Лабораторная работа 3. Очистка воздуха от аэрозольных загрязнений методом фильтрации

Цель работы

Оценка линейной скорости фильтрации, выбор фильтрующего материала, оценка фильтрации пыли по размеру пылинок.

Теоретическая часть

Воздействие атмосферных загрязнений на окружающую среду включает ряд эффектов, влияющих на земную атмосферу и на протекание атмосферных процессов. В присутствии загрязняющих веществ уменьшается прозрачность атмосферы и ухудшается видимость. В метеорологии прозрачность атмосферы, определенную путем визуальных наблюдений, называют "видимость". Не все атмосферные загрязнения влияют на видимость, а только те которые находятся в виде аэрозоля, или в виде газа, способного образовать аэрозоль в результате реакций в атмосфере. Основными загрязнителями являются пыль, дым, сажа и другие твердые частицы. Частицы аэрозоля в атмосфере могут приводить к снижению, интенсивности солнечного излучения из–за потерь, связанных с рассеиванием, поглощением света.

Концентрация частиц в загрязненной атмосфере может быть порядка 10 на 1 см³, концентрации вблизи источников загрязнений могут быть на несколько порядков выше. Концентрация по массе представляет собой отношение массы частиц в данном объеме к величине этого объема. Концентрация по массе твердых частиц в загрязненной атмосфере обычно составляет менее 1000 мкг/м³. В отходящих газах промышленных процессов массовая концентрация твердых частиц значительно превышает 1 г/м³.

Для определения химического состава в настоящее время используют два метода отбора проб: полную фильтрацию и использование каскадного импактора. При достаточно высокой эффективности фильтра можно получить информацию об усредненном химическом составе для всех размеров частиц и всего интервала отбора проб.

Данные о зависимости химического состава от размера частиц можно получить, используя каскадный импактор, подвергая исследованию каждую фракцию, получаемую при разделении. Эти данные можно использовать при разработке методов контроля за содержанием твердых частиц, позволяющих удалить из отходящих газов частицы, наиболее опасных веществ.

Все типы оборудования для улавливания частиц, присутствующих в отходящих газах могут быть описаны уравнениями, характеризующие размер частиц, геометрию коллектора, свойств выбрасываемых веществ и характеристик потока.

При введении в аэрозольный поток препятствий, например, водяных капель или фильтровального волокна крупные частицы вследствие инерции сталкиваются с препятствием. Улавливание частиц за счет инерции называется импакцией.

Эффективность инерционного улавливания определяется тремя факторами:

– первым из них является распределение по скоростям, поступающим к препятствию, оно определяется числом Рейнольдса газа;

– второй фактор – траектория частицы. Она зависит от массы частицы и ее аэродинамического сопротивления, от размера и формы препятствия, а также от скорости газового потока;

– третьим фактором является способность препятствия удерживать частицы.

Фильтрация – один из старейших и наиболее широко используемых методов удаления частиц из запыленных газовых потоков.

Фильтрация вне конкуренции, когда роль идет об обеспечении исключительно высокой эффективности улавливания очень мелких частиц ценой умеренных затрат.

Тканевые фильтры изготавливают из тканых или валяных набивных материалов, которые служат подложкой для слоя пыли. Существуют гранулированные, волокнистые фильтры. Применение фильтров ограничены температурами, превышающими 500÷600К, при которых разрушается ткань или укорачивается срок ее службы.

Прохождение загрязнителя через фильтр требует расхода энергии. Обычной мерой расхода энергии служит перепад давления на фильтре или производная давления по толщине ткани. Перепад давления зависит от скорости аэрозоля. Сочетание этих двух величин образует параметр, называемый сопротивлением:

R = Δp/v, (1)

где R - сопротивление фильтра,

Δp – перепад давления на фильтре,

v - скорость на поверхности фильтра.

Для первичной фильтрации при температурах, превышающих 500–600К, используют гравийные фильтры. Волокнистые фильтры обычно не очищают. Их используют, когда концентрация частиц низка (менее 2 г/м³) и фильтр может прослужить достаточно долго, не требуя замены.

Если необходима высокая эффективность улавливания, то вместо фильтров можно использовать электрофильтры и мокрые скрубберы. Механические аппараты играют второстепенную роль и применяются для предварительной очистки. Электрофильтры могут конкурировать с тканевыми фильтрами, если электрическое сопротивление частиц лежит в пределах 10¹³–5–10¹⁴ Ом–м, требуемая эффективность улавливания менее 99,5%, газовый поток не превышает 10⁵ м³/ ч, а доля субмикрометровых частиц относительно мала.

В таблице 1 приведены данные по материалам фильтров, способы очистки, скорости фильтрации.

Таблица 1 – Характеристики фильтров

Улавливаемый материал	Фильтрующий материал	Способ очистки	Скорость фильтрации, см/с	Коэфф. удельного сопротивления, н⋅с/г⋅м
Абразивы	Полиэфирное	Встряхивание	1,5	0,005
Алюминий	Хлопок, нейлон	Встряхивание	0,011	0,0055
Асбест	Хлопок, шерсть	Встряхивание	0,014	0,0047
Бронзовый порошок	Хлопок	Реверс потока	0,01	0,0075
Пыль полированная	Хлопок	Реверс потока	0,0165	0,05
Сажа	Фгоропласт, полискрилат	Реверс потока	0,006	0,08
Цемент	Хлопок, стекло	Реверс потока	0,01	0,01
Керамика	Хлопок	Встряхивание	0,0125	0,97
Древесный уголь	Хлопок	Встряхивание	0,0115	0,97
Соли хрома	Шерсть	Встряхивание	0,012	0,97
Глина	Хлопок	Встряхивание	0,011	0,042
Кокс	Хлопок	Встряхивание	0,0115	0,042
Дым электропечей	Стекло, полиакрил	Встряхивание	0,07	0,15
Полевой шпат	Стекло	Встряхивание	0,0125	0,9
Угольная зола	Стекло, фторопласт	Встряхивание	0,02	0,03
Нефтяная зола	Стекло	Встряхивание	0,033	0,0133
Дым мусоро–сжигателей	Стекло	Встряхивание	0,02	0,352
Гипс	Хлопок	Встряхивание	0,0125	0,03
Оксид железа	Полиакрил	Встряхивание	0,0107	0,34
Дым свинцовой плавки	Полиэфир	Встряхивание	0,005	0,159
Свинцовая пыль	Полиакрилат	Встряхивание	0,015	0,159
Штукатурка	Хлопок, полиэфир	Встряхивание	0,027	0,025
Табак		Встряхивание	0,017	0,101
Древесина	Хлопок	Встряхивание	0,017	0,085
Цинк	Полиакрилат, хлопок	Встряхивание	0,0092	0,09
Ламповая сажа	Полиэфир	Встряхивание	0,01	0,13

Для расчета улавливания фильтром аэрозолей используем уравнение для расчета концентрации на выходе из фильтра и проскока через фильтр:

C_вых = [k +(0,1 – k)e^am]C_вх+C_у; (2)

k = 1,5·10⁷exp[12,7(1 – e^60,18V)]; (3)

a = 0,66•10⁴ + 0,094, (4)

где: С_вых – концентрация на выходе, г/м³,

v – скорость, м/с,

С_вх – концентрация пыли на входе, г/м³,

С_у – концентрация уносимых с фильтра частиц, г/м³,

m – количество пыли на фильтре, г/м³.

Для каждого вида фильтра С_у имеет определенную величину, определяемую экспериментально. При использовании понятия сопротивления (уравнение (I) вывода соотношения для суммарного перехода давления на системе ткань–осадок пыли имеем:

Δp = R_эффv+k_nC_nv² (5)

где: R_эфф – эффективное остаточное сопротивление ткани;

k_n – коэффициент удельного сопротивления пыли;

C_n – концентрация пыли в потоке;

t – время фильтрации.

Величина R_эфф является мерой сопротивления чистого тканевого фильтра, в котором имеется остаточная пыль, глубоко проникающая в толщу и с трудом поддающаяся удалению. Коэффициент удельного сопротивления представляет первичную характеристику пыли и подлежит измерению. В таблице 1 приведены значения k_n для различных видов пыли и перечень используемых материалов для фильтров и их характеристики.

Порядок проведения работы

1. Определить счетную концентрацию аэрозольных частиц и их дисперсного состава без фильтра с помощью счетчика аэрозольных частиц ГТА–0,3 (измерения проводить по каждому каналу по размерности не менее трех раз, результаты усреднить). Результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты измерений счетной концентрации аэрозольных частиц

ni	di, мкм
0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0
ni1
ni2
ni3
niср

2. Зная счетную концентрацию аэрозольных частиц определить массовую концентрацию с использованием формулы:

C = 5,23·10^–3 (мг/м³)

где: – плотность аэрозольных частиц, мг/ м³, принимаем = 300 кг/ м³;

d_i– средний диаметр частиц в 1–м интервале их размеров, мкм;

n_i – число частиц со средним диаметром d_i в 1–м интервале их размеров;

j – число интервалов размеров частиц;

V – объем пробы, м³.

3. Определить счетную концентрацию аэрозольных частиц и их дисперсного состава за каждым из фильтров путем их поочередной установки в аллонж. Измерения и расчеты произвести аналогично п.1, полученные значения записать в таблицы.

4. Сравнить вычисленные значения концентрации пыли после фильтрации с ПДК. Для кремниевой пыли, используемой в работе, ПДК составляет 4 мг/м³.

Содержание отчета

1. Таблица 2 с результатами измерений запыленности воздуха без фильтров и с использованием трех типов фильтров.

2. Графики распределения количества частиц по фракциям для загрязненного воздуха и очищенного с использованием фильтров.

3. Определение степени очистки для каждой фракции по размерам для каждого из фильтров, а также суммарную степень очистки с использованием массовой концентрации.

4. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Методы отбора проб воздуха для определения его химического состава.

2. Область применения тканевых и волокнистых фильтров.