3.2　粉塵的物理、化學性質

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機元素，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的濃度變化。經過分析，樣品中共檢出了無機元素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，與人類污染活動相關的元素主要是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系。

3.2.1　粉塵的物理性質

粉塵的物理性質包括粉塵的密度、磨損性、黏結性以及荷電性等^{［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有的密度。若顆粒本身是多孔性物質，則它的密度還分為兩種：a.考慮顆粒本身孔隙在內的顆粒物質，在抽真空的條件下測得密度，稱為真密度；b.包含顆粒本身孔隙在內的單個顆粒的密度稱為顆粒密度，又稱為視密度。對于無孔隙顆粒，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，單位體積的質量堆積稱為堆積密度。計算粉塵堆積容積時都用它。

③假密度　假密度是粉塵顆粒質量與它所占體積之比。這個體積包括顆粒內閉孔、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　粉塵對器壁的磨損問題是很嚴重的，這種磨損有兩類，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，而細粒塵則前者占相當比例。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，磨損不嚴重；當塵粒的硬度是鋼的1.1～1.6倍時，磨損最嚴重。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，對器壁（如管道）的磨損性也大。

（3）粉塵的黏結性　塵粒之間由于互相的黏結性而形成團聚，是有利于分離的。顆粒與器壁間也會產生黏結效應，這對除塵器設計十分重要^［7，11］。

粉塵顆粒間的黏結力主要有：①分子力即分子或原子間的作用力，也稱為范德華力，實際是一種吸附力；②毛細黏附力，粉塵顆粒含有水分時，互相吸著的顆粒間由于毛細作用而生成“液橋”使顆?；ハ囵そY的力；③顆粒荷電后產生的靜電吸力，在電場中，此力是主要的，而無外加電場時，可忽略不計。粉塵的黏結性和粉塵的含水、溫度、粒度、幾何形狀、化學成分等有關。粉塵黏結性的強弱可用黏結力表示。各類粉塵的黏結性按黏結強度分類見表3-2。

粉塵的黏結性直接影響管道冷卻器和除塵器的堵塞和結垢情況，所以遇到黏結性大的粉塵，必須考慮采用相應的技術措施，避免堵塞和結垢的發生。使用袋式除塵器處理黏結性強的粉塵，應適當增加清灰次數和清灰強度，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內，粒子會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，微小粒子則由于擴散而獲得電荷。粒子的荷電性對于纖維層過濾及靜電除塵是很重要的^［7］。

3.2.2　粉塵的化學性質

（1）粉塵的成分　粉塵的成分十分復雜，各種粉塵均不相同。所謂粉塵的成分主要是指化學成分或形態?；瘜W成分常影響到燃燒、爆炸、腐蝕、露點等，形態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性，對除塵設備正常工作不利。粉塵的水解是粉塵的化學反應，使其變黏、變硬，形成袋式除塵器的糊袋現象，甚至使除塵器失效。

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

不同的固體表面對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，即可充分潤濕。當θ=0°～90°時為可濕潤，大于90°時為憎水性。

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

潤濕（wetting）是固體界面由固-氣界面轉變為固-液界面的現象^［11-15］。而潤濕性（wettability）是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性。固體的潤濕性用接觸角表示，當液滴滴在固體表面時，因潤濕性不同可出現不同形狀。液滴在固液接觸邊緣的切線與固體平面間的夾角稱為接觸角。

顆粒物的吸濕性是指顆粒表面吸附水分的現象，針對水溶性的藥物粉體，是指在增加周圍環境RH（相對濕度）時顆粒物的吸水性能。在相對濕度較低的環境下，顆粒幾乎不吸濕，而當相對濕度增大到一定值時，吸濕量急劇增加，一般把這個吸濕量開始急劇增加的相對濕度稱為臨界相對濕度。

對于潤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。對于潤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：①漆霧、天然樹脂、鋅粉、肥皂粉、炭黑、香料、合成賽璐珞等含灰分多的，堆積時不可能燃燒，只在高溫長期作用下發生燃燒，但不是爆炸；②濃度低、含灰分少的，堆積時不易燃燒，但懸浮物卻易燃而發生爆炸。按爆炸性強弱排序為：細木屑、軟木粉、細糖粉、細合成樹脂粉、螢石粉、麥芽粉、合成橡膠粉、淀粉、植物纖維等。

各種粉塵發生爆炸的最低質量濃度不同，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數（%）各不相同，如褐煤粉為14%，焦炭粉為16%，木屑、合成樹脂為5%，硫黃粉為10%。可燃粉塵爆炸極限見相關文獻。