到普遍關注，有關燃煤飛灰的物理化學特性、形成機制及其利用途徑，國內外已進行不同程度的研究，但對于超細飛灰的形成機制，尚無定論。M. Shibaoka & A. R. Ramsden利用特殊取樣裝置觀察到煤粉燃燒過程中無機組分的形態(tài)變化，認為高灰分及高惰性組含量的煤，容易形成大量細粒飛灰。Quann R.J. and Sarofim A. J.利用電子顯微鏡研究了褐煤燃燒過程中灰粒的形成過程與數量。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程。H.M ten Brink揭示出煤粉燃燒過程中，超細硅煙霧的形成。最近，美國麻省理工學院的研究結果表明，該類飛灰形成的數量主要與煤中礦物分布賦存特征有關，而與煤級關系不大。一般認為，亞微米級顆粒主要由揮發(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)。日本學者利用低變質煙煤與褐煤進行研究表明，亞微米級顆粒主要來自于與有機質結合的鈣離子，燃燒過程中未能充分聚結？梢，不同學者由于采用煤種與試驗條件的差異，得出的結論并非一致。
我國也有少數學者涉足該領域的研究，王伯春（1997）等的研究發(fā)現，細粒飛灰形成的數量隨著煤中Fe、K、Na等元素的蒸發(fā)量的增加而增加。我國動力用煤煤種齊全，今后針對不同煤種的煤質特性及不同鍋爐類型，研究超細飛灰的形成機制是十分必要的。
姚強（2000）等針對不同的鍋爐類型、不同的煤種以及不同的工業(yè)過程，開展了燃煤排放超細顆粒物的形成、重金屬與有機污染物的產生與轉化及細顆粒的脫除等方面的部分基礎與技術開發(fā)研究工作，已經取得了一定的研究成果。
3 超細顆粒物的治理簡述（以燃煤工業(yè)過程為例）
以燃煤工業(yè)過程為例進行簡要論述。
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。傳統的除塵器捕集小于1μm的粒子的效率是很低的，因為所應用的除塵原理如重力沉積、慣性沉積、電泳等對于該粒徑范圍的粒子已經沒有明顯的作用。在目前常規(guī)的除塵方法中，采用慣性，旋風方法，對于細微粒子的脫除效率僅在20－40％。
對細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，對于全效率為97％的電除塵，0－5微米粒徑的分級效率僅為90％，對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，尤其是鐵質顆粒對細粒飛灰捕捉的能力較強，具有顯著的自脫除效應。有些學者利用脈沖放電技術進行細顆粒的脫除試驗，也取得了一定成果。
對燃煤煙氣中超細顆粒排放的控制，目前國內外尚無成熟的技術，因此開發(fā)實用的超細飛灰脫除技術，是國內外正待加強研究的課題，我國作為燃煤大國，則更顯緊迫。
從可持續(xù)發(fā)展的觀點看，煤的燃燒與污染控制是復雜的系統工程，從煤的形成與埋藏—煤炭資源特性—煤的燃燒—燃燒產物的處置與污染控制，一環(huán)緊扣一環(huán)，是一個互為關聯的整體。其研究的核心，既是煤中有機組分和無機組分在不同環(huán)境條件下的物理化學轉化行為，研究目的則是充分利用有利于人類發(fā)展的這些物質演化過程，并將不利轉化為有利或盡量控制不利方向的轉化。
總體來講，煤燃燒過程中超細顆粒物的治理是一個多種學科綜合交叉的基礎研究與技術開發(fā)領域，大力開展超細顆粒物治理工作不僅具有巨大的經濟效益，而且具有潛在的環(huán)境效益和社會效益。
燃煤過程中超細顆粒物的治理工作主要表現在以下幾個方面：
(1)在線測試技術水平的提高。這是研究超細顆粒物形成、排放與治理的重要基礎。
(2)打破常規(guī)的研究思路與手段。由于超細顆粒物的微觀性和復雜性，其化學行為與動力學行為十分特殊，因此需要建立新的研究思路，尋求新的研究手段，才更加有利于問題的解決。
(3)除上述兩點以外，國家在法規(guī)及其政策上的支持也是至關重要的。
4 超細顆粒是可以“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)過程中超細顆粒物的排放。但超細顆粒如果捕集下來，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粉末－硅微粉為例。
硅微粉系鐵合金冶煉爐生產過程中，由硅石中的SiO2被還原生成的氣態(tài)物質，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~微米級無機非金屬材料，被國外稱為“神奇的材料”，目前已廣泛應用于建筑、橡膠、陶瓷與耐火材料等領域，且利用范圍日益擴大。據悉，日本在從我國進口鐵合金產品的同時，也大量進口硅微粉，進行提純加工后，生產出高性能陶瓷材料，用于航空、航天等高技術領域。而我國在提純、加密與高性能陶瓷材料方面，尚未掌握關鍵技術。另一方面，如果對這些粉塵不進行治理，進入大氣后成為可吸入顆粒物，可直接進入人體肺部，危害極大。因此，硅微粉的回收利用，不僅體現在其經濟效益上，而且體現在環(huán)境效益上。
我國冶金爐硅微粉產品自1990年以來，暢銷美、日、英、德、港、臺等18個國家和地區(qū)，年創(chuàng)匯達1000萬美元以上，深受國內外用戶好評。但目前僅將布袋除塵器收集的原狀硅微粉進行出售，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開發(fā)力度不夠，在一定程度上影響了硅微粉回收的經濟效益，而且產品銷售受到外界市場狀況的制約。由于硅微粉的容重輕，密度只有200kg/m3，因此，在運輸和包裝上費用較高。另外，高純度的硅微粉在耐火材料、化工等領域應用較廣，現在許多國家提出該產品的供貨要求，但是，目前我國硅微粉純度不夠，SiO2含量只能達到92%左右，如果在提高收塵率的同時，能夠把SiO2含量提高到96%以上，將其中的雜質 Fe2O3、C等去除，則每噸銷售價格可以大幅度提高，為企業(yè)帶來更顯著的經濟效益。
5 結 論
(1)可吸入顆粒物已經成為全球所共同關注的嚴重問題，其對生態(tài)環(huán)境和人類社會所造成的危害已經引起我國相關部門的關注。清華大學熱能工程系已經在此方面展開了部分基礎性研究工作。
(2)工業(yè)過程中超細顆粒物的排放是形成可吸入顆粒物的重要來源，因此研發(fā)對超細顆粒物控制技術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)過程中排放的超細顆粒同樣是可以利用的重要資源，通過技術的綜合研發(fā)，可以“變廢為寶”，創(chuàng)造出巨大的經濟、社會與環(huán)境效益。
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