3.2　粉塵的物理、化學(xué)性質(zhì)

大氣顆粒物幾乎包含了自然界存在的所有元素。

郭璇華（2005）等用ICP-MS方法分析了大氣顆粒物中的無(wú)機(jī)元素，研究了部分污染元素在不同粒徑顆粒中的富集特征以及不同季節(jié)的濃度變化。經(jīng)過(guò)分析，樣品中共檢出了無(wú)機(jī)元素58種，其中濃度較高的元素是K、Ca、Na、Mg、Al、Si、Fe、Ba、Zn、Cu、Pb、P、Ti、V、As、Sr、Cr、Mn、Ni等。檢出的元素中，與人類(lèi)污染活動(dòng)相關(guān)的元素主要是As、Pb、Zn、Se；典型的地殼元素是Ti、Al、Si、P、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe，其中K和V元素與燃料的燃燒也有一定的關(guān)系。

3.2.1　粉塵的物理性質(zhì)

粉塵的物理性質(zhì)包括粉塵的密度、磨損性、黏結(jié)性以及荷電性等^［7，10］。

（1）粉塵的密度　由于粉塵與粉塵之間有許多空隙，有些顆粒本身還有孔隙，所以粉塵的密度有：真密度、堆積密度、假密度（或稱(chēng)有效密度）。

①真密度　不考慮粉塵顆粒與顆粒間空隙的顆粒本身實(shí)有的密度。若顆粒本身是多孔性物質(zhì)，則它的密度還分為兩種：a.考慮顆粒本身孔隙在內(nèi)的顆粒物質(zhì)，在抽真空的條件下測(cè)得密度，稱(chēng)為真密度；b.包含顆粒本身孔隙在內(nèi)的單個(gè)顆粒的密度稱(chēng)為顆粒密度，又稱(chēng)為視密度。對(duì)于無(wú)孔隙顆粒，真密度和顆粒密度是一樣的。粉塵顆粒的真密度決定含塵氣體在除塵器和管道中的流動(dòng)速度。

②堆積密度　粉塵的顆粒與顆粒之間有許多空隙，在粒群自然堆積時(shí)，單位體積的質(zhì)量堆積稱(chēng)為堆積密度。計(jì)算粉塵堆積容積時(shí)都用它。

③假密度　假密度是粉塵顆粒質(zhì)量與它所占體積之比。這個(gè)體積包括顆粒內(nèi)閉孔、氣泡、非均勻性等。光滑、單一的初始狀顆粒所具有的假密度與真密度視為一致。有些粉塵如煙塵飛灰、炭黑、金屬氧化物等，其真密度要比假密度大，比其堆積密度值可能大幾倍。

（2）磨損性　粉塵對(duì)器壁的磨損問(wèn)題是很?chē)?yán)重的，這種磨損有兩類(lèi)，粒子直接沖擊器壁所引起的磨損和粒子與器壁摩擦所引起的磨損，這是一種微切割作用，所以器壁用硬度高的材料為宜。一般粗塵以后者為主，而細(xì)粒塵則前者占相當(dāng)比例。此外，塵粒與器壁材料的硬度差別也很重要：塵粒比鋼較軟時(shí)，磨損不嚴(yán)重；當(dāng)塵粒的硬度是鋼的1.1～1.6倍時(shí)，磨損最嚴(yán)重。粉塵的磨損性還與其速度的2～3次方成正比。氣流中粉塵濃度大，對(duì)器壁（如管道）的磨損性也大。

（3）粉塵的黏結(jié)性　塵粒之間由于互相的黏結(jié)性而形成團(tuán)聚，是有利于分離的。顆粒與器壁間也會(huì)產(chǎn)生黏結(jié)效應(yīng)，這對(duì)除塵器設(shè)計(jì)十分重要^［7，11］。

粉塵顆粒間的黏結(jié)力主要有：①分子力即分子或原子間的作用力，也稱(chēng)為范德華力，實(shí)際是一種吸附力；②毛細(xì)黏附力，粉塵顆粒含有水分時(shí)，互相吸著的顆粒間由于毛細(xì)作用而生成“液橋”使顆粒互相黏結(jié)的力；③顆粒荷電后產(chǎn)生的靜電吸力，在電場(chǎng)中，此力是主要的，而無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，可忽略不計(jì)。粉塵的黏結(jié)性和粉塵的含水、溫度、粒度、幾何形狀、化學(xué)成分等有關(guān)。粉塵黏結(jié)性的強(qiáng)弱可用黏結(jié)力表示。各類(lèi)粉塵的黏結(jié)性按黏結(jié)強(qiáng)度分類(lèi)見(jiàn)表3-2。

粉塵的黏結(jié)性直接影響管道冷卻器和除塵器的堵塞和結(jié)垢情況，所以遇到黏結(jié)性大的粉塵，必須考慮采用相應(yīng)的技術(shù)措施，避免堵塞和結(jié)垢的發(fā)生。使用袋式除塵器處理黏結(jié)性強(qiáng)的粉塵，應(yīng)適當(dāng)增加清灰次數(shù)和清灰強(qiáng)度，避免濾袋黏附粉塵。

（4）粉塵的荷電性　粒子與粒子間的摩擦、粒子與器壁間的摩擦都可能使粒子獲得靜電荷。在氣體電離化的電場(chǎng)內(nèi)，粒子會(huì)從氣體離子獲得電荷，較大粒子是與氣體離子碰撞而得電荷，微小粒子則由于擴(kuò)散而獲得電荷。粒子的荷電性對(duì)于纖維層過(guò)濾及靜電除塵是很重要的^［7］。

3.2.2　粉塵的化學(xué)性質(zhì)

（1）粉塵的成分　粉塵的成分十分復(fù)雜，各種粉塵均不相同。所謂粉塵的成分主要是指化學(xué)成分或形態(tài)。化學(xué)成分常影響到燃燒、爆炸、腐蝕、露點(diǎn)等，形態(tài)也影響到除塵效果等。

（2）粉塵的水解性　一些如硫酸鹽、氯化物、氧化鋅、氫氧化鈣、碳酸鈉等粉塵易吸收煙氣中水分而水解，從而增加粉塵的黏結(jié)性，對(duì)除塵設(shè)備正常工作不利。粉塵的水解是粉塵的化學(xué)反應(yīng)，使其變黏、變硬，形成袋式除塵器的糊袋現(xiàn)象，甚至使除塵器失效。

（3）粉塵的潤(rùn)濕性　液體對(duì)粉塵顆粒的潤(rùn)濕程度取決于液體分子對(duì)顆粒表面的作用。固-液-氣三相交界處的表面張力作用如圖3-4所示，交界點(diǎn)A處的作用力達(dá)到平衡時(shí)^{［7，11-15］}，其表達(dá)式為：γ_lacosθ+γ_sl=γ_sa或者。θ角越小，被潤(rùn)濕的固體表面就越大，亦即表面張力γ_sl越小的液體，對(duì)顆粒越易濕潤(rùn)。幾種典型液體的表面張力見(jiàn)表3-3。

不同的固體表面對(duì)同一液體的親和程度不同，如：汞-金屬的θ=145°，而汞-玻璃θ=140°；水-石蠟θ=105°，而水-玻璃的θ接近0，即可充分潤(rùn)濕。當(dāng)θ=0°～90°時(shí)為可濕潤(rùn)，大于90°時(shí)為憎水性。

顆粒的潤(rùn)濕性還與顆粒的形狀及大小有關(guān)，球形顆粒的潤(rùn)濕性比不規(guī)則顆粒要小，顆粒越小親水能力就越差。顆粒表面粗糙也不易潤(rùn)濕。將水加熱到接近70℃時(shí)，能最有效地潤(rùn)濕顆粒，這對(duì)濕式除塵是有利的。

潤(rùn)濕（wetting）是固體界面由固-氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液界面的現(xiàn)象^［11-15］。而潤(rùn)濕性（wettability）是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性。固體的潤(rùn)濕性用接觸角表示，當(dāng)液滴滴在固體表面時(shí)，因潤(rùn)濕性不同可出現(xiàn)不同形狀。液滴在固液接觸邊緣的切線(xiàn)與固體平面間的夾角稱(chēng)為接觸角。

顆粒物的吸濕性是指顆粒表面吸附水分的現(xiàn)象，針對(duì)水溶性的藥物粉體，是指在增加周?chē)h(huán)境RH（相對(duì)濕度）時(shí)顆粒物的吸水性能。在相對(duì)濕度較低的環(huán)境下，顆粒幾乎不吸濕，而當(dāng)相對(duì)濕度增大到一定值時(shí)，吸濕量急劇增加，一般把這個(gè)吸濕量開(kāi)始急劇增加的相對(duì)濕度稱(chēng)為臨界相對(duì)濕度。

對(duì)于潤(rùn)濕性好的親水性粉塵（如水泥、石灰、鍋爐飛灰、石英粉塵等），可選用濕式洗滌除塵。對(duì)于潤(rùn)濕性差的疏水性粉塵（如石墨、煤粉、石蠟等），可在水中加入某種浸潤(rùn)劑（如皂角素等），以增加粉塵的疏水性。

（4）粉塵的爆炸性^［7］　有些一定濃度的粉塵遇到明火、放電摩擦、高溫等作用，在氧氣充足的條件下具有爆炸性。粉塵的爆炸性可分為兩類(lèi)：①漆霧、天然樹(shù)脂、鋅粉、肥皂粉、炭黑、香料、合成賽璐珞等含灰分多的，堆積時(shí)不可能燃燒，只在高溫長(zhǎng)期作用下發(fā)生燃燒，但不是爆炸；②濃度低、含灰分少的，堆積時(shí)不易燃燒，但懸浮物卻易燃而發(fā)生爆炸。按爆炸性強(qiáng)弱排序?yàn)椋杭?xì)木屑、軟木粉、細(xì)糖粉、細(xì)合成樹(shù)脂粉、螢石粉、麥芽粉、合成橡膠粉、淀粉、植物纖維等。

各種粉塵發(fā)生爆炸的最低質(zhì)量濃度不同，如褐煤粉為6～8g/m³，木屑為12g/m³，鋁粉為7g/m³，合成橡膠粉為8g/m³。粉塵爆炸所需的最低氧體積分?jǐn)?shù)（%）各不相同，如褐煤粉為14%，焦炭粉為16%，木屑、合成樹(shù)脂為5%，硫黃粉為10%。可燃粉塵爆炸極限見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。