Твердо-взвешенные частицы (РМ) в воздухе: размер, количество, концентрация, плотность

Похожие темы:

Взвешенные частицы (PM, particulate matter) — это дисперсные твердые и/или жидкие фракции в воздухе, находящиеся во взвешенном состоянии, обычно с характерным аэродинамическим диаметром от долей микрона до десятков микрометров. В инженерной практике под PM10, PM2.5 и т.п. понимают фракции по аэродинамическому диаметру частиц, а не отдельные химические вещества. Принципиальное отличие PM от паров и газов — в агрегатном состоянии и размерах: частицы образуют отдельную дисперсную фазу, тогда как пары и газы представляют собой молекулы, распределённые в объёме газовой смеси на молекулярном уровне.

Взвешенные частицы состоят из смеси неоднотипных твердых включений и капель аэрозоля (пыль, сажа, дым, капли конденсата, соли), находящихся в воздухе достаточно долго за счёт малых размеров и турбулентного перемешивания.

В этой статье мы рассмотрим фильтрацию, взвешенные частицы и показатели: размер, концентрация, плотность, коэффициент и как они влияют на выбор систем пылеулавливания в промышленности.

К данной категории относятся минеральная и строительная пыль, зола и продукты износа оборудования, пыльца растений, крупные включения промышленного происхождения.

В аспирационных системах взвешенные частицы PM10 эффективно улавливаются фильтрами грубой и средней очистки (классы G и F), а также циклонами и инерционными пылеуловителями.

Взвешенные частицы PM 2.5 — имеют аэродинамический диаметр до 2,5 мкм, которые считаются одними из наиболее опасных загрязнителей. Источники их образования — процессы горения (дизельные и бензиновые двигатели), сварка, термическая обработка металлов, химическое и фармацевтическое производство, вторичные аэрозоли, образующиеся из газовых загрязнителей. Взвешенные частицы РМ2.5 долго находятся в газовоздушной среде и проникают в альвеолы легких. Они плохо осаждаются под действием силы тяжести.

Для удаления применяются высокоэффективные фильтры тонкой очистки F7–F9, HEPA и ULPA, рукавные и картриджные пылеуловители.

Ультратонкие мелкие взвешенные частицы PM0.1 с аэродинамическим диаметром менее 0,1 мкм, обладающие высокой проникающей способностью. Образуются при сгорании топлива, в выхлопных газах, в процессе плазменной и лазерной обработки материалов. Они практически не осаждаются естественным образом и способны проникать через альвеолярно-капиллярный барьер. Требуют специальных методов фильтрации.

Выбор аспирационной установки зависит от концентрации, дисперсности, физико-химических свойств частиц, а также от условий эксплуатации оборудования. Подбором должны заниматься только опытные инженеры. Неправильный выбор типа установки и других проектных решений приводит к тому, что аппарат не справляется с нагрузкой.

Твердо взвешенные частицы отлично улавливаются рукавными аппаратами. Они широко применяются в металлургии, цементной, деревообрабатывающей и химической промышленностях. Эффективны как для крупных, так и мелких загрязнений PM10 — до 99 %, PM2.5 — до 95–99 % (при использовании мелкопористых тканей).
Превосходная степень очистки и большая пылеемкость, автоматическая регенерация фильтрующих элементов — делают рукавные пылеуловители универсальным решением.
Ограничения: чувствительность к влажности и липким аэрозолям.

Мелкодисперсные взвешенные частицы рекомендуется удалять аспирационными установками картриджного типа. В испытаниях они показывают высокую эффективность для PM10 — >99 %, PM2.5 — до 99,9 %.
Компактны, обладают высокой удельной фильтрующей поверхностью. Стабильная производительность при малых и средних потоках.
Ограничения:

• ограниченная пылеемкость по сравнению с рукавными;
• нуждаются в предочистке при высоком содержании крупных включений.

Циклонные пылеуловители работают на инерционном принципе и используются как первая ступень очистки. Как самостоятельное решение — циклон имеет среднюю эффективность для PM10 — 70–95 %, PM2.5 не подходит совсем. В составе многоступенчатого комплекса циклон удаляет крупные и абразивные элементы, увеличивая срок службы всей системы. Далее следует рукавный или картриджный пылеуловитель. Оптимальный вариант для тяжелых промышленных условий.

Газопромыватели очищают воздух путем массообменных процессов между фазами загрязненного газа и жидкостью в специальной колонне. Скрубберы очищают поток до 99.9%. Эффективны при высокой температуре и влажности. Удаляют даже липкие и взрывоопасные аэрозоли.
Ограничения:

• образование сточных вод;
• коррозионная нагрузка.

Специализированные аппараты для удаления масляного тумана, паров масла и аэрозолей, возникающих при работе станков с использованием машинного масла. Они широко применяются в металлообрабатывающей, литейной и сварочной промышленности, где в процессе производства образуются аэрозоли, которые трудно уловить обычными механическими фильтрами.

Эффективность фильтрации до 99,97 % от масляных аэрозолей и тумана, для PM2.5 — средняя. Компактны, можно установить на рабочем месте, стене или в воздуховод. Устойчивы к искрам и высокой температуре.

Ограничения: прежде всего оптимизированы под улавливание масляного тумана и аэрозолей, а взвешенные в воздухе мелкие частицы требует дополнительной ступени фильтрации.

Количество взвешенных определяется с использованием инструментальных методов измерения, основанных на различных физических принципах. Выбор метода зависит от требуемой точности, диапазона размеров частиц и области применения (промышленность, экология, вентиляция, лабораторные условия).

Оптические методы основаны на регистрации света, рассеянного частицами при прохождении через лазерный луч. Лазерные счетчики позволяют определять размер взвешенных частиц и оценивать количество и концентрацию PM10 и PM2.5 в режиме реального времени.

Способ показывает высокую скорость измерений и дает возможность непрерывного мониторинга.
Электростатические методы основаны на зарядке частичек и последующем измерении электрического тока или потенциала, возникающего при их осаждении на электроде. Данный подход часто применяется в промышленных системах контроля и пылеулавливания.

К преимуществам можно отнести высокую чувствительность к мелкодисперсным фракциям. Метод применим для автоматизированных систем мониторинга, но менее точен при изменении состава и влажности воздуха.

Концентрация взвешенных частиц — это количество или масса частиц, находящихся в единице объема воздуха.
В отличие от количества, которое может быть измерено в абсолютных единицах (например, граммы или миллиграммы), концентрация показывает, насколько загрязнён воздух именно в данной точке или в данном объёме.

Концентрация взвешенных частиц в воздухе регламентируется преимущественно по массе (мкг/м³ или мг/м³), но для задач фильтрации и аэроотложений важны также распределения по числу и площади поверхности частиц.

Формула расчета массовой концентрации:

Где:
C — концентрация (µg/m³ или mg/m³)
M — масса частичек (µg или mg)
V — объём воздуха (м³)

Это масса единицы объёма частиц, находящихся в воздухе. Показатель зависит от химического состава и структуры фракций, например, сажа, металлы, соли, органика, кристаллы. Включения с одинаковым размером могут иметь разную плотность, а значит — разные аэродинамические свойства и поведение в воздухе.

Осаждение загрязнений в воздухе определяется их аэродинамическим эквивалентным диаметром, который учитывает и размер, и плотность.
Фракции с большей плотностью быстрее оседают под действием силы тяжести. Они меньше времени остаются в этом состоянии и быстрее выпадают из воздуха на поверхности. Например, 10 µm частица из лёгкого материала (например, органическая пыль) будет держаться в воздухе дольше, чем 10 µm из металла, то есть более плотная.
👉 Вывод: плотные фракции быстрее осаждаются и чаще откладываются на оборудовании, поверхностях, в воздуховодах.

Аэродинамика частиц определяется их диаметром аэродинамического эквивалента.
В испытаниях это означает, что при одинаковом физическом размере фракции с высокой плотностью имеют бОльший аэродинамический диаметр. Это влияет на скорость оседания, вероятность захвата, поведение в воздуховодах и вентиляционных системах.
👉 Следствие: Две частицы 2.5 µm по размеру могут вести себя как включения разного класса по PM (например, как PM2.5 или PM10), если их плотности сильно различаются.

В практике под коэффициентом ВЧ чаще всего понимают коэффициент осаждения или фильтрации, которые характеризуют эффективность удаления загрязнений из воздушного потока.

Коэффициент осаждения, иногда его называют коэффициентом удаления, показывает, какая доля загрязнений оседает на поверхности материала или в пылеуловителе.

Коэффициент фильтрации (η) — это отношение концентрации частиц на входе и выходе аспирационной установки:


где
C_вх— концентрация на входе,
C_вых — концентрация на выходе.
Как коэффициент влияет на выбор фильтрующих материалов
Коэффициент фильтрации — ключевой параметр при подборе материалов, так как он напрямую определяет:
1. Для PM10 и PM2.5 требуются разные классы фильтров:
- G4–F9 — грубая и средняя очистка (в основном PM10).
- H13–H14 (HEPA) — высокая очистка (включая PM2.5 и меньше).
2. Срок службы и его пылеёмкость
Фильтры с высоким η чаще имеют большую начальную сопротивляемость, но могут быстрее накапливать пыль. Поэтому важен баланс между эффективностью очистки, сопротивлением, пылеёмкостью.
3. Экономику эксплуатации
Повышенная степень фильтрации без учета пылеёмкости приводит к частой замене и росту затрат.