第7章 大气污染治理环境材料

7大气污染治理环境材料7.1大气污染主要类型及危害7.2大气污染治理的技术途径7.3大气污染治理的环境材料本章内容7.1大气污染主要类型及危害本节内容（1）工业污染源火力发电厂、钢铁厂、化工厂和水泥厂等各种工业企业,在原料及产品的运输、粉碎以及制成成品的过程中,都会有大量的污染物排入大气中。（2）生活污染源人们日常燃烧化石燃料,也会排放出大量的烟尘和有害气体物质。另外,生活垃圾由于厌氧分解排出的二次污染物和在焚烧过程中产生的废气都将污染大气。（3）交通运输污染源汽车、飞机、火车及船舶等交通工具燃烧汽油、柴油等燃料排放出大量的尾气。7.1大气污染主要类型及危害7.1.1大气污染的主要类型（1）按照化学性质的类型划分1）还原型还原型的大气污染的主要污染物有CO、硫化物以及粉尘颗粒，这些污染物主要是以石油和煤炭为燃料在燃烧的过程中产生，因此也可称之为煤烟型污染。在阴天的气象条件下，这类污染物在低空聚集，从而出现污染事故。2）氧化型氧化型的大气污染出现的区域多以石油作为主要燃料，其中以汽车尾气的污染为主。石油燃烧产生的一次污染物的成分主要为CO以及碳氢化合物，其受到太阳短光波的催化作用产生化学反应形成三氧化碳和醛类等污染物。这些污染物极不稳定，容易发生氧化，对人体尤其是眼睛有刺激性危害。1）石油型此种大气污染物主要来自于石油化工厂和汽车排放的尾气，主要成分为二氧化氮、链状链烷烃，同时还包含它们在大气环境下的产物。2）煤炭型煤炭燃烧造成的污染主要来自企业和工厂在进行生产加工的过程中煤炭燃烧，以及人们生活中的锅炉、炉灶等设备产生的煤烟。煤炭型大气污染的主要污染物成分为二氧化硫和烟气、粉尘，以及它们在大气环境中发生化学反应的产物。3）混合型此种大气污染主要是由石油和煤炭等燃料燃烧产生的污染物，以及企业在生产过程中排放出来的一些化学物质。这种混合型大气污染的出现最为普遍。4）特殊型一些从事特殊物质生产的企业在生产过程中通常会排放出特殊的具有污染性的气体，如生产磷肥的工厂排放的废气中会存在氟污染。但是此类污染类型多发生在局部区域[2]。7.1.1大气污染的主要类型（2）按照燃料性质的类型划分1）局部地区污染局限于小范围的大气污染，如受到某些烟囱排气的直接影响。2）地区性污染涉及一个地区的大气污染，如工业区及其附近地区或整个城市受到大气污染。3）广域污染涉及比一个地区或大城市更广泛地区的大气污染。4）全球性污染涉及全球范围的大气污染。如温室效应、臭氧层破坏、酸雨等。7.1.1大气污染的主要类型（3）按照大气污染的范围划分7.1.2大气污染的危害（1）对人类健康的危害

污染的大气环境可能会通过人类的皮肤接触以及呼吸系统威胁到人体的健康，污染物侵入人体直接会影响人类的呼吸系统以及肺部的正常功能，甚至损害肝脏，造成人体机能的逐渐退化或者病变。人类长期生活在污染的大气环境中，直接影响到自身的健康，甚至威胁生命安全。1）颗粒物。

粗颗粒物的暴露主要侵害呼吸系统，诱发哮喘病；细颗粒物会进入呼吸系统深部甚至血液循环，降低肺功能，引起心脑血管疾病等。另外，颗粒物表面可以吸附空气中的有害气体、液体以及细菌病毒等微生物，它是污染物质的媒介物，从而加剧对人体健康的危害。2）硫氧化物SO2是大气主要污染物之一，SO2对人的眼结膜和鼻咽部粘膜具有强烈剌激作用。SO2溶于水后易被上呼吸道和支气管粘膜的富水性粘液所吸收，因此，主要作用于上呼吸道和支气管以上的气道，引起慢性阻塞性肺炎(COPD)，加重己有的呼吸系统疾病(尤其是支气管炎)。3）氮氧化物。NOx是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗臭氧(O3)的一个重要因子。4）一氧化碳。高浓度的CO能够引起人体生理上和病理上的变化，甚至死亡。CO是一种能夺去人体组织所需氧的有毒吸入物。大气污染对植物的伤害，通常发生在叶子结构中，因为叶子含有整棵植物的构造机理。最常遇到的毒害植物的气体是：二氧化硫、臭氧、PAN、氟化氢、乙烯、氯化氢、氯、硫化氢和氨。大气中含SO2过高，对叶子的危害首先是对叶肉的海绵状软组织部分，其次是对栅栏细胞部分。大气是在不断的流动变化的，污染的大气会因此而大范围的扩散。地球上的生物中，如果植物长期生存在污染的大气环境中，会降低自身的抵抗力，很容易受到病虫害的侵袭，严重的会使植物停止生长，甚至枯萎死亡。酸雨是大气污染的一种产物，酸雨会对建筑物、人植被、农田、动物的安全和健康造成十分不利的影响。动物如果长期生存在污染的大气环境中，或者以受到空前污染的植物为食，会导致动物生病或者死亡。7.1.2大气污染的危害（2）对植物的危害

大气污染对金属制品、油漆涂料、皮革制品、纸制品、纺织品、橡胶制品和建筑物的损害也是严重的。这种损害包括两方面：一是玷污性损害，不易清洗除去；二是化学性损害。玷污性损害主要是粉尘、烟等颗粒物落在器物表面或材料中造成的，有的可以通过清扫冲洗除去，有的很难除去，如煤油中的焦油等。化学性损害是指由于污染物的化学作用，使器物和材料腐蚀损害。

颗粒物因其固有的腐蚀性，或惰性颗粒物进入大气后因吸收或吸附了腐蚀性化学物质，而产生直接的化学损害。金属通常能在干空气中抗拒腐蚀，甚至在清洁的湿空气中也是如此。然而，在大气中普遍存在吸湿性颗粒物时，即使在没有其他污染物的情况下，也能腐蚀金属表面。7.1.2大气污染的危害（3）对器物和材料的影响1）对大气能见度的影响。大气污染最常见的后果之一是大气能见度降低。一般来说，对大气能见度或清晰度有影响的污染物应该是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体。2）对气候的影响。大气污染对能见度的长期影响相对较小。但是，如果大气污染对气候产生大规模的影响，则其结果肯定是极为严重的。2002年12月中国气象科学研究院的青年科学家依据国外文献中的“GrayHaze”直译为“灰霾”，诞生了“灰霾”一词，而后他们邀请中国科学院地球环境研究所的张小曳研究员，并以马建中和张小曳为代表，于2002年12月15日在北京召开的“我国区域大气灰霾形成机制及其气候影响和预报预测研讨会”上的报告中提出灰霾概念

。7.1.2大气污染的危害（4）对大气能见度和气候的影响7.2.1颗粒物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（1）机械除尘器机械除尘器通常是指利用重力、惯性力和离心力等物理作用使颗粒物从烟气中分离出来的装置，包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置，含尘气流进入重力沉降室后，由于扩大了流动截面积而使气体流速大大降低，使较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。重力沉降室的主要优点有：结构简单，投资少，压力损失小（一般为50~130Pa），维修管理容易。但它的体积大，效率低，因此只能作为高效除尘的预除尘装置，除去较大和较重的粒子。7.2.1颗粒物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（2）湿式除尘器通过水滴与含尘气流的反复接触，利用水滴和颗粒的惯性碰撞及其他作用或使粒径增大后去除颗粒装置，可以有效地将直径为0.1~20μm的液态或固态粒子从气流中除去，同时也能脱除气态污染物。7.2.1颗粒物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（2）湿式除尘器旋风洗涤器是在干式旋风分离器内部以环形方式安装一排喷嘴，喷雾作用发生在外漩涡区，并捕集颗粒，携带颗粒的液滴被甩向旋风洗涤器的湿壁上，然后沿壁面沉落到器底。进水喷嘴也可以安装在旋风洗涤器的入口处，在出口处通常需要安装除雾器。旋风洗涤器适合于处理烟气量大和含尘浓度较高的场合，它可以单独采用，也可以安装在文丘里洗涤器之后作为脱水器。图7.2旋风除尘器7.2.1颗粒物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（2）湿式除尘器文丘里洗涤器是一种高效湿式洗涤器常用在高温烟气降温和除尘上。其结构由收缩管、喉管和扩散管等组成。在文丘里洗涤器中，含尘气体由进气管进入收缩管后，流速逐渐增大，气流的压力能逐渐转变为动能，在喉管入口处，气速达到最大，一般为50~180m/s。洗涤液（一般为水）通过沿喉管周边。图7.3文丘里洗涤器1-消旋器；2-离心分离器；3-文氏管；4-旋转气流调节器；5-排液口7.2.1颗粒物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（3）电除尘器含尘气体在通过高压电场时，利用电离产生活性粒子与尘粒碰撞使尘粒荷电，并在电场力的作用下使荷电尘粒沉积在集尘板上，将尘粒从含尘气流分离出来的一种除尘设备。高压直流电晕是使粒子荷电的最有效办法，广泛应用于静电除尘过程。图7.4电除尘器7.2.1颗粒物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（4）袋式除尘器袋式除尘器又称空气过滤器，属于过滤式除尘器，是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置。主要包括机械振动袋式除尘器、逆气流反吹袋式除尘器、脉冲喷吹袋式除尘器和电袋除尘器等。图7.5带式除尘器7.2.2硫氧化物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（1）燃料脱硫。煤炭洗选：煤炭洗选是利用煤和杂质的物理性质、化学性质的差异，通过物理、化学或微生物分选的方法使煤和杂质有效分离，并加工成质量均匀、用途不同的煤炭产品的一种加工技术。（2）煤炭气化。气化过程以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。（3）煤炭液化。煤炭液化是将煤经化学加工转化成洁净的便于运输和使用的液体燃料、化学品或化工原料的一种先进的洁净煤技术。煤炭液化方法包括直接液化、间接液化和共同液化。（4）燃烧中脱硫。燃烧中脱硫是指煤在炉内燃烧时，石灰石或白云石等细小颗粒的脱硫剂随煤炭一同进入燃烧炉。（5）燃烧后脱硫。燃烧后脱硫即是烟气脱硫，是目前控制燃煤二氧化硫气体排放比较成熟的脱硫技术。按照脱硫剂形态的不同，分为湿法、半干法和干法，其中湿法脱硫是目前应用较广的脱硫工艺[4]。7.2.3氮氧化物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（1）低氮燃烧技术低氮燃烧技术是应用广泛的一种氮氧化物污染控制措施。燃烧过程产生的氮氧化物可分为燃料型氮氧化物、热力型氮氧化物和瞬时型氮氧化物。通过控制燃烧过程温度和炉膛中的氧化还原氛围，在满足燃烧效率的同时，减少热力型氮氧化物的生成，是控制燃烧过程氮氧化物生成的有效手段。该技术简单易行，投资少，方便用于现有锅炉的改造，但NO的降低幅度有限，约为30%左右。目前工业上采用的低氮技术包括低氧燃烧、烟气循环燃烧、分段燃烧、浓淡燃烧技术等。采取低NOx燃烧手段，在一定程度上会对锅炉燃烧经济性产生负面影响。如果氧量控制不当，会造成CO浓度的急剧增加，造成燃烧热损失，同时也会引起飞灰中碳含量的增加，燃烧效率将会降低[16]。7.2.3氮氧化物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（2）选择性催化还原脱硝(SCR)技术SCR法脱硝是在一定的温度和催化剂作用下，利用氨、烃等还原剂选择性地将NOX还原为氮气和水。按照催化剂适用的烟气温度条件，SCR脱硝又可分为高温SCR和低温SCR脱硝两种技术。高温SCR采用钒钛催化剂(五氧化钒为活性组分、二氧化钛为载体、三氧化钨或三氧化钼为助剂)，由于该催化剂的活性温度窗口为450°C～600°C，因此一般采用高尘布置，SCR催化反应器安装在除尘器前。SCR法的脱硝效率可达90%以上，其中NH3-SCR技术较为成熟，目前已在全球范围广泛应用。该方法中锅炉烟气经过除尘脱硫后，可采用更大烟气流速和空速，从而使催化剂的消耗量大大的减少。且使用该方法氨的逃逸量是最少的，并且不会腐蚀构筑物（烟囱采用防腐烟囱），还不会产生SO3，防止二次污染。缺点是一定要设置烟气再热系统，增加了投资和运行成本，且很难找到符合反应条件的催化剂。7.2.3氮氧化物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（3）选择性非催化还原(SCNR)脱硝SNCR法脱硝是通过在炉膛高温区(800°C～1100°C)均匀喷入液氨、氨水或尿素等还原剂，将炉膛中产生的氮氧化物还原为氮气。采用NH3作为还原剂，其主要化学反应为:4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O采用尿素作为还原剂时，其主要化学反应为:2(NH2)2CO+4NO+O2→3N2+2CO2+4H2O6(NH2)2CO+8NO2+O2→10N2+2CO2+12H2O1）液膜法同时脱硫脱硝技术2）等离子法同时脱硫脱硝技术3）固相吸收/再生烟气同时脱硫脱硝技术4）光催化法5）挥发性有机物(VOCs)控制技术分子筛膨润土活性炭7.2.3氮氧化物控制技术7.2大气污染治理的技术途径（4）烟气同时脱硫脱硝7.3.1吸附材料7.3大气污染治理的环境材料7.3.1.1水滑石类材料水滑石类材料（LDHs）是一种碱性固体层状材料，由水滑石、类水滑石以及柱撑水滑石组成，层板是带正电的阳离子，层间是带负电的阴离子[21]。其典型代表是Mg6Al2(OH)16CO32+·4H2O，具有类似于水镁石[Mg(OH)2]的正八面体结构，中心为Mg2+，六个顶点为OH-。目前，水滑石类材料在环境催化领域中的应用研究主要集中在氮氧化物和硫氧化物的选择性催化还原研究。7.3.1吸附材料7.3大气污染治理的环境材料7.3.1.2环境矿物材料环境矿物材料的诞生,在很大程度上得益于天然矿物所具有的良好基本性能。环境矿物材料的基本性能是多种天然矿物对污染物净化机理与净化功能的体现,也是污染物的矿物处理方法的关键所在。天然矿物对污染物的净化功能主要体现在矿物表面吸附性作用与矿物吸附剂、矿物孔道过滤性作用与矿物过滤剂和分子筛、矿物层间离子交换作用与矿物交换剂、矿物热效脱硫除尘作用与矿物添加剂等方面。7.3.1吸附材料7.3大气污染治理的环境材料7.3.1.2环境矿物材料（1）燃煤烟尘污染与现行治理方法（2）环境矿物材料固硫剂（3）环境矿物材料除尘过滤器（4）环境矿物材料脱硫除尘喷洒剂（5）天然矿物热效应作用（6）其他吸附材料7.3.2过滤材料7.3大气污染治理的环境材料7.3.2.1多孔陶瓷滤料多孔型过滤材料主要用于空气净化以及风机、压缩机、发动机等排气的后处理。多孔陶瓷是一种新型的功能材料，结合了多孔材料的高比表面积和陶瓷材料的物理、化学稳定性，具有一定尺寸和数量的孔隙结构。多孔陶瓷通常孔隙度较大，孔隙结构作为有用结构存在，使得其具有化学性质稳定、渗透率高、强度大、热稳定性好、再生性强等优点，因此多孔陶瓷日益成为一种重要的环境材料[28]，目前应用较多的有微孔碳化硅陶瓷滤料、硅藻土基陶瓷滤料、粉煤灰基陶瓷滤料。7.3.2过滤材料7.3大气污染治理的环境材料7.3.2.2纤维过滤材料（1）耐腐蚀滤料（2）耐高温、超高温滤料（3）抗水拒油滤料（4）抗静电滤料（5）聚酰亚胺纤维除尘过滤材料7.3.2过滤材料7.3大气污染治理的环境材料7.3.2.3金属及复合型过滤材料金属在导热性、强度、韧性等方面相比陶瓷材料都具有很大优越性，已成功应用在制造净化汽车尾气的三元催化载体。目前研究较多的结构形式主要是泡沫合金以及金属丝网和金属纤维毡。泡沫合金是三维网络骨架的材料，最早应用于碱性电池电极的制造。多年之前日本住友电工公司用这种泡沫合金来制备微粒过滤体。最初采用的过滤材料是泡沫镍，但镍的抗蚀性差，为提高其在含硫气氛和高温环境中的抗蚀性，后采用耐热耐蚀的高温合金Ni-Cr-Al和Fe-Cr-Al，合金表面生成的牢固结构