314 工程科学学报，第42卷，第3期 钢铁行业是国民经济的重要支柱产业，但钢 起关注，过滤方式以其除尘装置体积重量小，滤料 铁行业亦是高能耗高排放的典型行业，其烟气污 多种捕集机制（拦截、碰撞、扩散）对粉尘去除效 染物因排放量大且组分复杂而备受关注，钢铁行 率高的简单易行且高效的优势成为环境领域脱除 业主要烟气污染物包括SO2,NO,PM2.5及挥发性 UFPs研究的热点和焦点.探讨介孔材料高效脱除 有机化合物(VOCs),其中钢铁行业PM2.5排放 UFPs的机制可为提高UFPs过滤脱除效率及多孔 量约占整个工业行业的54%钢铁行业超细颗粒 过滤材料持续改进奠定理论基础，也可为我国钢 物(UFPs)的排放主要集中于煤燃烧阶段，这种超 铁工业超细颗粒物的过程控制、末端治理及钢铁 细模式的颗粒是由煤热解和燃烧过程中的元素蒸 行业烟气颗粒物超低排放控制技术的发展提供一 汽聚集而成，据监测，燃煤超细颗粒几何平均粒径 定的理论指导，具有较好的社会价值与现实意义. 约23.1nm,且数量浓度随时间呈指数增长).超细 1实验与方法 颗粒物因具有吸湿性习和消光性6副，可造成能见 度降低进而引起雾霾天气频繁的发生，并且较小 1.1实验装置 粒径的UFPs容易穿过肺泡进入血液循环危害人 超细颗粒过滤实验系统流程如图1所示，本实 体健康.钢铁行业中，布袋除尘和静电除尘是控制 验系统主要由气体预处理系统，超细颗粒物生成 颗粒物排放的常用技术，而超细颗粒物粒径较小， 器，超细颗粒物过滤器及颗粒物粒径检测仪组成. 其热运动剧烈容易在滤料表面发生热反弹0，并 空气（或氧气）进入空气处理装置后，得到 且粒径越小越难荷电或者越易荷电不充分.近年， 仅含少量水分和尘粒的干洁空气.预处理后干洁 多孔材料如活性炭、活性纤维、金属有机骨架化 空气（或氧气）通过质量流量计进入超细颗粒物生 合物(MOFs)等因具有丰富的孔容和比表面积以 成器.利用电压激发高纯钨丝(=0.5mm)产生钨 去除超细颗粒物得到了广泛的研究.Kim和Pui山 及氧化钨超细颗粒.携带UFPs的气流由两个质量 发现亚30nm颗粒物主要通过布朗扩散沉积在微 流量计控制进入颗粒床过滤器一铜质圆柱形 孔活性炭表面被去除；Givehchi等1使用2mm的 (φ7mm×30mm)超细颗粒物过滤器.颗粒检测系 均匀玻璃珠去除亚100nm颗粒物，发现静电作用 统为扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(SMPS;型号 对去除20nm以上携带更多电荷的颗粒物贡献率 3938,TSL,Inc.),包括静电分级器(EC),电迁移率 达30%：Innocentini等l]发现由于涂抹在碳化硅表 分级器(DMA)和颗粒计数器(CPC).SMPS系统 面的陶瓷纳米线对颗粒物的拦截和扩散作用，使 具有较高精度，可直接测量粒子的数量浓度而 得陶瓷纳米线材料对10~300nm的NaCI颗粒物 不依赖于粒子的折射率，具有极宽的粒径范围 去除率从10%提高至95%.目前，针对不同孔径的 (1~1000nm)及极高的数量浓度范围(10？cm3) 介孔材料去除UFPs的研究并不多见 由电压激发的多分散性UFPs首先进人静电分级 综上，钢铁行业排放烟气中UFPs的治理需引 器，内置的中和器将UFPs的电荷调整为稳定的玻 Air Clean air /Oxygen Oxygen UFPs generator SMPS 图1超细颗粒过滤实验系统流程示意图 Fig.I Schematic diagram of the experimental setup for particle removal efficiency measurement system钢铁行业是国民经济的重要支柱产业，但钢 铁行业亦是高能耗高排放的典型行业，其烟气污 染物因排放量大且组分复杂而备受关注. 钢铁行 业主要烟气污染物包括 SO2，NOx，PM2.5 及挥发性 有机化合物（VOCs） [1] ，其中钢铁行业 PM2.5 排放 量约占整个工业行业的 54% [2] . 钢铁行业超细颗粒 物（UFPs）的排放主要集中于煤燃烧阶段，这种超 细模式的颗粒是由煤热解和燃烧过程中的元素蒸 汽聚集而成，据监测，燃煤超细颗粒几何平均粒径 约 23.1 nm，且数量浓度随时间呈指数增长[3] . 超细 颗粒物因具有吸湿性[4−5] 和消光性[6−8] ，可造成能见 度降低进而引起雾霾天气频繁的发生[9] ，并且较小 粒径的 UFPs 容易穿过肺泡进入血液循环危害人 体健康. 钢铁行业中，布袋除尘和静电除尘是控制 颗粒物排放的常用技术，而超细颗粒物粒径较小， 其热运动剧烈容易在滤料表面发生热反弹[10] ，并 且粒径越小越难荷电或者越易荷电不充分. 近年， 多孔材料如活性炭、活性纤维、金属有机骨架化 合物（MOFs）等因具有丰富的孔容和比表面积以 去除超细颗粒物得到了广泛的研究. Kim 和 Pui[11] 发现亚 30 nm 颗粒物主要通过布朗扩散沉积在微 孔活性炭表面被去除；Givehchi 等[12] 使用 2 mm 的 均匀玻璃珠去除亚 100 nm 颗粒物，发现静电作用 对去除 20 nm 以上携带更多电荷的颗粒物贡献率 达 30%；Innocentini 等[13] 发现由于涂抹在碳化硅表 面的陶瓷纳米线对颗粒物的拦截和扩散作用，使 得陶瓷纳米线材料对 10～300 nm 的 NaCl 颗粒物 去除率从 10% 提高至 95%. 目前，针对不同孔径的 介孔材料去除 UFPs 的研究并不多见. 综上，钢铁行业排放烟气中 UFPs 的治理需引 起关注，过滤方式以其除尘装置体积重量小，滤料 多种捕集机制（拦截、碰撞、扩散）对粉尘去除效 率高的简单易行且高效的优势成为环境领域脱除 UFPs 研究的热点和焦点. 探讨介孔材料高效脱除 UFPs 的机制可为提高 UFPs 过滤脱除效率及多孔 过滤材料持续改进奠定理论基础，也可为我国钢 铁工业超细颗粒物的过程控制、末端治理及钢铁 行业烟气颗粒物超低排放控制技术的发展提供一 定的理论指导，具有较好的社会价值与现实意义. 1    实验与方法 1.1    实验装置 超细颗粒过滤实验系统流程如图 1 所示，本实 验系统主要由气体预处理系统，超细颗粒物生成 器，超细颗粒物过滤器及颗粒物粒径检测仪组成. 空气（或氧气 ）进入空气处理装置后 ，得到 仅含少量水分和尘粒的干洁空气. 预处理后干洁 空气（或氧气）通过质量流量计进入超细颗粒物生 成器. 利用电压激发高纯钨丝（ϕ=0.5 mm）产生钨 及氧化钨超细颗粒. 携带 UFPs 的气流由两个质量 流量计控制进入颗粒床过滤器——铜质圆柱形 （ϕ7 mm×30 mm）超细颗粒物过滤器. 颗粒检测系 统为扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（SMPS；型号 3938，TSI，Inc.），包括静电分级器（EC），电迁移率 分级器（DMA）和颗粒计数器（CPC）. SMPS 系统 具有较高精度，可直接测量粒子的数量浓度而 不依赖于粒子的折射率，具有极宽的粒径范围 （1～1000 nm）及极高的数量浓度范围（107 cm−3）. 由电压激发的多分散性 UFPs 首先进入静电分级 器，内置的中和器将 UFPs 的电荷调整为稳定的玻 Clean air /Oxygen Air Oxygen UFPs generator Filter SMPS 图 1    超细颗粒过滤实验系统流程示意图 Fig.1    Schematic diagram of the experimental setup for particle removal efficiency measurement system · 314 · 工程科学学报，第 42 卷，第 3 期