Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Пыль. Какие ассоциации возникают у людей при встрече с этим словом? Большинство скажут, мол грязь, антисанитария и решат, что нужно прибраться в квартире. Если спросить у человека более искушенного в этом вопросе, человека, занимающегося разработкой и обслуживанием бытовых вентиляционных систем, то можно узнать еще одно интересное свойство пыли — она опасна. Причем опасна не тем, что от вдыхания вы начнете чихать или кашлять. Пыль — причина болезней посерьезней аллергии. Именно на частицах пыли перемещаются различные вредоносные бактерии и вирусы. И вывод следует тот же — от пыли нужно избавляться.

А теперь давайте взглянем на пыль под другим углом зрения — со стороны работника предприятия, а точнее лица, ответственного за пылеочистку. Кроме вышеприведенных сведений, мы узнаем еще одну интересную вещь: пыль — ценный ресурс. Да, несмотря на ее опасность и вредность, пыль ценна. Для примера возьмем ювелирную промышленность. Драгоценные камни, металлы и минералы, прежде чем отправиться на прилавки магазинов проходят обработку. При этом одним из основных процессов являются операции шлифовки и полировки. Именно те операции, при которых образуется стружка, т.е. пыль. И что же, мы поставим вентилятор и будем выбрасывать золото, платину, алмазы и прочее ценные ресурсы в атмосферу? Конечно нет, мы постараемся эту пыль собрать и снова пустить в дело. Поэтому на таких предприятиях мы встретим одни из наиболее продвинутых систем газоочистки.

Но здесь ценность пыли налицо. А что же на счет промышленных предприятий? То же самое - пыль нужно улавливать. Рассмотрим обыкновенную глину. Глина — это далеко не грязь. Да, в отличие от золота, пара грамм глины, попавшие в атмосферу не нанесут убытка предприятию. Но если учесть, что предприятия строительной промышленности в процессе производства вырабатывают пыль тоннами, то убыточность таких выбросов видна без подсчетов. Конечно можно подумать, что пыль от глины или угля неопасна. К сожалению это далеко не так. Все минеральные пыли при вдыхании в больших количествах вызывают неизлечимые легочные заболевания — пневмокониозы.

Теперь сделаем вывод — запыленность является проблемой. Причем основывается эта проблема на двух кажущихся несвязанных аспектах: опасности и ценности пыли. Конечно, для разных видов пыли соотношение этих понятий различно. Так есть пыль, обладающая чрезвычайной опасностью для здоровья и жизни человека, но не имеющая какой-либо ценности для применения. Хотя, возможно потенциал ее использования еще не раскрыт. То, что сегодня видится мусором, завтра может стать основным ресурсом существования. Но задумываться человечество начало об этом лишь в XIX веке — именно тогда был запатентован первый циклон-пылеуловитель. Именно после этого началось развитие техники и технологии пылеулавливания. Проблема запыленности актуальна и в наши дни.

Не слишком радужные перспективы вырисовываются, не правда ли? Но все не так уж и ужасно. На самом деле все решается фильтрацией промышленных выбросов. А разве выбросы не фильтруются, спросите вы? Конечно фильтры и различное оборудование для пылеулавливания стоит на многих предприятиях, но в том-то и проблема, что стоит. Многому газоочистному оборудованию уже по несколько десятков лет, и естественно оно устарело как морально, так и физически. Именно об возможностях усовершенствования и разработки современного газоочистного оборудования и пойдет речь.

1. Актуальность работы

Атмосфера Земли обладает способностью к самоочистке и восстановлению нарушений [1], вызванных деятельностью человека. При какой–либо катастрофе, сопровождающейся выбросами, происходит нарушение баланса естественных природных процессов. С течением времени, под действием этого механизма, баланс восстанавливается, но, чем сильнее нарушение, тем больше времени требуется на восстановление. При постоянном воздействии промышленных выбросов атмосфера не успевает восстанавливаться, что влечет за собой необратимые изменения, как правило негативные. Очистка непосредственно воздуха атмосферы является трудно осуществимым процессом. Весь упор в исследованиях и разработках делается на уменьшение поступающих в атмосферу загрязнителей.

2. Влияние загрязнителей воздуха на природу и людей

Здоровье человека в значительной степени зависит от качества поступающего в организм воздуха. При большой загрязненности воздуха у людей начинается нарушение самочувствия, а при длительном воздействии — развитие хронических заболеваний.

Выбросы промышленных загрязнений, энергетических систем, автотранспорта в атмосферу оказывает прямое воздействие на все живое. Страдает природа, погибают растения и животные, происходит повышенная заболеваемость населения. Воздействие загрязнений на человека и животных проявляется, прежде всего, в поражении верхних дыхательных путей, а также снижении сопротивляемости организма к возбудителям инфекций. Неблагоприятно влияет на здоровье людей и животных выбрасываемые автотранспортом соединений свинца, приводящие к нервным расстройствам, малокровию, потере памяти, слепоте и бесплодию.

Высокая запыленность воздуха приводит к легочным и аллергическим заболеваниям, зарегистрированным у 20 % городского населения планеты. Опасные загрязнители образуются при производстве цемента и стекла. Загрязнение атмосферного воздуха таит в себе не только угрозу здоровью людей, но и носит большой экономический ущерб.

Рисунок 1 — Схема источников загрязнения атмосферного воздуха

Повышенная запыленность атмосферы препятствует проникновению ультрафиолетовых лучей, которые способствуют очищению воздуха от вредоносных бактерий. Несмотря на вредное влияние ультрафиолетового излучения на все живые организмы, уменьшение его уровня ниже нормы приведет к распространению заболеваний, возможно эпидемиям и пандемиям.

3. Проблемы промышленных загрязнений атмосферы ультрадисперсными частицами

Деятельность предприятий не обходится без выбросов в виде пыли и ядовитых веществ. Наличие в выбросах крупных частиц пыли или капель химикатов на современном этапе хоть и представляет опасность, но на предприятиях предусмотрены эффективные системы газоочистки [6] с успехом справляющиеся с частицами загрязнений. Исследования показывают, что крупные частицы представляют определенную угрозу окружающей среде и здоровью человека. Такие частицы обладают относительно большой массой и размерами, что уменьшает их опасность, поскольку при большой массе частицы, даже попав в атмосферный воздух со временем оседают, причем, чем тяжелее и крупнее частица, тем меньше времени она находится во взвешенном состоянии.

Рисунок 2 — Методы борьбы с загрязнением воздуха

Рисунок 3 — Принцип работы комплексной системы пылеулавливания

Основными источниками промышленных выбросов являются теплоэлектростанции и предприятия тяжелой промышленности, которые соответственно дают почти две трети техногенных загрязнений. В составе газопылевых выбросов находятся оксиды серы и азота, зола, мельчайшие частицы топлива, опасные радиоактивные элементы, диоксины, угарный газ и многие другие вредные вещества. Значительным загрязнителем воздуха является автотранспорт.

4. Аэрозоли, нанозагрязнители воздуха в различных сферах человеческой деятельности

Особую опасность представляют частицы очень малых размеров, которые в смеси с воздухом или газовой средой образуют ультрадисперсные системы (УДС) — аэрозоли [2]. Здесь сказывается так называемый размерный эффект: чем меньше размер частицы, тем больше ее активная поверхность. Наибольшую опасность для человека составляют аэрозоли и частицы ультра- и нанодисперсного диапазона размеров. Из-за весьма малых размеров эти частицы способны проникать через поры, легкие и даже клеточные мембраны, что приводит к необратимым процессам в клетках и развитию тяжелых заболеваний. Ультрадисперсные частицы встречаются не только на предприятиях, но и в условиях жилых комплексов: парфюмерия, освежители воздуха, пудры, тальк, продукты косметики и бытовой химии.

Современная цивилизация все в большей степени создает проблему аэрозолей искусственного происхождения. Распространение взвешенных частиц в газе с течением времени только увеличивается. В 60–70е годы ХХ века исследования мельчайших частиц проводились только в специфических отраслях, таких как атомная промышленность, радиоэлектроника, космонавтика. В настоящее время частицы ультрадисперсного размера можно встретить повсеместно. Это связано с повышением требований к точности и качеству выпускаемой продукции. Это также стимулирует поиск нового, более высокотехнологичного пути усовершенствования процесса производства.

Однако, без ультрадисперсных частиц, в частности наночастиц, наша повседневная жизнь уже немыслима. Нанотехнология несет в себе огромный потенциал для использованию научных исследований в сфере защиты климата и природных ресурсов .Используя исследования наноразмерных частиц возможно провести разработку эффективных технологий по охране окружающей среды и методов по получению возобновляемой энергии. Стоит обратить внимание на неорганические наночастицы, представляющих собой весьма ценный ресурс. Как и любое явление, проблема наночастиц имеет две стороны. С одной стороны благодаря своим специфически свойствам, определенные наночастицы могут найти применение в медицине. С другой стороны, как все недостаточно исследованное, наночастицы могут нести в себе большую опасность.

5. Воздух бытовых помещений — особая проблема

В повседневной жизни рекуперация воздуха, особенно с современными остеклением и герметизацией в квартирах весьма актуальна. Воздух, поступающий в жилое помещение из атмосферы, т. е. относительно чистый воздух, который не несет никакой угрозы здоровью человека можно найти разве что в горных районах или в отдаленных поселениях с малым количеством автомобильного транспорта, находящихся на большом расстоянии от каких либо промышленных комплексов. В городах, а особенно в мегаполисах, атмосферный воздух содержит в себе различные виды аэрозольных частиц, бактерии и химические соединения. Их количество невелико, но велик период воздействия, что негативно сказывается на здоровье и самочувствии людей. Проблема очистки подаваемого в помещения атмосферного воздуха частично решена с помощью кондиционеров, обладающими функциями очистителя, однако они обеспечивают очистку от крупной пыли и, в лучшем случае, лишь частично от микроорганизмов.

Рисунок 4 — Фотография структуры бытовой пыли под микроскопом

Домашняя пыль может содержать шерсть и перхоть домашних животных, фрагменты перьев, частицы насекомых, волос и кожи человека, споры плесневых грибов, нейлон, стекловолокно, песок, частицы тканей и бумаги, мельчайшие фрагменты материалов, из которых сделаны стены, мебель и предметы обихода.

Поэтому, необходимо очищать и находящийся в квартире воздух. Обычно этому не придают значение, но в процессе жизнедеятельности человек привык пользоваться различными химическими средствами, косметикой, освежителями воздуха, порошками, моющими средствами и прочие УДС. Как известно, запахи являются следствием попадания молекул веществ на рецепторы органов обоняния. Ароматические средства также являются химическими соединениями. При попадании в органы обоняния человек чувствует приятный или неприятный запах, но со временем рецепторы привыкают и чувствительность уменьшается. Однако частички аромата продолжают попадать в дыхательную систему и начинают та накапливаться. От избытка таких соединений в человеческом организме может развиваться аллергия, ухудшаться иммунитет и общий тонус.

Кроме того, человек сам является источником аэрозольных частиц: частички кожи, волоски составляют 80–85% окружающей человека пыли в жилом помещении. Аэрозольные частицы органического происхождения могут послужить местом зарождения болезнетворных микроорганизмов. Все это — факторы рекуперации воздушного пространства в жилых помещениях и очистки воздуха, поступающего извне.

6. Известные масштабные и частичные решения в обеспечении чистоты воздуха

В качестве примера очистки больших объемов запыленного газа от пыли можно привести промышленную очистку. Все системы пылеулавливания, установленные на предприятиях, рассчитаны на эффективное использование при больших газовых потоках. Для этого применяют различные фильтры [3], уловители, оросители и пр [4]. Очистка малых объемов газа обычно проводиться с помощью фильтров. Такая фильтрация свойственна приборами переносного типа (оборудование для забора проб воздуха) или для защиты человека (противогазы, респираторы) [5]. Эти устройства обладают высокой степенью очистки воздуха, но фильтры имеют одноразовое применение. Однако обычные промышленные пылеуловители не осуществляют очистку воздуха до максимально допустимых концентраций ультрадисперсных частиц. Например, в промышленности эффективность улавливания частиц размером менее 1 мкм никогда не достигает 99%.

Рисунок 5 — Схема основных методов очистки промышленных выбросов

В связи с этим получила толчок разработка высокоэффективных способов фильтрации. Результатом исследований и разработок в этой области стало появление так называемых абсолютных фильтров. Такие фильтры позволяют осуществлять улавливание частиц ультрадисперсного диапазона размеров: радиоактивных частиц, бактерий и микробов, а также запахов и туманов. При проведении дальнейших исследований в этой области были разработаны целлюлозные и стекловолокнистые фильтрующие материалы. Улавливание частиц в этих средах происходит в основном не вследствие механического отсеивания, а в результате осаждения частиц на волокнах при прохождении газового потока.

Эффективность очистки при фильтрации принято рассчитывать по следующей формуле:

где ψ — показатель структуры фильтрующего слоя;

η'Σ — суммарный коэффициент захвата.

Суммарный коэффициент захвата показывает количество факторов улавливания, участвующих при прохождении потока газа через фильтр.

где η'R — коэффициент захвата а чет касания;

η'Stk — коэффициент захвата за счет инерции;

η'D — коэффициент захвата за счет молекулярной диффузии;

η'G — коэффициент захвата за счет гравитационных сил;

η'E — коэффициент захвата за счет электростатических сил.

Вывод

Проанализировав эту формулу можно сделать вывод, что процесс фильтрации — один из наиболее сложных процессов в пылеулавливании. Причем при прохождении газового потока через фильтр на частицы действуют как минимум 5 различных факторов, и в зависимости от размера частицы те или иные факторы действуют на частицу в разной степени.

Изучение свойств наночастиц возможно путем их улавливания или получения. Частицы, находящиеся в газопылевых выбросах предприятий также нуждаются в изучении физических свойств. Такие частицы сложно получить в лабораторных условиях, ввиду непредсказуемости и неоднородности их свойств. Если изучить особенности поведения ультрадисперсных частиц в потоке газа, о возможно в дальнейшем сконструировать оборудование для эффективного выделения этих частиц из потока. Для наночастиц существуют специфические исследования, рассматривающие вопрос выделения частиц из газового потока.

В настоящее время существует множество способов и решений для очистки газа от различных мелкодисперсных примесей. За время исследований ультрадисперсных частиц, их свойств и законов поведения было предложено большое количество различных инновационных технических решений и полезных моделей. При проведении анализа конструкций устройств, их применимости и эффективности можно увидеть общие черты в конструкциях и выделить различные способы улавливания УДС [7]. Анализ этих данных позволит классифицировать устройства для очистки газа от аэрозолей по механизмам очистки:

  1. Озонирование. Для очистки воздуха от запахов, активных химических компонентов и бактерий широко применяют генераторы озона — озонаторы. В этих устройствах применяют электрический разряд, под действием которого кислород воздуха превращается в озон. Озон представляет собой очень сильный окислитель, который при взаимодействии с химическими компонентами нейтрализует их. Также озон обладает полезными антисептическими свойствами. Озонаторы получили широко применение в различных сферах: медицина, оборудование для контроля климата, переносные устройства для удаления запахов.
  2. Фильтрация. Твердые мелкодисперсные частицы и капли жидкости обычно улавливают с помощью фильтрации газа через пористый материал на малых скоростях. В промышленности применяют волокнистые материалы различной структуры: зернистые, волокнистые, рукавные и бумажные фильтры. Применение фильтрующих материалов позволяет достичь очень высокой эффективности фильтрации (около 99,9%). Такие фильтры называются абсолютными. Основным недостатком этого метода очистки газа является сложность или невозможность регенерации материала фильтра. Это приводит к резкому возрастанию стоимости фильтрации таким методом.
  3. Химическая обработка. Отдельным видом ультрадисперсных частиц, представляющих угрозу для человека, являются бактерии и вирусы. При очистке воздуха от таких частиц стоит уделить внимание тому, что необходимо не просто уловить, а нейтрализовать или уничтожить микроорганизмы, содержащиеся в воздухе. Для этих целей особое распространение получили различные химические составы, обладающие антисептическими свойствами, вводимые в поток газа. Но при этом такие составы не должны нести какого-либо вреда организму человека. Также антибактерицидные составы часто применяют не методом введения их в распыленном состоянии в газ, а путем обработки поверхностей в помещении.
  4. Сорбция. Для очистки газовых выбросов и воздуха помещений от химически активных компонентов используют сорбенты. При этом вид сорбента напрямую зависит от вида улавливаемого вещества. Фильтрация через слой сорбентов обычно происходит через зернистый слой.
  5. Очистка воздуха от взвешенных примесей. Проводится в атмосфере водяного тумана или путем столкновения газового потока с твердой поверхностью или жидкостью. При этом частицы, содержащиеся в газе адсрбируются твердой поверхностью или смачиваются и коагулируют, после чего возможно их выделение из потока в простых пыле- или каплеуловителях.
  6. Мокрое пылеулавливание. Распространенными мокрыми пылеуловителями являются скрубберы и ротационные пылеуловители, а жидкость, используемая в пылеуловителях может быть с любыми примесями и присадками, придающими антисептические или антистатические свойства.
  7. Ультрафиолетовое излучение. Очистка воздуха от вредных микроорганизмов также возможна с помощью ультрафиолетового излучения. Для этого применяют различные ультрафиолетовые лампы, которые облучают проходящий газ.

В современной технике и технологии давно перестали использовать фильтрацию с использованием лишь одного механизма очистки. Для повышения эффективности очистки эти факторы совмещают в одном аппарате. Все эти способы улавливания, дезинфекции и рекуперации воздуха имеют свои достоинства и недостатки. Некоторые из них применимы лишь для небольших объемов газа и малых скоростей. Однако существуют объекты, на которых необходимо очищать и обеззараживать большие объемы газа. Такие системы очень мало распространены и им мало уделяется внимания в исследованиях, однако необходимость в эффективной очистке больших объемов газов растет. В дальнейшем планируется продолжить исследования свойств пылей и на их основе предложить техническое решение, которое позволит справиться с широким кругом задач, возникающих перед газоочищающим устройством.

В будущем вполне возможно применение и более экзотических и наукоемких способов улавливания. Например на основе пондеромортного давления света, т. е. давление световых волн на твердые тела. Но пока основным направлением по улучшению качества фильтрации явлется совмещение различных способов улавливания в одном устройстве. Новая идея не появляеться на пустом месте, а являеться продутом переработки нескольких чужих идей, или их совмещения.

Список источников

  1. А.І. Панасенко П–16 Технологія очищення від аерозолей: Навчальний посібник. — Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ, 2008. — 119 с.: іл.
  2. Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Сборник трудов международной научно–практической конференции. Донецк–Авдеевка — 3–5 июня 2013. — Донецк. ДонНТУ Министерства образования и науки Украины. 2013 — 261 с.
  3. Фильтры для улавливания промышленных пылей/ М.Г. Мазус, А.Д. Мальгин, М.Л. Моргулис. — М.: Машиностроение, 1985. — 240 с., ил.
  4. Очистка газов: Справочное издание/В.С. Швыдкий, М.Г. Ладыгичев. — М.: Теплоэнергетик, 2002. — 640 с.
  5. Высокоэффективная очистка воздуха. Под редакцией П. Уайта и С. Смита. Перевод с английского Б.И. Мягкова и В.Г. Лапенко под редакцией канд. Хим. Наук Б.И. Мягкова, М., Атомиздат, 1967, 310 с.
  6. Борьба с пылью в прокатном производстве. Очистка вентиляционного воздуха от пыли — Охрана труда и безопасность жизнедеятельности [Электронный ресурс] — Режим доступа: ohrana-bgd.narod.ru
  7. Устройство для очистки и ионизации воздуха — [Электронный ресурс] — Режим доступа: www.ntpo.com