Взвешенные в воздухе твердые частицы: определение, свойства, вред, классификация и фильтры

Похожие темы:

1. Размер и форма
Взвешенные вещества и взвешенные частицы различаются по размеру, что напрямую влияет на их поведение в воздухе и способность проникать в дыхательные пути.
Диапазон размеров от 0,001 микрометра (наноразмерные) до 100 микрометров.
Размер также влияет на эффективность методов очистки: мелкие фракции труднее задержать механическими фильтрами, поэтому часто применяют электрофильтры или мокрую очистку.
Формы взвешенных твердых частиц могут быть сферическими, игольчатыми, плоскими, кристаллическими или рыхлыми комками. Форма влияет на аэродинамику, то есть определяет движение в потоке и как легко её улавливать фильтрами. Например, игольчатые формы металлов хуже оседают и труднее задерживаются механическими фильтрами, чем сферические.

2. Типы
Взвешенные вещества, твердые частицы в зависимости от природы, делят на три основные группы:

• Пыль — твёрдые взвешенные в газообразной среде частицы, образующиеся при механических процессах, таких как дробление, шлифовка, транспортировка сыпучих материалов, резка и другие.
• Дым — микрочастицы, образующиеся при неполном сгорании топлива или материалов в печи, котельной и других промышленных установках. Например, сажа, продукты сгорания угля или древесины.
• Туман (аэрозоль) — мелкие жидкие капли, диспергированные в газе при химических процессах, распылении жидкостей, в охлаждающих устройствах. Например, масляный туман, кислотный или щелочной аэрозоль.

3. Плотность
Плотность определяет скорость оседания под действием силы тяжести.
Тяжёлые фракции (например, металлическая пыль) оседают быстрее, лёгкие (сажевые, туманы) могут долго находиться во взвешенном состоянии.

4. Электрические свойства
Некоторые взвешенные частицы в атмосфере могут быть заряженными или полярными, что делает их чувствительными к электростатическим полям. Этот параметр активно используют в электрофильтрах, где происходит осаждение под действием электрического поля.

5. Химический состав
Взвешенные в воздухе твердые частицы могут быть органическими (сажа, масляные аэрозоли, пыльца, споры) и неорганическими (состоят из минеральных, металлических и инертных веществ).
Органические часто горючи и легко воспламеняются, поэтому могут представлять пожарную опасность. Они более гигроскопичны, могут связывать влагу из газа, образуя туманоподобные аэрозоли.
Неорганические взвешенные частицы представляют собой часто тяжёлые и абразивные включения, могут ускорять износ оборудования. Кислотные туманы, например, коррозионно активны и требуют использования устойчивых к химии фильтров и материалов в системах очистки.
Химический состав важен для безопасности и выбора метода очистки.

Глубина проникновения зависит от размера: чем мельче фракция, тем глубже она проникает в дыхательную систему.

Очень мелкие компоненты опасны тем, что могут проникать в альвеолы лёгких и попадать в кровоток, вызывая заболевания сердца и лёгких.

PM10 оседают в верхних дыхательных путях, вызывая раздражение слизистой, кашель, аллергии.

В промышленной среде высокая концентрация твердых элементов во взвеси может приводить к загрязнению оборудования, ухудшению видимости и повышенному риску взрывов (для пылей, способных к возгоранию).

В современной практике классификация взвешенных частиц проводится по аэродинамическому диаметру, что позволяет выделять фракции PM10, PM2.5 и наночастицы.

• Крупные (>10 мкм) — имеют диаметр более 10 микрометров, сравнительно быстро оседают под действием силы тяжести. Задерживаются в носу, горле, практически не достигают лёгких. Например: строительная пыль, песок, стружка.
• Средние взвешенные частицы PM 10 — что это? Это элементы с аэродинамическим диаметром 10 микрометров или меньше. Они крупнее PM2.5, поэтому не проникают глубоко в лёгкие, задерживаются в верхних дыхательных путях. PM10 удаляются механическими фильтрами, циклонами и мокрой очисткой. Источники образования — строительные и дорожные работы (цементная, песчаная пыль), промышленные процессы (шлифовка, дробление, металлургия), сельское хозяйство (пыль от обработки почвы, семян).
• Мелкие взвешенные частицы РМ 2.5 что это? Микрочастицы, часто невидимые невооружённым глазом. Они имеют диаметр 2,5 микрометра или меньше, сохраняются в свободной дисперсии воздуха длительное время и способны глубоко проникать в дыхательную систему человека, оказывая значительное влияние на здоровье и окружающую среду. Включают сажу, дым, мелкие промышленные аэрозоли, продукты сгорания топлива, масляные туманы. Главные источники — металлургия, химическое производство, переработка нефти и масла.
• Наночастицы (<0,1 мкм) — это чрезвычайно мелкие включения с диаметром менее 0,1 микрометра, которые сохраняются в дисперсной газовой фазе длительное время и обладают высокой химической активностью. Легко переносятся потоками газа на большие расстояния. Могут проникать в глубочайшие отделы лёгких, альвеолы, а некоторые — даже через стенки лёгочных капилляров попадать в кровоток. К ним относятся: ультрадисперсная сажа, продукты горения топлива, наночастицы металлов и оксидов, синтетические наноматериалы.

В промышленности взвешенные в атмосферном воздухе частицы удаляются такими агрегатами как пылеуловители и газопромыватели. Выбор оборудования зависит от размера, концентрации и природы загрязняющих веществ, а также от характеристик газового потока.

Рукавные пылеуловители — это аппараты для сухой очистки газов, основанные на фильтрации через пористую ткань.
Газовый поток, содержащий пыль или аэрозоли, пропускается через систему фильтрующих рукавов, изготовленных из специального материала. Загрязнения задерживаются на поверхности ткани, а очищенный воздух выходит наружу.
Пыль периодически стряхивается с поверхности мешков сжатым воздухом или вибрацией.
Эффективность: до 97% до 1 мкм.

Картриджные фильтры — это современный тип сухих пылеуловителей, конструктивно и функционально схожий с рукавным типом аппаратов, но в них используются жёсткие фильтрующие элементы — картриджи, изготовленные из пористых или волокнистых материалов (синтетическое волокно, целлюлоза, мембранные полимеры).

Благодаря этому они обеспечивают высокую степень фильтрации при компактных размерах установки.

Пылевой поток поступает в корпус фильтра, где скорость газа снижается и крупные загрязнения оседают под действием силы тяжести. Газ проходит через стенки картриджей. Грязь оседает на поверхности картриджа, образуя фильтрующий слой. Очищенный воздух выходит через внутреннюю часть картриджа.

Для восстановления проницаемости картриджа используется импульсная продувка сжатым воздухом или вибровстряхивание, которая удаляет накопившуюся пыль в пылесборник.

Эффективность: 95–99% до 0,3 мкм.

Скрубберы — установки для мокрой очистки газов, в которых твердые компоненты и газообразные примеси улавливаются водой или специальным раствором. Такие системы широко применяются, когда требуется одновременная очистка от пыли и вредных газов.
Газ проходит через поток жидкости (распылённую воду, пенный слой или насадку), при этом происходит массообмен.
Эффективность: до 98% от 1 мкм.

Биофильтры применяются в системах, где требуется воздухоочистка от мелкодисперсных органических элементов и запахов. Загрязнённый поток проходит через слой пористого биоматериала (торф, древесная щепа, компост), заселённого микроорганизмами. Примеси и летучие соединения адсорбируются на поверхности и разрушаются в результате биохимических процессов.
Эффективность: 80 — 99 % для органических аэрозолей и биологических загрязнений.

Циклоны — это механические пылеуловители, в которых очистка газового потока осуществляется за счёт действия центробежных сил, возникающих при закручивании потока. Такие установки относятся к наиболее простым и надёжным средствам предварительной и грубой фильтрации.

Загрязнённый газ подаётся тангенциально (по касательной) в цилиндрическую часть циклона. Внутри корпуса поток закручивается и образует вихревое движение. Под действием центробежной силы включения, обладающие большей массой, отбрасываются к стенкам аппарата. Осевшие компоненты под действием силы тяжести сползают вниз в пылесборник, а очищенный газ выходит через центральную трубу (втулку) вверх.

Иногда устанавливаются батарейные циклоны — несколько аппаратов, объединённых в один.
Эффективность: 70–95% крупнее 5–10 мкм.

Для проектирования систем аспирации важно знать, что значит взвешенная частица, и какие физические и химические свойства определяют её поведение.