Коричневый цвет -- цвет окислившегося железа: человек обитает где-то у металлургического завода; синий -- это кубовый краситель: клиент -- сосед анилино-красочного производства; серый -- цвет окиси алюминия; зеленый -меди. Над каждым заводом облако своей пыли.
Как же изловить сверхлетучую пылинку? Снизить бы вязкость воздуха! Но этого мы не умеем, а если и умели, не стали бы применять этот способ. Через атмосферу, лишенную вязкости, нас атаковал бы дождь мелких метеоритов.
Может быть, поможет химия? Представьте себе какое-то очень дешевое микропенистое или микропористое активное вещество, через которое газ проходит легко, а все частицы задерживаются. Загрязнился этот очиститель -- его убрали вместе с пылью. Но для этого он должен быть крайне дешевым...
На любой ТЭЦ горячий воздух, газы, дым проходят через дымосос. Там вращается ротор -- большое колесо, как у водяной мельницы. Взгляните, до какого блеска отполированы его лопасти. Это сделала тончайшая зола.
Я видел фотографии газовых потоков, возникающих между лопастями ротора. Вот гаа поток газа и частичек золы набегает быстро вращающийся ротор. Зола ударяется о его лопасти, скользит по металлу, как бы полирует его. Лопасти быстро срабатываются. Местами они утоньшаются до толщины бумажного листа. Были попытки использовать соударения пылинок и лопастей ротора для осаждения пыли, но сводились они к прикреплению на лопастях разных ловушек, лабиринтов и изгибов -- всего того, что пагубно сказывается на коэффициенте полезного действия дымососа. И все же заставить дымосос по совместительству вылавливать частицы золы-- задача разрешимая.
Возможных решений -- множество. Но в идеале нужен совершенно универсальный и эффективный абсолютный пылеуловитель, сокращенно АПУ, Он должен не бояться высокой температуры, иметь ничтожное сопротивление воздуху, не требовать больших затрат электроэнергии, не загрязнять водоемы пульпой, иметь удобное устройство для извлечения уловленной пыли. Задача такого АПУ -- ловить, ловить и ловить пыль. Магнитную и немагнитную, грубую и тонкую, электропроводную и изоляционную, гладкую и пушистую. АПУ ждут. На него надежда проектировщиков домен, конвертеров и химических реакторов.
Изобретательские предложения нужны остроумные, с элементом неожиданности, но не скороспелые. Надо помнить не только об эффективности пылезадержания, но и об экономике. Иначе можно прийти к абсурдным конструкциям. Например, один француз предложил нагнетать дым в многокилометровый подземный тоннель с тем, чтобы он фильтровался через слой земли и выходил очищенным наружу через мельчайшие поры. Было также высказано предложение надевать на дымовую трубу большой валяный сапог. Слов нет, и первая, и вторая конструкции работоспособны. Но во что обойдется прокачка газа через землю и как часто придется менять прогоревшие валенки?!
И еще. Встав на путь изобретательства, любой новатор обязательно должен ознакомиться не только с технической литературой по избранному направлению, но и начать регулярный просмотр "Бюллетеня изобретений и товарных знаков". Правда, там публикуются только чертежи и формулы изобретений, но зачастую этого достаточно для того, чтобы узнать, как развивается данная отрасль техники.
Словом, не изучив вопроса, изобретать лучше не браться. Девятьсот девяносто девять шансов из тысячи, что вы пойдете уже хоженым путем.
Борьба с промышленным загрязнением атмосферы стала осознанной необходимостью миллионной армии инженеров. Дают свои предложения Всесоюзный научно-исследовательский институт охраны труда, Научно-исследовательский институт очистки газов, Всесоюзный НИИ санитарной техники и еще множество НИИ, КБ и ОКБ. В Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР одна за другой поступают заявки на. фильтры для газов, на новые бездымные способы производства. И комитет, и технические советы предприятий с особым вниманием подходят к работам, посвященным охране окружающей среды.
Автор ставит перед собой задачу -- помочь новаторам сориентироваться в потоке информации, посвященной пылеулавливанию и газоочистке, уберечь от ошибок, которые неизбежны, если за дело берется неспециалист, и тем не менее привлечь и их к работе по охране атмосферного воздуха. Ведь самые оригинальные идеи, позволяющие решить вопрос, стоящий перед специалистами многие и многие годы, зачастую рождаются у исследователей, работающих в других отраслях науки и техники, свободных от целого ряда "цеховых" предрассудков.
ЛОВЦЫ ПЫЛИНОК
ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЬ ?
Английский ботаник Роберт Броун, наблюдая под микроскопом движение цветочной пыльцы в воде, подумал, что перед ним микроорганизмы. Пылинки, как живые существа, суетились, расталкивая друг друга. Он нагрел воду до температуры, при которой никакая жизнь невозможна, и с удивлением увидел, что движение пылинок осталось прежним. Ученый решил исследовать поведение тонкодисперсной пыли в воздухе, заключенном в сосуд. Пляска частиц продолжалась. Позже стало понятно, что пылинки движутся под влиянием молекул окружающей среды. В честь первооткрывателя это явление назвали броуновским движением.
Так был сделан основополагающий вклад в физику, и в частности в теорию пылеулавливания, с которой читателю хотя бы вкратце нужно ознакомиться. Прежде всего уточним, что такое пыль? Пыль -- это мельчайшие твердые вещества, витающие в воздухе или промышленных газах.
Наиболее распространена та, с которой мы боремся в обиходе и которую поднимаем на дорогах. С ней, кстати, труднее всего бороться, но она и наименее вредна. Прочая -- это те неуловимые 10%, о которых я упоминал раньше,-основной враг и предмет данного разговора.
По происхождению пыль делится на органическую -- из растительных материалов, неорганическую -- из металлических, минеральную и смешанную. Взвешенные частицы пыли значительно отличаются от родственного вещества в нераздробленном состоянии, и соответственно меняются их взаимоотношения с окружающей средой. Пыль различается по удельному весу, форме, электрозаряженности, воспламеняемости, способности поглощать, или адсорбировать, разные вещества и другим физико-химическим свойствам.
Для определения состава пыли и содержания ее в воздухе или газах необходим химический анализ. Пыль классифицируется по размерам частиц --фракциям, которые измеряются в микрометрах. Степень измельчения частиц пыли называется дисперсностью. Отсюда и специальные термины: дисперсионная среда -- газы или воздух, дисперсная фаза -- взвешенные частицы, вся система -- аэродисперсная, или аэрозоли.
Всем нам известный туман -- это не что иное, как аэрозоль из мельчайших частиц жидкости; дым -- из мельчайших твердых частиц. Пыль же -- это грубодис-персная аэрозоль.
Вы смололи кофе и немного просыпали его -- воздух сразу наполнился ароматом: это вы вдохнули кофейную аэрозоль. Кроме удовольствия, вы ничего от этого иметь не будете. Но есть ведь пыль железная, медная, чугунная, алюминиевая, цементная, кварцевая, асбестовая, наждачная, свинцовая, цинковая... Постоянно, а во многих случаях круглосуточно работают заводы, фабрики, шахты. Там идут помол, дробление, истирание, бурение. Там сжигают, обжигают, плавят, сушат, возгоняют и т. д. и т. п. А в результате в воздухе появляются вредные туманы, пыль, дымы. Частицы, их составляющие, тем вредней, чем больше дисперсность пыли. Ведь при этом увеличивается суммарная поверхность раздробленного вещества, и оно куда активней вступает в химические реакции, у него становится больше объемных электрических зарядов, идет повышенное поглощение газов.
От дисперсности пыли зависит и оседание ее частиц. Крупные частицы оседают быстрее. На частицы размером 0,1--1 микрометр (мкм) оказывают влияние воздушные тепловые потоки и броуновское движение, и они гораздо дольше находятся во взвешенном состоянии.
Каждая взвешенная в воздухе частица подвергается действию противоположно направленных сил -- силы тяжести и силы трения частицы о воздух при ее падении. При определенных значениях удельного веса, размера и формы частицы сила трения может уравновесить силу, тяжести и падение ее будет продолжаться с постоянной скоростью по закону Стокса.
При движении частиц в воздухе происходит их столкновение, при этом отдельные частицы высокодисперсной пыли соединяются (коагулируют) в более крупные частицы.
Сближение частиц, приводящее к их столкновению, может быть самопроизвольным (самопроизвольная коагуляция) и вынужденным (вынужденная коагуляция).
Самопроизвольная коагуляция может быть обусловлена одним лишь тепловым (броуновским) движением частиц (тепловая или броуновская коагуляция) или одними лишь электрическими силами, действующими между заряженными частицами при отсутствии внешнего электрического поля (самопроизвольная электрическая коагуляция).
Вынужденная коагуляция обусловлена внешними силами, действующими на частицы высокодисперсной пыли, К ней относится ультразвуковая, аэродинамическая, турбулентная и вынужденная электростатическая коагуляция, обусловленная действием внешнего электрического поля.
Однако не всякое столкновение частиц ведет к их коагуляции. Это объясняется тем, что на поверхности высокодисперсных частиц имеется слой адсорбированного газа, который сильно мешает их слипанию. Если же притяжение частиц все-таки происходит, то получается слабое сцепление их с образованием очень непрочного хлопьевидного агрегата.
Представим себе пылинку, падающую в воздухе. Сила притяжения тянет ее вниз, и частица начинает разгоняться. Но при этом возникает и сила сопротивления воздуха, которая направлена вверх. Сначала сила притяжения больше, чем сила сопротивления, и частица движется с ускорением, но по мере роста ее скорости увеличивается и сила сопротивления воздуха. Через некоторое время сила притяжения будет полностью уравновешена силой сопротивления. После этого движение частицы не будет ни ускоряться, ни замедляться, и она начнет двигаться с постоянной скоростью, называемой предельной.
Например, пылинка размером 1 мкм, содержащаяся в газах, выходящих из дымовой трубы, будет опускаться со скоростью всего 0,003 см/с, а капелька дождя диаметром 1 мм -- со скоростью 460 см/с. В отличие от дождевых капель частицы дыма и пыли падают настолько медленно, что фактически они как бы взвешены в воздухе и вместе с ним поднимаются, перемешиваются с чистым воздухом и распространяются в атмосфере. Оказавшись в ней, частицы там не остаются. Подсчитано, что примерно за две недели состав атмосферы обновляется. Этот период называется временем оборачиваемости частиц. Но это не значит, что за это время атмосфера полностью очищается. Так было бы, если бы в нее больше ничего не попадало. К сожалению, скорость поступления туда новых частиц примерно такая же, как скорость их удаления.
Таким образом, общее содержание дыма и пыли вроде бы остается приблизительно одним и тем же. Однако в наше время есть основания полагать, что загрязненность атмосферы увеличивается.
Некоторые думают, что очищению атмосферы способствуют дождь и снег. Действительно, в какой-то мере это так. Многие наблюдали, как в ветреный, пыльный день прошедший вдруг дождь переносил грязь из воздуха на стекля автомобилей, сохнущее белье, на волосы. Очищается одно -- загрязняется другое.
В теории пылеулавливания очень важно знать размеры частиц промышленной пыли. Условно их разделяют на три группы:
частицы радиусом больше 10 мкм (грубая пыль), которые можно рассмотреть в микроскоп при малом увеличении;
микроскопические частицы радиусом 10--1 мкм, различимые при обычных методах микроскопии;
v ультрамикроскопические частицы радиусом меньше 1 мкм, видимые в ультрамикроскопе или в электронном микроскопе.
Диаметр частицы можно определить по скорости ее витания, или падения, в спокойном воздухе. Ну, а как же узнать, что собой представляет та или иная уловленная пыль? Прежде всего ее нужно суметь поймать. Чем тоньше пыль, тем сложней и дороже приборы, предназначенные для ее улавливания. На большинстве московских заводов созданы службы, следящие за работой пылеулавливающих установок. Чаще всего для взятия проб пыли они используют воздуходувку с присоединенными к ней ротаметрами -- стеклянными трубками, внутри которых находятся легкие алюминиевые колпачки. Резиновые шланги соединяют ротаметры с пылезаборными трубками, к ним же подсоединены расширители с предварительно взвешенными тончайшими фильтрами, сделанными из синтетических волокон.
Заметив время, лаборант устанавливает пылезаборные трубки в помещении, где необходимо отобрать пробу воздуха, и включает прибор. Воздуходувка начинает всасывать воздух по резиновым шлангам через ротаметры и фильтры. Проходя через стеклянные трубочки ротаметров, потоки отсасываемого воздуха поднимают алюминиевые колпачки. Чем больше объем отсасываемого воздуха, тем выше поднимаются колпачки. Лаборант следит, чтобы они находились на заданном уровне, соответствующем определенному расходу воздуха. По истечении заданного времени отсос воздуха прекращают и фильтры взвешивают. Узнав, насколько они потяжелели, лаборант делит полученную величину на количество пропущенного через фильтр воздуха. Например: привес фильтра 2 г, а пропущено через него 10 м3 воздуха. Выходит, запыленность в помещении катастрофически велика -- 200 мг/м3! Данные испытания передается вентбюро с предписанием срочно принять меры по обеспыливанию данного участка.
Несколько сложней отобрать пробу воздуха из газохода, по которому пыль летит с большой скоростью. Главное условие правильности отбора -- это создание в устье пылезаборной трубки, введенной в газоход, точно такой же скорости, как и в сечении газохода. Дело в том, что при более быстром заборе частиц мы будем брать не только те частицы, которые оказываются перед устьем, но и подсосем соседние. В результате количество попавших в фильтр частиц будет больше, чем фактически их было в газоходе. И наоборот, при низкой скорости отбора пробы пыли в устье трубки возникает воздушная пробка, мешающая попасть в фильтр всем частицам, которые оказались перед устьем трубки в момент отбора пробы. В результате проба окажется заниженной по сравнению с фактической запыленностью, которая в данное время была в газоходе.
Сложность, которую приходится преодолевать лаборантам при отборе проб,-выпадение росы в пылезаборной трубке. Конденсат попадает на фильтр и затрудняет просасывание воздуха. Нередко фильтр разрывается, и тогда опыты повторяют. Чтобы избежать этого, иногда приходится делать электроподогреватели для пылезаборных трубок или ставить специальные емкости для выделения конденсата из отсасываемой пробы воздуха.
Еще большие сложности лаборанты испытывают, когда требуется определить размеры пылинок в отобранной пробе. Возьмите ватный шарик и бросьте его с определенной высоты. Сколько времени потребовалось ему, чтобы достичь пола? Секунда? Меньше? Но то же количество ваты, если ее распушить на волокна, проделает этот путь не за одну, а за несколько секунд. Причина этого несовпадения -- сопротивление воздуха. Высота, с которой сбросили частицы, поделенная на время падения, называется скоростью витания. Чем она выше, тем легче поймать пылинки с соответствующим размером в поперечнике.
Но как измерить его? Что считать поперечником пылинки, если сами эти пылевые частицы имеют, как правило, самую разнообразную форму: это и спиральки, и пластиночки, и стержни. Для простоты расчетов ученые условились все пылинки считать шариками, а диаметры их определять в соответствии со скоростью витания. Чем она больше, тем, стало быть, больше диаметр пылинок. Условно пылинка с низкой скоростью витания -- это шарик диаметром 5 мкм, а фактически это может быть чешуйка с поперечником 50 мкм. Только падает она очень медленно из-за того, что парашютирует в воздухе. На практике почти нет монофракционных пылей -- с одинаковыми размерами всех частиц. Инженерам приходится иметь дело с полифракционными пылями, и скорости витания их отдельных частиц разнятся в десятки раз. Особенно заметно это во время "залповых" пылевых выбросов, связанных с падением больших масс земли, когда крупные песчинки сразу падают на землю, а мелкие фракции глины еще долго парят над карьером. На основе сравнения скорости витания пылинок с их диаметрами разработан и метод исследования -- воздушная сепарация в вертикальных цилиндрах. Принцип ее действия заключается в том, что исследуемую пыль вводят в воздушный поток, имеющий постоянную скорость. При этом мелкие частицы выносятся из цилиндра, а остальные падают вниз. Оставшуюся, пыль пропускают через другой цилиндр с более высокой скоростью, и вновь в нем оседает только часть пробы. Пропустив навеску пыли через несколько цилиндров и каждый раз взвесив остаток, можно рассчитать процентное соотношение частиц с различными скоростями витания и, следовательно, с разными условными диаметрами.
ПЫЛЕВОЙ ПОТОК НА ПРОСВЕТ
В июне 1984 г. над Токио появились НЛО (неопознанные летающие объекты). Ярко-зеленые светящиеся диски зависли над городом. Возникла паника. Люди ждали массового десанта инопланетян. Только под утро выяснилось, что это были блики от многократно отраженного луча лазера, которым доктор Сакурао определял уровень запыленности воздуха. Вопреки ожиданиям плотность инверсионного слоя оказалась настолько велика, что луч от него отразился, как от стенки. А сейчас немного истории.
В 1899 г. с помощью филигранной экспериментальной техники П. Н. Лебедеву удалось измерить световое давление. И теперь оно становится привычным инструментом для инженера. Практическое применение лазеров до недавнего времени в основном относилось либо к области чистой оптики, либо было связано с тепловыми воздействиями светового луча. Таковы лазерные микроскопы, лазерные резаки, прошивные и сварочные аппараты, которые сверлят алмазы, лечат сетчатку глаза, выжигают татуировку и раскраивают текстильные ткани.
Остроумные эксперименты, недавно проведенные в научных лабораториях, убедительно говорят о большом изобретательском потенциале этого физического феномена. Применяются лазеры и в цехах заводов.
В производственных условиях многих предприятий, особенно металлургических, необходимы автоматические приборы, надежно следящие за запыленностью помещений. Требуется также неослабный контроль за нарастающей концентрацией пыли силиката кальция и ферросилиция в закрытых трубопроводах и бункерах. Ведь при повышенной концентрации (30--40%) возможны самопроизвольные взрывы.
Поэтому большим достижением явилось создание в Ждановском металлургическом институте универсального пылемера, основанного на лазерном методе определения концентрации любой пыли в воздухе. Появляется возможность вести измерения непрерывно, не разрушая агрегаты частиц, что имеет место при пользовании другими способами.
При анализе загрязнений воздуха необходимо узнать и вес парящих в нем частиц на единицу объема. Иначе не определишь, не превышает ли его запыленность допустимые нормы. Свой способ, как взвесить пылинку, показала на выставке в Москве фирма "Сарториус" из ФРГ. Автоматический пылеуловитель, прокачав заданный объем воздуха (до 25 м3/ч), собирает взвешенные в нем пылинки механическими и электростатическими фильтрами. "Добыча" автоматически заворачивается в салфеточку из стеклоткани и помещается в кассету, точный вес которой известен. Собранные загрязнения взвешиваются затем на электронных весах, пружина или коромысло которых заменены электромагнитным полем. Вибрации и смена температур на точность весов не влияют, а сама точность в 10 раз выше, чем у весов механических. Все показатели обрабатываются встроенной в корпус весов мини-ЭВМ. Она ведет свою "бухгалтерию" пылинок: учитывает вес отдельного сбора или нескольких за определенный период, среднее значение всех взвешиваний, сравнение их между собой. Результат выдается за 2 с на табло.
Воздушная среда над городами и крупными промышленными центрами требует постоянного контроля. Незначительное изменение состава воздуха может повлечь за собой катастрофу.