處理PM2.5粒子和廢氣污染的高效廉價新技術(shù)

摘 要：介紹了一種處理PM2.5粒子和廢氣污染的新方法.該技術(shù)利用氣體射流的紊流剪切和沖擊作用，克服分子團聚的引力，將PM2.5粒子拆分為分子，并利用紊流、分子熱運動和分子紅外諧振的共同作用，打破分子化學(xué)鍵，將化合物分解為單質(zhì)，從而達到處理PM2.5粒子和廢氣污染的效果.實驗結(jié)果顯示，該技術(shù)處理PM2.5粒子和廢氣污染迅速且成本低亷，處理1 t廢氣和PM2.5粒子成本不到人民幣10元.

關(guān)鍵詞：射流； 紊流； PM2.5粒子； 廢氣； 紅外諧振

中圖分類號： X 513 文獻標(biāo)志碼： A

含碳礦物能源的燃燒是PM2.5粒子的主要來源.燃燒時伴有高溫和局部缺氧.高溫時含碳礦物能源發(fā)生熱分解，析出多種碳氫化合物CnHm；局部缺氧會使碳氫化合物脫氫，析出原子級的碳粒.例如：煤、油在高溫時熱分解析出CnHm，當(dāng)n=1、m=4時，即甲烷（CH4）；在高溫缺氧狀況下，CH4分解脫氫，即

CH4→C+2H2

原子級碳粒表面能很大，碳粒間相互作用發(fā)生團聚，組成更大顆粒的碳黑.高溫時低熔點的無機氧化物或氯化物發(fā)生熔化、液化和汽化.例如，堿金屬氧化物Na2O、K2O在700℃便會熔化；MgCl2、CaCl2、KCl、NaCl在700～800℃熔化，1 400℃汽化[1].它們的蒸氣與水蒸氣或油霧接觸時，由于分子的相互作用而凝結(jié)在漂浮運動的碳粒上，形成含碳的水滴、油滴、玻璃滴.它們因熱沖擊膨脹或冷縮，產(chǎn)生大量球形碳黑（俗稱漂珠）和絮狀的碳黑，它們都是PM2.5粒子.

PM2.5粒子是由眾多分子結(jié)合而成的.其相互作用能有兩種：一是形成分子的化合鍵能；一是將分子團聚成PM2.5粒子的分子相互作用能.后者取決于分子間的相互作用力，即范德華力.處理PM2.5粒子，就是要破解這兩種力或相互作用能.破解技術(shù)愈簡便、廉價、高效，則愈適合當(dāng)前經(jīng)濟發(fā)展的需要.文獻[1]中較為完整和系統(tǒng)地表述了處理PM2.5粒子和廢氣的技術(shù)，提出首先利用聲、電、磁等多種技術(shù)使PM2.5粒子團聚成大顆粒，然后利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)進行收集處理.這不失為解決PM2.5顆粒污染的一種方案，但程序繁瑣，進展緩慢，成本高且可行性不強，且該方案未解決廢氣污染和溫室氣體處理問題.本文提出一種更亷價、簡便、高效的處理這種污染的新技術(shù).

1 處理PM2.5粒子和廢氣的理論

PM2.5粒子實質(zhì)上是多種分子（如C、CO2、K2O、Na2O、CnHm、KCl、MgCl2等）借助分子相互作用能而結(jié)合在一起的宏觀物體.只有解除使這些分子凝結(jié)在一起的相互作用能，才能使PM2.5粒子分解處理.為此，分兩步解除這兩種相互作用能：第一步解除將廢氣分子凝結(jié)在一起的分子相互作用能，使PM2.5粒子破解為分子； 第二步破解分子的化學(xué)鍵能，使化合物分解為原子或離子.為了破解分子相互作用能，首先估算分子相互作用能的大小.

組成自然界物質(zhì)的分子，可分為兩類：一類是有極分子，如H2O、K2O、NaO、KCl、MgCl2等；另一類是無極分子，如C、CO2、H2、O2、CnHm等.

1.1 有極分子相互作用能[2]

設(shè)有兩個有極分子，其偶極矩分別為

p1=el1， p2=el2

（1）

式中：e為電子電量；l1、l2分別為兩個有極分子的偶極矩，通常遠小于r，r為兩偶極矩間的距離，不失一般性取l1=l2=5×10-11m，r=10-9 m.

兩個有極分子的相互作用能

U0=2p1p24πε0r3

（2）

式中，ε0為真空介電常數(shù).

將r=10-9m代入式（1），則U0=1.15×10-21J，比化學(xué)鍵能（數(shù)量級為10-19J）小2個數(shù)量級.

1.2 無極分子相互作用能

無極分子的相互作用必須考慮量子效應(yīng)，只能用量子力學(xué)求解色散力.采用半經(jīng)典半量子理論求得兩無極分子相互作用能[2]

Ud=he44πε20m2ω30r6

（3）

式中：h為普朗克常數(shù)；ω0為分子振動固有頻率；m為分子誘導(dǎo)偶極子的振動等效質(zhì)量.

以CH4為例，其m=4.95×10-27kg.將ω0=6.28×1014s-1、r=10-9m 代入式（3），則Ud=7.3×10-26J.可見，無極分子的相互作用能比有極分子相互作用能小5個數(shù)量級，比單鍵化學(xué)鍵能更小.

1.3 有極分子和無極分子的相互作用能

有極分子和無極分子彼此靠近時，有極分子的極化場會誘導(dǎo)無極分子產(chǎn)生誘導(dǎo)電矩.有極分子電矩和誘導(dǎo)電矩產(chǎn)生相互作用，其相互作用能Uh比有極分子相互作用能U0小，但比無極分子相互作用能Ud大，即Ud

根據(jù)上述分析，要破解PM2.5的團聚問題，只需使PM2.5彼此碰撞動能充分大于有極分子的相互作用能U0便可.因此，設(shè)計紊流雷諾數(shù)Re>4 000便可獲得足夠大的剪切應(yīng)力破解分子團聚而使PM2.5顆粒分子化.

破解分子化學(xué)鍵能使廢氣分子原子化.運用發(fā)明專利[3] “用射流和紅外諧振分解廢氣的裝置及方法”的技術(shù)，利用射流產(chǎn)生紊流，并利用廢氣自身溫度在射流接收裝置內(nèi)激發(fā)熱輻射紅外波譜匹配廢氣分子化學(xué)鍵固有振動譜，使廢氣分子處于共振激發(fā)狀態(tài).在這種狀態(tài)下，分子熱運動產(chǎn)生的分子間相互碰撞動能足以破解分子的化學(xué)鍵能，從而實現(xiàn)化合物分子原子化.

1.4 廢氣分子鍵強度、振動固有頻率和固有波長

表1給出了幾種廢氣分子鍵強度、固有頻率ω0、固有波長λ0[4].由表可知，化學(xué)鍵的鍵強度比分子間相互作用強度大2個數(shù)量級，所以，依靠射流的紊流破壞化學(xué)鍵是不可能的，因此還需利用分子熱運動的碰撞和化學(xué)鍵固有頻率的諧振激發(fā)實現(xiàn)此目的.

2 處理PM2.5粒子和廢氣的新技術(shù)

2.1 采用射流紊流技術(shù)將PM2.5粒子分解為廢氣分子

圖1為噴射器和接收器的組合示意圖，其中：a為接收器前段；b為接收器混合段；c為接收器擴壓段；d1為噴射器出口直徑；d2為接收器前段入口直徑；d3為接收器擴壓段入口直徑；Q1為噴射器出口流量；Q2為接收器引射流量；lc為射流自由流束長度.

流量為Q1的廢氣從噴射器以射流形式噴出，進入接收器；在接收器入口處，因射流的負壓效應(yīng)而吸入引射流量Q2的廢氣.這兩股氣流在接收器混合段b相互作用形成紊流，當(dāng)紊流雷諾數(shù)Re>

4 000時，便有足夠的動能.紊流造成的剪切力和足夠的碰撞截面可使PM2.5顆粒拆離，實現(xiàn)分子化，之后再把分子破鍵分解為原子態(tài).

紊流剝離PM2.5粒子的剪切應(yīng)力與紊流強弱正相關(guān)。紊流是由射流引發(fā)的，此處用射流速度V近似代表紊流速度.假定紊流速度為V，紊流粒子間相對運動速度為2V，相互碰撞的動能必須大于分子團聚的相互作用能U0 ，則從噴射器出口射流而出的廢氣射流速度V應(yīng)滿足

12M（2V）2>10-20J

（4）

式中，M為PM2.5顆粒平均質(zhì)量.

假設(shè)PM2.5顆粒是由100個碳原子團聚而成，則可求出M=1.98×10-24kg.從式（4）求得V>50 m·s-1，因此取V=80 m·s-1可滿足條件.

為了確保PM2.5顆粒完全分解，應(yīng)將射流紊流組合單元進行適當(dāng)?shù)拇⒙?lián)，分n級循環(huán)處理，并使每級混合段的紊流雷諾數(shù)Re>4 000，級數(shù)n由實驗確定.

2.2 采用射流和紅外諧振分解廢氣分子[4]

燃燒源的廢氣分子（CO2、CO、SO2、NO、N2O3等）在一定的溫度下做熱運動，紊流的作用使分子無規(guī)運動加劇，強化了分子間碰撞的破鍵作用.它們在接收器混合段b中，還受到管壁熱輻射的激發(fā).

分子振動的動能

Ek=12M0ω20X20

（5）

式中：X0為鍵振動振幅；M0為廢氣分子鍵振動的折合質(zhì)量.

例如，CO2分子的鍵振動的折合質(zhì)量為M0=1.44×10-26 kg，ω0=4.39×1014 s-1，X0=10-10m，則可求得Ek=1.39×10-17J，顯然Ek>d298（1.79×10-18J），說明鍵諧振已臨近破解狀志，分子碰撞將擊破碳氫鍵.

從另一個角度分析，當(dāng)射流紊流將PM2.5顆粒拆散為分子之后，分子的運動適用分子運動理論，按照能量均分定理，每個分子熱運動速度v滿足

12M′v2=32kT

（6）

式中：M′為分子質(zhì)量；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度.

例如：CO2的M′=1.44×10-26kg，T=473 K，則

v=1 315 m·s-1

在一個大氣壓下，分子間每秒碰撞次數(shù)為108次，顯然每秒鐘都有相當(dāng)高的概率使紊流和熱運動相向迭加發(fā)生對心碰撞.根據(jù)麥克斯韋速度分布率，分子速度為最可幾速度兩倍以上的分子數(shù)占分子總數(shù)5%以上，那么便有5%以上的分子相互碰撞動能達到

Ek=12M0[2（2v+V）]2

（7）

當(dāng)V=100 m·s-1，v=1 315 m·s-1，則Ek=2.15×10-19 J.

由此估算得到的碰撞動能Ek和單個碳氧鍵鍵能在同一數(shù)量級.考慮到表1所給出的是碳氧鍵在25℃時的鍵強度，200℃時鍵強度將減弱；此外，碳氧鍵處于共振激發(fā)態(tài)，高速振動使分子處于離散狀態(tài)，因此在同等數(shù)量級的動能沖擊下碳氧鍵將被破解.

以上分析的5%以上的分子一旦在碰撞中分解，鍵的振動能轉(zhuǎn)化為“碎片”的動能，將以更大的動能沖擊下一個分子，以連鎖反應(yīng)的速度（碰撞頻率大于108次·s-1）發(fā)展下去.所以這種處理廢氣的方法迅速、廉價，而且可自動化進行.

廢氣分子破鍵后，產(chǎn)生的離子或原子仍然在作不規(guī)則熱運動，彼此相互碰撞可能復(fù)合為原來的分子，所以必須采取措施防止已分解的分子發(fā)生逆向復(fù)合.

2.3 防止已分解分子逆向復(fù)合的措施

整個實驗裝置簡稱為MBBS（molecule breaking bond structure）.該裝置分為MBBS-Ⅰ、MBBS-Ⅱ，前者為氣體分子破鍵分解裝置，后者為分解產(chǎn)物的收集裝置.廢氣分子破鍵分解后成為離子，當(dāng)離子高速飛到已接地的器壁——碳素鋼板（Q235）外殼時，離子失去電荷變成原子.原子進入鋼板后，由于碳素鋼為α-Fe體心立方晶體結(jié)構(gòu)，原子可通過其間隙，同時在鋼板外殼的內(nèi)外兩側(cè)又存在壓力差和溫度差，根據(jù)能斯特愛因斯坦擴散理論，原子會向鋼板外側(cè)擴散，直到離開鋼板，進入已設(shè)計好的封閉容器MBBSⅡ內(nèi).由于兩相同原子存在自旋相反電子對量子藕合效應(yīng)，會最終結(jié)合成穩(wěn)定的兩原子氣體分子（H2、O2、N2等）.

廢氣分解過程的反應(yīng)式為

2H2OMBBS-Ⅰ4H++2O2-MBBS-Ⅰ4H+2O

MBBS-Ⅱ2H2+O2；

CO2MBBS-ⅠC4++2O2-MBBS-ⅠC+2O

MBBS-ⅡC+O2；

2NO2MBBS-Ⅰ2N4++4O2-MBBS-Ⅰ2N+4O

MBBS-ⅡN2+2O2.

α-Fe是體心立方晶體結(jié)構(gòu)，晶體常數(shù)a=0.286 63 nm，立方晶體頂點分布Fe原子或Fe離子，氣體原子（C、H、N、O、S）的大小由原子物理公式計算，也有相近的測試數(shù)據(jù)可查，結(jié)果均表明原子（C、H、N、O、S）可穿過α-Fe的間隙，但氣體分子（H2、O2、N2等）比體心立方晶體的間隙大，不能穿過α-Fe，因此可類比化學(xué)中分子篩的概念認為α-Fe是“原子篩”.

已分解的廢氣，在沒有催化劑作用下，或者在溫度低于550℃時，只可能復(fù)合為同原子的雙原子氣體而不可能復(fù)合成不同原子的化合物分子.因此，整個實驗裝置溫度應(yīng)控制在550℃以下，而且要遠離催化劑，便可防止逆向復(fù)合.

3 處理PM2.5粒子和廢氣的測試結(jié)果

圖2為測試裝置示意圖，圖中：q1、q2分別為輸入、輸出端瞬時流量；Q3、Q4分別為20 min內(nèi)輸入、輸出端累積流量.測試過程中，發(fā)動機產(chǎn)生的廢氣經(jīng)由孔板流量計1進入MBBS，該裝置輸出端輸出的廢氣由孔板流量計2計量.測試分為兩組：一組選定發(fā)動機G（單缸汽油發(fā)動機）于2010年1月21日在開平進行測試；另一組選定發(fā)動機D（四缸汽油發(fā)動機）于2010年12月9日在肇慶進行測試.表2為兩組測試數(shù)據(jù)結(jié)果，其中：T1、T2分別為輸入、輸出端廢氣溫度；ρ1、ρ2分別為輸入、輸出端廢氣密度；M1、M2分別為20 min內(nèi)輸入、輸出廢氣質(zhì)量；分解率的定義為（M1-M2）/M1.

從表2可以看出，針對發(fā)動機G測試時，20 min內(nèi)輸入廢氣113.8 kg，輸出廢氣僅30.8 kg，即20 min內(nèi)分解了發(fā)動機G排出的廢氣達83 kg，分解率達73%.針對發(fā)動機D測試時，分解率高達82% .測試結(jié)果顯示，本文設(shè)計的射流、紊流、紅外諧振裝置可分解黑煙、廢氣和PM2.5顆粒，而且已分解的發(fā)動機廢氣可變成單質(zhì)可燃的混合氣體，經(jīng)收集后返回發(fā)動機，不僅可節(jié)能，而且可增加生產(chǎn)能力.進一步改進設(shè)計可以分解更多的廢氣.

測試中，已分解的廢氣變成了離子（H+、O2-、N2+、C4+等）.它們經(jīng)過鋼板外殼，變成了原子（H、O、N、S、C等），可穿過體心立方晶體的間隙逃逸.以發(fā)動機D的測試結(jié)果為例，20 min內(nèi)便處理了廢氣92 kg，而不必另外消耗能量，成本僅為MBBS裝置的折舊成本.本裝置分解1 t廢氣成本小于人民幣10元.測試結(jié)果表明，MBBS裝置處理廢氣不僅廉價、高效，而且處理量大.

4 結(jié)束語

利用氣體射流、紊流、分子紅外諧振共同作用的方法，設(shè)計出一套分解廢氣的裝置.實驗測試結(jié)果表明，該裝置20 min內(nèi)處理發(fā)動機排出的廢氣的分解率最高達82%，且廉價、高效，處理大.這為進一步處理PM2.5粒子和廢氣污染，實現(xiàn)節(jié)能減排提供了一種可行性方案..

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