روش های کنترل ذرات معلق - قسمت اول

۱ - ذرات معلق

ذرات معلق گرچه تنها 9 درصد كل جرم آلاينده هاي توليد شده توسط بشر را تشكيل مي‌دهند. اما خطرات ايجاد شده توسط آنها بسيار بيشتر از اين درصد است .

ذرات معلق هوا با قطر 10 میکرومتر  تنها حدود يك پنجم جرم ذرات معلق را تشكيل مي‌دهد، اما پتانسيل خطر اين نوع ذرات قابل توجه است. براي مثال تاثير آن ها در مشكلات ريوي افزايش واكنش هاي شيميايي جو ، كاهش قابليت رويت ، افزايش امكان ريزش هاي جوي مه و ابرها ، كاهش تشعشعات خورشيدي ، همراه با تغييرات دماي محيطي و نرخ رشد بيولوژيكي قابل توجه است .

در هر يك از موارد فوق‌الذكر، تاثير ذرات بستگي  به اندازه و غلظت آنها در محيط دارد و تا  حدودي متاثر از تركيب شيميايي و خصوصيات فيزيكي آنهاست.

بطور كلي ذرات معلق هوا ابعاد mµ 500-001/0 دارند و بيشترين اين ذرات داراي ابعاد 10-1/0 ميكرومتر هستند. ذرات زيرmµ 1/0 رفتاري شبيه مولكولها دارند و حركات راندوم كه باعث جمع شدن آنها با ملكول هاي گاز مي شود از ويژگي هاي آنهاست . ذرات بزرگتر از 1 و كوچكتر از 20 ميكرومتر تابع حركات گاز هستند. ذرات بزرگتر از 20 ميكرومتر قابليت رسوب زيادي دارند. 

شكل 1 ابعاد ذرات ناشي از مواد مختلف را نشان ميدهد كه اندازه‌اي بين2-10 تا 102 دارند. در قسمت پائين شكل مذكور انواع دستگاه هاي حذف ذرات در اندازه هاي مختلف را نشان مي دهد. گاهي اوقات اين اطلاعات گمراه كننده هستند.

براي مثال، جمع آورنده ذره اي كه مي‌تواند تعداد زيادي ذرات را با بازدهي 100 درصد حذف كند، ممكن است براي حذف ذرات با ابعاد كوچكتر داراي بازدهي نزديك به صفر باشد. 

مشخصه هاي ذرات عبارت است از : 

۱- شكل ذرات :

بر روي سرعت ته نشيني (از نظر مقاومت در مقابل سيالي كه در آن غوطه ور است)، پراكنش نور، بارگذاري الكتريكي و سميت تاثير مي گذارد. با وجود آنكه در اكثر تئوري ها، ذرات كروي در نظر گرفته مي شوند، اما درصد كمي از آنها كروي هستند و اين امر باعث ايجاد خطا هنگام ارزيابي سطح يا حجم ذره، خصوصاً هنگام ظاهر شدن با توان2 يا 3 در روابط، خواهد شد. 

۲- اندازه ذرات :

روش هاي متعددي براي تعيين اندازه ذرات وجود دارند. مثلاً در ميكروسكوپ اندازه ذره، فاصله بين دو خط مماس در دو طرف ذره است. روش ديگر تعيين اندازه ذرات تعيين قطر ذره، محاسبه قطر در سطحي برابر با سطح ذره يا قطره دايره‌اي با محيطي مشابه محيط ذره مورد نظر است. از روش هاي ديگر مي‌توان به، تعيين حداكثر و حداقل ابعاد ذره و استفاده از قطرهاي آئروديناميكي و قطر استوكس اشاره كرد. 

۳- دانسيته :

ذرات بسته به منشاء توليد آنها داراي دانسيته هاي مختلفي هستند. طيف دانسيته ذرات از مقادير كم (خاك اره و خاكستر) تا مقادير زياد (مواد معدني ) گسترش دارد. 

۴- شاخص پراكنش نور 

۵- غلظت 

۶- ثابت دي الكتريك :

توان قطبي شدن ذره بنام ثابت دي الكتريك گفته مي شود كه با K نشان   مي دهند و در دماي مشخص ثابت است. 

۷- توزيع اندازه ذرات :

بازدهي حذف ذرات توسط دستگاه هاي كنترل، رابطه مستقيم با ابعاد آنها دارد. به منظور تعيين بازدهي سيستم كنترل، ذرات را طبقه‌بندي‌كرده و براي هر‌ دسته يك قطر ميانگين درنظر مي‌گيرند. سپس درصد جرمي را به دست آورده و بازدهي را براي حذف هر كدام محـاسبـه و بازدهي كل حذف ذرات در دستگاه مورد نظر، تعيين مي‌شود.

 شكل 1- ويژگيها و توزيع ذرات

۲- توزيع ذرات 

توزیع ذرات ميانگين غلظت ذرات بر حسب جرم بر واحد حجم مهم است. چنين توزيع ذراتي براي يك اتمسفر مشخص در ‌جدول 1مشاهده ميشود. اطلاعات موجود در جدول نشان مي‌دهد كه ذرات بين 5-1 ميكرومتر از نظر درصد حجمي تنها 3 درصد را تشكيل مي دهند در حاليكه از نظر تعداد بيش از تمام ذرات در گروه هاي ديگر هستند.

ذرات در اين محدوده قادر به ورود به شش ها هستند. از نقطه نظر بهداشتي پائين آوردن تمام گرد و غبارهاي اتمسفري در محيط بشري مسئله نيست بلكه كاهش ذرات با اندازه كوچك ولي تعداد بسيار زياد داراي اهميت است.

بطور كلي ذرات آتمسفري كمتر از يك ميكرون با پديده قطره شدن گازهاي احتراقي هنگام كاهش دما، توليد مي شوند ولي ذرات بزرگتر ناشي از فرآيندهاي مكانيكي نظير خرد كردن يا پودركردن مواد يا بر اثر احتراق حاصل مي شوند.

فرآيندهاي مكانيكي مي توانند خاكستر يا ذرات سوخت با قطر 1 ميكرومتر يا بزرگتر ايجاد كنند. فرآيندهاي خرد كردن به صورت خشك به ندرت در تشكيل ذرات كوچكتر از چند ميكرون دخالت دارند. 

صنايع عمده توليد كننده ذرات در جدول 2 مشاهده مي‌شود. در اين جدول فرآيندهاي توليد ذرات معلق و روش هاي كنترل آنها ذكر شده است. 

جدول 1 : توزيع ذرات برحسب اندازه،  تعداد و درصدحجمي‌در يك نمونه هواي آتمسفري

جدول 2 : فرآيندهاي صنعتي و خلاصه‌اي از روش هاي كنترل

بهترین راه براي جلوگيري از آلودگي هوا ي ناشي از صنايع ، كنترل فرآيندهاست . هنگامي كه فرآيندها و سيستم هاي كنترل بطور موثر از تشكيل و تخليه آلاينده هاي هوا جلوگيري نمايند، دستگاه هاي پاكسازي گازها و ساخت دودكش هاي بلند براي رقيق سازي بهتر آلاينده ها غير ضروري به نظر ميرسد.

راهكار‌هاي كلي زير براي كاهش آلاينده هاي هوا پيشنهاد مي شوند: 

1. دستگاههاي كنترل و پاكسازي آلاينده ها 
2. تغيير مكان منابع آلاينده 
3. جانشين كردن سوخت 
4. تغيير فرآيندها 
5. راهبري خوب عمليات صنعتي
6. تعطيل كردن منابع آلوده ساز
7. پراكنده نمودن آلاينده 

۳- مكانيسم هاي جمع آوري ذرات 

شش مكانيسم عمده براي جمع آوري ذرات وجود دارد كه به شرح زير است : 

1. ته نشيني ثقلي (gravitional settling) 
2. تاثير سانتريفوژي (Centrifugal impaction)
3. به دام افتادن در اثر سكون( Inertial impaction)
4. بازداري مستقيم ( direct interception)
5. نفوذ (diffusion)
6. اثر الكترواستاتيك(electrostatic effect) 

يك يا چند مكانيسم فوق در برخي از دستگاه هاي كنترل ذرات كه در اين فصل به آنها اشاره مي شود دخالت دارند. پديده هايي نظير نيروهاي ثقلي‌، سانتريفوژي و الكترواستاتيك كاملاً شناخته شده است.

در اين مرحله بهتر است تمايز دقيق بين مكانيسم هاي به دام افتادن در اثر سكون، بازداري مستقيم و نفوذ مورد بررسي قرار‌گيرد. در‌ شكل 2 سه مكانيسم به طور ساده نشان داده شده است. 

شکل 2 : سه مكانيسم حذف مكانيكي ذرات. الف)به دام افتادن در اثر سكون. ب) بازداري مستقيم. ج) نفوذ

ذرات در مسير جريان گاز تقريباً با همان سرعت گاز حركت مي‌كنند. به دليل سبكي زياد، گاز در جهت جريان خود از كنار موانعي كه در مسير آن قرار گرفته عبور مي‌كند. ذرات با جرم بيشتر نسبت به ملكولهاي گاز در مقابل تغيير حركت مقاومت نشان مي‌دهند.

ذرات بزرگتر تمايل كمتري براي تغيير جهت خود در جريان گاز دارند. به دام افتادن در اثر سكون كه در شكل 2(الف) نشان داده شده، مكانيسم حذف ذرات بزرگتر است كه در اطراف يك ذره بازدارنده حركت مي كند.

در اين مكانيسم حتي در صورتيكه جريان گاز و ذرات كوچكتر موجود در آن، ذره بازدارنده را دور بزنند و مسير خود را تغيير دهند، ذرات بزرگتر در همان مسير خود باقي مي‌مانند و با مانع جمع‌آورنده برخورد مي‌كنند. 

در مكانيسم بازداري مستقيم كه در شكل 2 (ب) نشان داده شده، برخي از ذرات كوچك حتي آنهايي كه تمايل به انحراف در مسير خود دارند و به دنبال خط جريان ، مانع را دور مي زنند، با ذره بازدارنده برخورد مستقيم پيدا مي‌‌كنند.

اين پديده به آن دليل رخ مي دهد كه خطوط جريان هوا تمايل به همگرايي دارند و شعاع ذره بزرگتر از فاصله بين خطوط جريان و عامل بازدارنده است و لذا ذره به عامل بازدارنده مستقيماً برخورد مي كند. 

در جمع آوري با مكانيسم نفوذ كه شكل 2 (ج) آنرا نشان مي دهد، ذرات بسيار ريز ( معمولاً كمتر از 1ميكرومتر ) به جمع آورنده برخورد مي‌كند. اين برخورد بدليل حركات ملكولي تصادفي(براونين) يا نفوذ رخ ميدهد.

گاهي بهتر است ذرات بازدارنده با برخي مواد چسبنده پوشش داده شود تا ذرات كاملاً به دام بيافتند و پس از برخورد مجدداً پرتاب نشده و به جريان گاز برنگردند. پوشش ذرات بازدارنده، باعث ميشود كه ذراتي كه به كمك بازدارنده ها از جريان گاز جدا شده اند با برخورد ذرات بعدي از هدف جدا نشده و دوباره به جريان گاز برنگردند.

توده شدن ذرات، مكانيسم ديگري براي بهبود بازدهي جداسازي است . با اين تكنيك ، ميانگين اندازه ذره افزوده شده و جمع آورنده هايي با جريان رو به پائين فرصت بهتري براي حذف آلودگي دارند. ذرات گاهي توسط جاذبه بين ملكولي « دوسره» به صورت توده درمي آيند اما اغلب توسط دستگاه هاي اولتراسونيك و الكترواستاتيك اين جاذبه بوجود مي‌آيد و توده شدن انجام مي شود. 

این مقاله ادامه دارد ...