Качество воздуха в помещении

Качество внутреннего воздуха в зданиях.
В районах с холодным климатом в зданиях с системами механической вентиляции у людей часто возникает
желание снизить расход вентиляционного воздуха с целью экономии энергии. Существующие стандарты и
руководства по обеспечению минимального уровня расхода вентиляционного воздуха не учитывают вопросы,
связанные с производительностью труда людей, эффективностью учебного процесса, и включают в себя очень
умеренные требования, определяющие только то, что качество внутреннего воздуха должно быть приемлемым.
При этом критерий приемлемости означает, что воздух воспринимают неприемлемым наиболее чувствительные
люди (обычно 20 %), в то время как оставшаяся часть менее чувствительных людей могут оценивать воздух в
минимальной степени приемлемым. При таких умеренных запросах нет ничего удивительного в том, что в
реальных условиях, в районах с холодным климатом, исследования зданий, в которых выполняются требования
стандартов по вентиляции, выявляют высокий процент людей, не удовлетворенных качеством внутреннего
воздуха, и людей, страдающих «синдромом больного здания».
Недавние исследования показали, что повышение качества внутреннего воздуха в 2–7 раз, по сравнению с существующими
стандартами, значительно повышает производительность труда сотрудников офисов, эффективность учебного процесса в
школах и снижает число астматических и аллергических заболеваний. Чтобы сделать воздух приемлемым даже для наиболее
чувствительных людей, необходимо повышение его качества на один-два порядка.
В настоящей статье рассматриваются новые методы, обеспечивающие такое существенное улучшение качества внутреннего
воздуха при сохранении или даже уменьшении расхода вентиляционного воздуха и потребления энергии. Мы рассмотрим три
вида помещений, в которых многие люди проводят большую часть своей жизни, а именно дом, школу и офис.
Введение
В холодном климате в зданиях с механической вентиляцией у людей часто возникает естественное желание сэкономить
энергию, уменьшив расход вентиляционного воздуха и поддерживая качество внутреннего воздуха на минимальном уровне.
Но что такое качество внутреннего воздуха? Этот термин можно определить как степень удовлетворения потребностей
людей, находящихся в помещении. О каких потребностях идет речь? Очевидно, что мы хотим вдыхать воздух, не
оказывающий отрицательного воздействия на наше здоровье. Мы также хотим, чтобы воздух воспринимался как приемлемый
и даже более того – как свежий и приятный. Кроме того, нам бы хотелось, чтобы воздух в помещении положительно влиял на
нашу производительность труда.
Можем ли мы выразить эти потребности в химических терминах? Мы знаем, что именно химические вещества, выделяемые
людьми, материалами и оборудованием, находящимся в помещении, снижают качество внутреннего воздуха.
В таком случае не можем ли мы обеспечить концентрацию в воздухе каждого химического вещества ниже определенного,
предписанного значения? К сожалению, в непромышленных зданиях этот метод не может работать достаточно эффективно.
Дело в том, что обычно в воздухе присутствуют сотни и даже тысячи химических веществ, каждое из которых имеет
небольшую концентрацию, а мы обладаем весьма ограниченной информацией о влиянии этих веществ на здоровье и
комфорт людей. Предписываемые предельные значения имеются только для нескольких десятков химических веществ,
причем эти значения применимы только в тех случаях, когда в воздухе присутствуют только одни эти вещества.
Закономерен вопрос – каким образом оценить пороговые значения для запахов или возникновения эффекта раздражения,
вызываемых большим количеством химических веществ? Приводимые в литературе пороговые значения очень различаются
между собой, и они устанавливаются для концентраций, при которых 50 % людей ощущает присутствие определенного
химического вещества, если это вещество является единственным присутствующим в воздухе. Наиболее чувствительные
люди могут различать химические вещества при концентрациях, на несколько порядков ниже указанной, они могут ощущать
«коктейль» из сотен химических веществ даже при еще более низкой концентрации. Более того, некоторые химические
вещества, концентрация которых даже выше предельной концентрации для запаха, могут восприниматься как приятные, а
другие – как очень неприятные. Еще одним затруднением является то, что некоторые химические вещества трудно измерить
при низких концентрациях, при которых они все же оказывают отрицательное воздействие на людей.
В качестве альтернативного решения указанной проблемы может быть предложено использование реакции органов чувств
человека (сенсорной реакции) для непосредственного определения качества внутреннего воздуха. Используя это
определение, под внутренним воздухом высокого качества можно понимать воздух, воспринимаемый как приемлемый
большей частью находящихся в помещении людей. Исходя из этого, уже в 1930-х годах прошлого века были проведены
исследования качества внутреннего воздуха группами экспертов на основании их ощущений (так называемые сенсорные
измерения качества внутреннего воздуха).
Позже, в 1988 году, автор настоящей статьи на основании результатов этих измерений предложил следующие сенсорные
единицы: ощущаемое качество внутреннего воздуха выражается в количестве людей (в процентах), не удовлетворенных его
качеством, а сенсорная нагрузка загрязнения выражается в ольфах (единицах обоняния).
Сенсорные единицы позволяют выполнить расчет нагрузок системы вентиляции, необходимых для получения приемлемого
качества воздуха.
Часто встречаются высказывания о том, что сенсорные измерения более предпочтительны, чем химические измерения. В
течение нескольких десятилетий эти измерения сформировали базу для стандартов и предписаний по системам вентиляции
(CEN, 1998; ASHRAE, 2004). Эти стандарты и предписания обычно определяют воздух с приемлемым качеством как воздух,
вызывающий неудовлетворение у 15, 20 или 30 % людей. Кроме того, эти стандарты задают соответствующие необходимые
параметры вентиляции. На практике эта «философия» стандартов определяет посредственное качество воздуха, которым
недовольно большее количество людей, чем ожидалось, что документально зафиксировано в результатах многих
исследований в реальных условиях, в зданиях по всему миру, построенных согласно требованиям этих стандартов.
Классификация качества воздуха помещений
Стандарт EN 13779 разделяет воздух помещений на категории качества от IDA 4 (низкое) до IDA 1 (высокое). Ещё одним
традиционным, но неточным методом определения IAQ является изучение уровня CO2.
CO2 является продуктом человеческого дыхания. Это хороший индикатор эффективности вентиляции, но не
качества воздуха в целом.
Ещё один распространённый способ - измерение количества поступающего наружного воздуха в расчёте на одного
человека. Эти величины часто используют для расчёта размера системы вентиляции. Следующая таблица содержит типичные
уровни CO2 и объёмы поступающего внешнего воздуха, необходимые для того, чтобы отнести воздух помещения в ту или
иную категорию.
Обратите внимание, ни один из методов не принимает в расчёт газовые и аэрозольные загрязненители,
поступающие в помещение с воздухом извне.
Классификация качества воздуха помещений
Категория
Описание
Уровень CO2 выше, чем во
внешнем воздухе (промилле)
Типичный диапазон
Поступление внешнего воздуха (м3
в час на человека)
Типичный диапазон, зона для
некурящих
IDA 1
Высокое качество воздуха
помещения
<400
>54
IDA 2
Среднее качество воздуха
помещения
400 - 600
36 - 54
IDA 3
Среднее качество воздуха
помещения
600 -1000
22 - 36
IDA 4
Низкое качество воздуха
помещения
> 1000
< 22
Рекомендации в соответствии с EN 13779 После отнесения внешнего воздуха к той или иной категории, стандарт EN
13779 чётко устанавливает класс фильтра, необходимого для получение определённого качества воздуха в помещении.
Классы фильтров устанавливаются в соответствии с EN 779:2002. Придерживаться стандарта EN 13779 необходимо в том
случае, если вы находитесь в городской среде, а вам нужен воздух приличного качества (IDA 1 или IDA 2).
В таком случае последним фильтром должен быть F9, а для защиты от молекулярных загрязнений нужно установить
газовый фильтр.
Рекомендации, касающиеся фильтров по стандарту EN 13779
Качество наружного воздуха
Качество внутреннего воздуха
IDA 1
(Высокое)
Уровень
загрязнения
IDA 2 (Среднее)
3 (Умеренное)
IDA
F7
IDA 4
(Низкое)
Чистый воздух
ODA 1
F9
F8
Пыль
ODA 2
F7 / F9
F6 / F8
Газы
ODA 3
F7 / F9
F8
F7
F6
Пыль+газы
ODA 4
F7 / F9
F6 / F8
F6 / F7
G4 / F6
Высокое содержание
загрязняющих веществ
ODA 5
F6 / GF / F9
F6 / GF / F9
F6 / F7
G4 / F6
6 / F7
F6
G4 / F6
Таблица относится к приложению А3. Использование фильтров согласно Европейскому стандарту EN 13779.
Качество воздуха в жилых помещениях и его влияние на рост числа астматических и аллергических
заболеваний
В течение последних двух десятилетий в развитых странах количество аллергических и астматичес-ких заболеваний
удвоилось.
В 2004 году была высказана гипотеза о том, что основной причиной увеличения количества таких заболеваний в развитых
странах является ухудшение качества внутреннего воздуха в жилых помещениях.
Среди факторов, способствующих снижению качества внутреннего воздуха в жилых помещениях в последнее время, можно
выделить внедрение множества новых материалов, особенно полимеров, и использование многочисленных электронных
устройств, которые появились в зданиях в последние десятилетия, в том числе и в детских комнатах.
В ходе исследований связи между качеством воздуха и заболеванием астмой и аллергией, проводившихся в Скандинавских
странах, было обследовано около 11 000 детей. В 200 домах, в которых проживали больные астмой дети, и в 200 домах со
здоровыми детьми выполнялись подробные измерения химических, физических, биологических и медицинских
характеристик. Все эти дома располагались в холодном климате Центральной Швеции, в регионах с прекрасным качеством
наружного воздуха.
Рисунок 1.
Низкая интенсивность вентиляции в жилых помещениях повышает риск проявления аллергических
симптомов среди детей (каждый столбец представляет около 90 жилых помещений)
Полученные результаты показали, что аллергические симптомы связаны с вентиляцией (рис. 1). Увеличение в 4 раза
интенсивности вентиляции и, следовательно, показателя качества внутреннего воздуха снизили вероятность появления
аллергических симптомов наполовину. Результаты данных исследований также выявили связь между концентрацией
фталатов и риском заболевания астмой (рис. 2). Снижение концентрации фталатов в 7 раз снизило вероятность заболевания
астмой на треть.
Таким образом, было показано, что увеличение в жилых помещениях показателя качества внутреннего воздуха в 4–7 раз
оказывает значительное влияние на уменьшение риска заболевания астмой и проявления аллергических симптомов.
Рисунок 2.
Пластификаторы, например из поливинилхлорида, применяемые в жилых помещениях,
увеличивают вероятность заболевания астмой у детей (каждый столбец представляет около 90
жилых помещений)
Качество воздуха в офисных зданиях и его влияние на производительность труда сотрудников
Результаты последних независимых исследований показывают, что качество внутреннего воздуха в офисах имеет
значительное положительное влияние на производительность труда сотрудников.
В одном из исследований в реальных условиях в обычном офисе были заданы два вида условий с разным качеством воздуха.
Разница в качестве воздуха обусловливалась наличием или отсутствием обычного напольного покрытия, являющегося
дополнительным источником загрязнения. Два эти условия соответствовали зданиям с низким и не низким содержанием
загрязняющих веществ, согласно определениям Европейских директив для проектирования параметров внутренней среды
(CEN, 1998).
Одни и те же люди работали в офисе в течение 4,5 часов при каждом из двух уровней качества воздуха. Было выявлено, что
при хорошем качестве воздуха производительность труда людей была на 6,5 % выше (P < 0,003), они делали меньшее
количество ошибок и испытывали меньшее количество симптомов синдрома «больного здания».
Эти исследования, проводившиеся в Дании, были затем повторены в Швеции и дали схожие результаты.
Третий комплекс исследований был выполнен в Датской лаборатории исследований в реальных условиях, с теми же
источниками загрязнения, но при трех значениях расхода вентиляционного воздуха: 3, 10 и 30 л/с на человека. Было
доказано, что при увеличении расхода вентиляционного воздуха значительно возрастала производительность труда людей.
Был проведен совместный анализ результатов трех исследований с семью экспериментальными условиями и 90 людьми, в
ходе которого выявлялась зависимость производительности труда от ощущаемого качества воздуха. Эти результаты
показывали, что повышение качества внутреннего воздуха оказывает значительное влияние на производительность труда.
В другом исследовании с такими же условиями эксперимента, что и описанные выше, в качестве дополнительных источников
загрязнения использовались персональные компьютеры, которые эксплуатировались уже в течение трех месяцев. Когда в
ходе этих исследований добавлялись дополнительные компьютеры, производительность труда снижалась на 9 % (P < 0,01),
и количество людей, которых не удовлетворяло качество воздуха, увеличивалось в 3 раза. Каждый из загрязняющих воздух
компьютеров вносил дополнительную нагрузку, соответствующую трем ольфам. В дальнейшем при исследовании
использовались персональные компьютеры наиболее известных марок, имеющие мониторы с электронно-лучевой трубкой и
плоские мониторы. Результаты этих исследований были сходны с результатами проводившихся ранее исследований, кроме
того, выявилось, что компьютеры с плоскими экранами загрязняют воздух гораздо меньше.
Положительное влияние высокого качества внутреннего воздуха на производительность труда людей было недавно
подтверждено в ходе исследования в здании, в котором для очистки воздуха применялись либо новые, либо использованные
фильтры твердых частиц. Было зафиксировано значительное положительное влияние на производительность труда
увеличения расхода вентиляционного воздуха, но этот эффект наблюдался только при использовании новых фильтров (рис.
3).
Рисунок 3.
Связь между производительностью труда в офисе и расходом вентиляционного воздуха
Здесь следует заметить, что в упоминавшихся ранее исследованиях, продемонстрировавших положительное влияние
вентиляции на производительность труда людей, фильтры для очистки воздуха не использовались. В течение всего времени
проведения по-следних исследований использовались старые фильтры, и именно этим обстоятельством можно объяснить
сделанный авторами вывод о незначительном положительном влиянии повышения расхода вентиляционного воздуха на
производительность труда людей, это указывает на то, что фильтры твердых частиц в системах ОВК могут представлять
собой серьезный источник загрязнения.
Исследования с использованием фильтров проводились в умеренно холодном климате, но подобные исследования были
недавно выполнены в условиях тропиков, и они показали сходные результаты.
Увеличение показателя качества внутреннего воздуха в 5 раз, по сравнению с посредственным качеством воздуха во многих
офисных зданиях, существующих по всему миру, может повысить производительность труда сотрудников приблизительно на
5–10 %. За год это может дать огромную экономическую прибыль, которая покроет все капитальные затраты и
эксплуатационные расходы в здании. Поэтому анализ расходов за весь срок службы здания должен учитывать фактор
повышения производительности труда людей из-за улучшения качества внутреннего воздуха.
Европейский стандарт EN 13779:2007 касается комфортного и здорового воздуха в помещениях. Этот стандарт является
национальным во всех странах. Он определяет требуемые характеристики используемых фильтров для получения
качественного воздуха в помещениях, принимая во внимание воздух вне помещений.
По стандарту EN 13779:2007 воздух вне помещений делится на 3 категории от ODA 1 (чистый воздух, содержащий
временные загрязняющие агенты, такие как пыльца) до ODA 3 (воздух с высоким содержанием частиц и газов).
Термин частицы относится ко всем твердым и жидким загрязняющим агентам в воздухе. Большинство норм, касающихся
воздуха вне помещений, до сих пор ссылаются на PM10 (частицы с диаметром до 10 мкм). Однако в целях защиты здоровья
людей необходимо принимать во внимание частицы с гораздо меньшим размером. Газообразные загрязняющие агенты
включают СО2, СО, NO2, SO2 и летучие органические соединения.
В таблице ниже приведены типичные концентрации загрязняющих агентов воздуха вне помещений и соответствующие им
категории качества воздуха.
Уровни концентрации загрязняющих агентов в воздухе
Категория кач-ва
воздуха
Уровень концентрации*
Кач-во воздуха
CO2 (ppm)
CO2 (мг/м2)
NO2
(мкг/м2)
Сельская местность
350
<1
5 - 35
<5
< 20
ODA1
Маленькие города
400
1-3
15 - 40
5 - 15
10 - 30
ODA2
Центр города
450
2-6
30 - 80
10 - 50
20 - 50
ODA3
SO2
(мкг/м2)
PM10
(мкг/м2)
Необходимо отметить, что в большинстве городов "нормальная концентрация загрязняющих агентов" находится на
верхней границе нормы, т.е. между ODA 2 и ODA 3. Для частиц Всемирная Организация Здравоохранения установила
значение среднегодовой нормы ниже 40 мкг/м3. В настоящее время норма не достигнута. Другими словами, большинство
людей в Европе проводят большую часть своего времени в областях, где качество воздуха может быть охарактеризовано как
ODA 2 или ODA 3. Следовательно, качественная очистка воздуха является необходимой для поддержания здоровья людей.
Качество воздуха в школьных зданиях и его влияние на процесс обучения детей
Имеются документальные свидетельства того, что показатель качества воздуха в школах часто имеет низкое значение. Во
многих случаях в целях экономии энергии снижается расход вентиляционного воздуха, эксплуатация и техническое
обслуживание систем вентиляции часто проводятся на недостаточном уровне.
Недавно проводились исследования эффективности школьного обучения – обследовались дети в возрасте 10 лет,
обучающиеся в параллельных классах, и выявлялось влияние увеличения расхода вентиляционного воздуха на
эффективность обучения детей в школе.
Каждую неделю учителя в параллельных классах предлагали детям задания, касающиеся различных аспектов школьного
обучения – от чтения до решения математических задач.
В вентиляционных системах применялись чистые фильтры. При увеличении расхода вентиляционного воздуха с 5 до 10 л/с
продуктивность школьной работы возрастала приблизительно на 15 %.
Таким образом, увеличение показателя качества внутреннего воздуха в два раза вызывает у детей значительное повышение
продуктивности школьной работы и способности усвоения материала.
Качество внутреннего воздуха, приемлемое для наиболее чувствительных людей
В стандартах признается, что предписываемые в них значения качества внутреннего воздуха определяют такое качество,
которое 15–30 % наиболее чувствительных людей не удовлетворяет.
Это очень разочаровывающий факт, когда осознанно проектируются здания, условия в которых такое большое количество
людей признает неудовлетворительными.
Что же можно сделать, чтобы уменьшить долю людей, недовольных качеством внутреннего воздуха, до незначительного
уровня, например, до 1 %?
Согласно модели сенсорных измерений качества воздуха, которую предложил автор данной статьи в 1988 году, для такого
снижения необходимо увеличение качества воздуха на один-два порядка, в зависимости от исходного уровня.
При попытке сделать это при помощи увеличения интенсивности вентиляции обнаруживается, что понадобится такой
огромный расход вентиляционного воздуха и потребление энергии, что такой метод может быть исключен из рассмотрения.
К счастью, имеются другие способы улучшения качества воздуха, а именно:
• контроль источников загрязнения;
• очистка воздуха;
• индивидуальная вентиляция;
• охлаждение и осушение воздуха.
Далее подробно рассмотрим каждый из этих методов.
Контроль источников загрязнения (Природа и классификация частиц).
Взвешенные частицы представляют собой загрязняющую воздух субстанцию, состоящую из смеси твердых и
жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе.
В современном понимании аэрозоли представляют собой дисперсные системы с газовой дисперсионной средой и
твёрдой или жидкой дисперсной фазой, иначе говоря, это взвесь твердых или жидких частичек в газе, чаще всего в воздухе.
Аэрозолями называются дисперсные системы, состоящие из мелких твердых или жидких частиц, взвешенных в газовой
среде (обычно в воздухе). Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в
случае твердой дисперсной фазы системы называются дымами и пылями. Размеры частиц в аэрозолях изменяются в очень
широких пределах: от нескольких мм (хлопья снега, капли дождя) до сотых долей микрона (мкм).
К природным аэрозолям можно отнести аэрозоли вулканического происхождения, облака, туманы, лесные и
степные пожары; аэрозоли, образующиеся вследствие эрозии почв; пыльные бури, морские брызги; биогенные аэрозоли
(пыльца, споры, микроорганизмы и др.).
К аэрозолям антропогенного происхождения обычно относят аэрозоли, образующиеся в результате сжигания
разнообразных видов топлива, выхлопные газы транспорта, выбросы промышленных предприятий, распыление пестицидов,
т.е. всё то, что связано с хозяйственной деятельностью человека.
К аэрозолям относят такие взвеси частичек в газе, в которых частички перемещаются в основном вместе с
потоками содержащего их газа, т.е. составляют с газом достаточно устойчивую систему. Для турбулентности, существующей
при умеренном ветре в приземном слое атмосферы и вещества с плотностью воды этому условию соответствуют частицы
сферической формы размером 40-60 мкм.
Пыль - общий термин, используемый для обозначения твердых частиц различных размеров и различного
происхождения, которые в общем случае могут некоторое время быть суспензированы в газе.
Дым - аэрозоль твердых частиц, образующихся главным образом при металлургических процессах при
конденсации паров расплавленных веществ, сопровождающихся обычно химическими реакциями, такими как окисление.
Туман - общий термин, относящийся к суспензии капелек в газе.
Наиболее часто используются следующие размерные фракции взвешенных частиц:
Общая пыль (TSP) - сумма взвешенных веществ: включает все находящиеся в воздухе частицы.
РМ-10: используется для частиц с аэродинамическим диаметром менее 10 мкм.
РМ-2,5: используется для частиц с аэродинамическим диаметром менее 2,5 мкм.
РМ-1: используется для частиц с аэродинамическим диаметром менее 1,0 мкм.
Грубая фракция (между 2,5 и 10 мкм).
Мельчайшая частица (наночастица): используется для частиц с аэродинамическим диаметром менее 0,1 мкм.
При этом под аэродинамическим диаметром понимается диаметр частицы с плотностью 1 г/см3, которая движется с
той же скоростью при данных условиях, что и рассматриваемая частица.
Пыль в атмосфере.
В настоящее время атмосферная пыль один из приоритетных загрязнителей при организации мониторинга
окружающего воздуха. Определение концентрации пыли различных фракций (общей, РМ10, РМ2.5, РМ1) необходимо для
получения фактических данных о качестве воздуха, выявления основных тенденций её изменения, оценки вреда,
наносимого здоровью в результате экспозиции к пыли.
Образование аэрозолей в природных и производственных процессах происходит двумя путями: диспергированием и
конденсацией. Аэрозоли диспергационного происхождения образуются при механическом измельчении твердых тел и
распылении жидкостей (дроблении, истирании, взрывах, разбрызгивании жидкостей и т.п.). Конденсационные аэрозоли
образуются при переходе насыщенных паров в жидкое или твердое состояние, а также при некоторых химических реакциях,
приводящих к появлению новых жидких или твердых фаз.
Свойства аэрозолей и способы их улавливания определяются, главным образом, концентрацией и размерами частиц
дисперсной фазы. Концентрацию аэрозолей обычно выражают массой дисперсной фазы в единице объема дисперсионной
среды. В частности, при санитарно-гигиеническом контроле состояния воздушной среды концентрацию аэрозолей (пыли,
тумана) выражают в мг на 1 м3 воздуха (мг/м3).
Для получения сопоставимых данных объем воздуха, аспирированный при отборе проб, приводят к стандартным условиям
пересчетом к 20° С и 760 мм рт. ст.
Если концентрацию аэрозолей определяют в воздухе высокой степени очистки (например, в производственных помещениях
электронной промышленности), то ее выражают количеством частиц в 1 см3 воздуха (счетная концентрация).
Другой важнейшей характеристикой аэрозолей, определяющее их физические свойства и степень их устойчивости, является
размер частиц дисперсной фазы, т. е. дисперсный состав аэрозолей.
По дисперсному составу аэрозоли подразделяют на грубодисперсные и высокодисперсные.
К высокодисперсным относятся аэрозоли с размерами частиц от одного до сотых долей микрона (мкм). Характерным
примером высокодисперсного аэрозоля является табачный дым, состоящий из частиц диаметром менее 0,3 мкм; частицы
подобных размеров содержатся и в выхлопных газах от автомашин.
Аэрозоли с размерами частиц 5—100 мкм и более условно относят к грубодисперсным. Грубодисперсные аэрозоли с
твердыми частицами называют пылями. Циклоны эффективно задерживают частицы пыли с размерами более 5—10 мкм, а
электрофильтры — аэрозоли с размерами частиц 0,5—1 мкм.
Высоко дисперсные аэрозоли с размерами частиц менее 1 мкм можно эффективно улавливать только одним способом —
фильтрацией через волокнистые фильтры с тонкими и сверхтонкими волокнами (материалы ФП, т. е. ткани Петрянова).
ПЫЛЬ ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ (а. process dust; н. Betriebsstaub; ф. poussiere industrielle; и. polvo industrial) — дисперсная
система, состоящая из частиц твёрдых веществ разнообразной формы, размера и физико-химических свойств, образующихся
в результате производственной деятельности. Размер частиц пыли производственной изменяется от долей мкм до 100 мкм.
По размерам частицы пыли производственной подразделяются на грубые (от 10 до 100 мкм), заметные невооружённым
глазом и оседающие достаточно быстро; микроскопические (от 0,25 до 10 мкм), видимые в обычные оптические микроскопы
и оседающие в неподвижном воздухе с постоянной скоростью; субмикроскопические (менее 0,25 мкм), обнаруживаемые
только при помощи электронных микроскопов, постоянно находящиеся в состоянии хаотического движения и практически не
оседающие в неподвижном воздухе. Дисперсные системы с частицами твёрдых веществ размером менее 0,1 мкм называется
дымами. Пыль, образующаяся в результате конденсации паров, называется возгоном.
Пыль производственная образуется в результате дробления различных пород, угля, распыления пылевидного топлива и его
сжигания, при переработке полезных ископаемых, при транспортировке и пересыпке материалов и т.п. Количество
оседающей пыли в промышленных городах и их окрестностях составляет сотни тонн на 1 км2 в год. Пыль производственная
разрушает оборудование, снижает качество выпускаемой продукции, вызывает профессиональные заболевания, ухудшает
санитарно-гигиенические условия труда, образует взрывоопасную и пожароопасную среду. Она может вызывать
аллергические заболевания, в т.ч. бронхиальную астму, распространять возбудителей туберкулёза, дифтерии, аскаридоза и
др. Пыль горнорудных предприятий и предприятий угольной промышленности вызывает профессиональные заболевания —
пневмокониозы (силикоз, антракоз, асбестоз, баритоз, талькоз и др.); радиоактивная пыль — радиационное поражение
организма человека, изменение состава крови. При сильной запылённости воздуха меняются спектр и интенсивность
солнечной радиации, снижается освещённость, что также влияет на состояние здоровья человека. Некоторые виды пыли
производственной могут вызывать заболевания кожи (дерматиты). При значительной запылённости атмосферы возможно
заболевание глаз.
Предупреждение заболеваний, вызванных пылью производственной, осуществляется при помощи медицинских осмотров,
соблюдения предельно допустимых концентраций (ПДК) пыли в воздухе и применения различных противопылевых
мероприятий. Соответствующими ГОСТами установлены определённые ПДК пыли на рабочих местах. Например, для
магнезита — 10 мг/м3, известняка — 6 мг/м3; асбеста, асбоцемента — 6 мг/м3; талька, слюды, флагонита, мусковита — 4
мг/м3; цемента, оливина, апатита, фосфорита — 6 мг/м3.
Ряд пылей (угольная, алюминиевая, магниевая, ацетатцеллюлозная, мучная, сахарная, серная и др.) при соответствующих
концентрациях и при наличии источника тепла воспламеняется и взрывается. Вероятность воспламенения пыли
производственной тем выше, чем выше её дисперсность. Взрывоопасные концентрации пыли изменяются в широких
пределах. Так, например, для угольной пыли (в зависимости от наличия газа метана) взрывоопасная концентрация
изменяется от 10 до 600 г/м3; серной и сульфидной — от 5 до 1000 г/м3.
Частицы пыли под действием естественных сил (тяжести, электростатических и магнитных) коагулируют и оседают. Скорость
оседания зависит от размера, плотности, формы, физического состояния частиц и газовоздушной среды.
Эффективные способы борьбы с пылью производственной: приточно-вытяжная вентиляция с последующей очисткой воздуха
от пыли фильтрами; пылеотсос; связывание осевшей пыли и смыв её в водоотводящие системы; увлажнение разрушаемого
горного массива; орошение мест пыления; промывка шпуров и скважин при их бурении; осаждение пыли из воздуха путём
орошения; герметизация пылящего оборудования, увлажнение пылящих материалов, использование пневмотранспорта. При
невозможности обеспечения ПДК организационно-техническими мероприятиями применяют средства индивидуальной
защиты, в частности противопылевые респираторы типов Ф-62Ш, "Астра-2", У-2С, "Лепесток", ПРШ-741, РПМ-73,
пневмокостюмы, скафандры, очки и др. К биологическим методам профилактики заболеваний, вызываемых действием пыли,
относятся ультрафиолетовое облучение организма, щёлочная ингаляция, специальное питание.
Эффективность противопылевых мероприятий оценивается по коэффициенту снижения концентрации пыли кэ, который
рассчитывается по формуле:
где Сн — первоначальная концентрация пыли, мг/м3;
Ск — концентрация пыли после применения средств и способов пылеподавления, мг/м3.
Контроль запылённости воздуха осуществляется либо с выделением пыли из воздуха (с определением её весового
содержания), либо фотоэлектрическими, электрометрическими и радиометрическими методами с определением весовой или
счётной концентрации пыли. Для контроля весовой и счётной концентраций пыли используются специальные приборы. На
предприятиях с высокой запылённостью утверждается график измерения концентраций пыли с установлением мест отбора
проб и периодичностью их отбора.
II. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ (ПДК) ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ
Величина ПДК (мг/м3)
№
п/п
Наименование вещества
№ САS
Лимитирую-
максималь-
средне-
щий
ная разовая
суточная
показатель
Формула
Класс
опасности
вредности
1
2
3
4
5
6
7
8
4
Азота диоксид
10102-44-0
NO2
0,085
0,04
рефл.-рез.
2
6
Азот (II) оксид
10102-43-9
NO
0,4
0,06
рефл.
3
57
Бензол
71-43-2
С6Н6
0,3
0,1
рез.
2
102
Бутилацетат
123-86-4
С6Н12O2
0,1
-
рефл.
4
387
Озон
О3
0,16
0,03
рeз.
1
392
Октан-1-ол
111-87-5
C8H18O
0,6
0,2
рефл.-рез.
3
463
Сера диоксид
7446-09-5
О2S
0,5
0,05
рефл.-рез.
3
604
Этилбензол
100-41-4
С8Н10
0,02
-
рефл.
3
109
Взвешенные вещества <*>
0,5
0,15
рез
3
0028-15-6
<*> Недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе населенных|
|пунктов. ПДК взвешенных веществ не распространяется на аэрозоли органических и|
|неорганических соединений (металлов, их солей, пластмасс, биологических, лекарственных|
|препаратов и др.), для которых устанавливаются соответствующие ПДК.
Особенности
действия на
организм
Класс опасности
Преимущественное
агрегатное
состояние в воздухе
в условиях
производства
Величина ПДК, мг/м3
Формула
№ СAS
Наименование
вещества
№№ п/п
II. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны
1
2
3
4
5
6
7
8
4
Азота диоксид
10102-44-0
NO2
2
п
3
О
5
Азота оксиды /в пересчете на NO2/
5
п
3
О
264
Бензол+
71-43-2
С6Н6
15/5
п
2
К
411
Бутилацетат
123-86-4
C6H12О2
200/50
п
4
1550
Нонан-1-ол
143-08-8
C9H20O
10
п+a
3
1551
Нонан-5-он+
502-56-7
C9H18O
20
п
4
1555
Озон
10028-15-6
O3
0,1
п
1
1793
Сера диоксид+
7446-09-5
O2S
10
п
3
2338
Этилбензол
100-41-4
С8Н10
150/50
п
4
О
Очевидным и наиболее рекомендуемым методом улучшения качества внутреннего воздуха является уменьшение количества
источников загрязнения в здании, в том числе в системах ОВК.
При этом следует обратить особое внимание на следующие три источника загрязнений:
1) фильтры твердых частиц;
2) строительные материалы (в том числе напольные покрытия);
3) персональные компьютеры.
Особенно серьезными источниками загрязнения являются фильтры твердых частиц, т. к. они снижают качество воздуха даже
еще перед подачей этого воздуха в вентилируемое пространство. Более того, большой расход воздуха, проходящего через
фильтр, увеличивает, как уже упоминалось, выделение загрязняющих веществ из частиц, захваченных фильтром, так что
качество воздуха за фильтром не повышается. Это объясняет, почему увеличение расхода вентиляционного воздуха в
помещениях с механической вентиляцией улучшает качество воздуха лишь ненамного или вообще не улучшает. Это также
может объяснить, почему в некоторых случаях качество воздуха в зданиях с механической вентиляцией или даже с
системами кондиционирования воздуха хуже, чем в зданиях с естественной вентиляцией (зимой). Поэтому фильтры в
системах ОВК рекомендуется менять очень часто, а еще лучше – произвести их замену на альтернативное оборудование,
которое для защиты системы ОВК может удалять частицы из воздуха, не скапливая загрязняющую пыль в потоках воздуха.
Вторым источником загрязнений в здании являются строительные и прочие материалы. Рекомендуется избегать
использования материалов, выделяющих фталаты, особенно диэтилгексилфталаты. Рекомедуется также не применять
напольных покрытий, если только они не прошли тщательных испытаний. Предполагается, что рекомендации по напольным
покрытиям и другим материалам в будущем станут более жесткими, чем те, которые задаются в настоящее время в
различных рекомендациях и предписаниях по критериям маркировки.
Следуя указанным выше рекомендациям для фильтров, материалов и напольных покрытий, было предложено для зданий с
малой концентрацией загрязняющих веществ снизить текущее требование, определяемое значением 0,1 ольф/м2 площади
здания (CEN, 1998), до 0,02 ольф/м2 площади.
Необходимо также учитывать, что материалы, находящиеся в помещении, могут работать как поглотители загрязняющих
веществ, присутствующих в воздухе. В одном из исследований, проведенном в 2005 году, при помощи сенсорных методов
демонстрируется, что панели сухой штукатурки и специально подготовленные сорбирующие материалы могут существенно
повысить качество внутреннего воздуха.
Другой источник загрязнений – мониторы с электронно-лучевой трубкой. Рекомендуется не приоб-ретать больше такие
компьютеры, а вместо них закупать компьютеры с низким уровнем загрязнения среды и использовать плоские мониторы,
выделяющие лишь незначительное количество загрязняющих веществ. Так как поколения компьютеров сменяются каждые
три года и загрязнение от компьютеров снижается в наибольшей степени через 4–5 месяцев после их замены, то при
использовании указанных выше рекомендаций нагрузка от существующего парка персональных компьютеров может вскоре
быстро снизиться.
Предполагается, что при следовании указанным выше рекомендациям по контролю источников загрязнений показатель
загрязнения во многих существующих офисных зданиях может понизиться в четыре раза.
Очистка воздуха
Описание существующих методов очистки воздуха от вредных газообразных примесей.
В настоящее время разработано и опробовано в промышленности большое количество различных методов очистки
газов от технических загрязнений: NOx, SO2, H2S, NH3, оксида углерода, различных органических и неорганических
веществ.
Опишем эти основные методы и укажем их преимущества и недостатки.
Абсорбционный метод.
Абсорбция представляет собой процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе.
Абсорбционные системы разделяют на водные и неводные. Во втором случае применяют обычно малолетучие органические
жидкости. Жидкость используют для абсорбции только один раз или же проводят ее регенерацию, выделяя загрязнитель в
чистом виде . Схемы с однократным использованием поглотителя применяют в тех случаях, когда абсорбция приводит
непосредственно к получению готового продукта или полупродукта. В качестве примеров можно назвать:



получение минеральных кислот (абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция


сульфата кальция),
оксидов азота в производстве азотной кислоты) ,
получение солей ( абсорбция оксидов азота щелочными растворами с получением нитрит-нитратных щелоков,
абсорбция водными растворами извести или известняка с получением
других веществ (абсорбция NH3 водой для получения аммиачной воды и др.).
Схемы с многократным использованием поглотителя (циклические процессы) распространены шире. Их применяют
для улавливания углеводородов , очистки от SO2 дымовых газов ТЭС , очистки вентгазов от сероводорода железно-содовым
методом с получением элементарной серы , моноэтаноламиновой очистки газов от СО2 в азотной промышленности.
В зависимости от способа создания поверхности соприкосновения фаз различают поверхностные, барботажные и
распыливающие абсорбционные аппараты.
В первой группе аппаратов поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости или поверхность
текучей пленки жидкости. Сюда же относят насадочные абсорбенты, в которых жидкость стекает по поверхности
загруженной в них насадки из тел различной формы. Во второй группе абсорбентов поверхность контакта увеличивается
благодаря распределению потоков газа в жидкость в виде пузырьков и струй. Барботаж осуществляют путем пропускания
газа через заполненный жидкостью аппарат либо в аппаратах колонного типа с тарелками различной формы.
В третьей группе поверхность контакта создается путем распыления жидкости в массе газа. Поверхность контакта и
эффективность процесса в целом определяется дисперсностью распыленной жидкости.
Наибольшее распространение получили насадочные (поверхностные) и барботажные тарельчатые абсорберы .Для
эффективного применения водных абсорбционных сред удаляемый компонент должен хорошо растворяться в абсорбционной
среде и часто химически взаимодействовать с водой, как, например, при очистке газов от HCl, HF, NH3, NO2. Для абсорбции
газов с меньшей растворимостью ( SO2, Cl2, H2S ) используют щелочные растворы на основе NaOH или Ca(OH)2. Добавки
химических реагентов во многих случаях увеличивают эффективность абсорбции благодаря протеканию химических реакций
в пленке . Для очистки газов от углеводородов этот метод на практике используют значительно реже, что обусловлено,
прежде всего, высокой стоимостью абсорбентов. Общими недостатками абсорбционных методов является образование
жидких стоков и громоздкость аппаратурного оформления.
Адсорбционный метод.
Адсорбционный метод являются одним из самых распространенных средств защиты воздушного бассейна от
загрязнений. Только в США введены и успешно эксплуатируются десятки тысяч адсорбционных систем. Основными
промышленными адсорбентами являются активированные угли, сложные оксиды и импрегнированные сорбенты.
Активированный уголь (АУ) нейтрален по отношению к полярным и неполярным молекулам адсорбируемых соединений. Он
менее селективен, чем многие другие сорбенты, и является одним из немногих, пригодных для работы во влажных газовых
потоках. Активированный уголь используют, в частности, для очистки газов от дурно пахнущих веществ, рекуперации
растворителей и т.д.
Оксидные адсорбенты (ОА) обладают более высокой селективностью по отношению к полярным молекулам в силу
собственного неоднородного распределения электрического потенциала. Их недостатком является снижение эффективности
в присутствии влаги. К классу ОА относят силикагели, синтетические цеолиты, оксид алюминия.
Можно выделить следующие основные способы осуществления процессов адсорбционной очистки:

После адсорбции проводят десорбцию и извлекают уловленные компоненты для повторного использования. Таким
способом улавливают различные растворители, сероуглерод в производстве искусственных волокон и ряд других
примесей.

После адсорбции примеси не утилизируют, а подвергают термическому или каталитическому дожиганию. Этот
способ применяют для очистки отходящих газов химико-фармацевтических и лакокрасочных предприятий,
пищевой промышленности и ряда других производств. Данная разновидность адсорбционной очистки экономически
оправдана при низких концентрациях загрязняющих веществ и (или) многокомпонентных загрязнителей.

После очистки адсорбент не регенерируют, а подвергают, например, захоронению или сжиганию вместе с прочно
хемосорбированным загрязнителем . Этот способ пригоден при использовании дешевых адсорбентов.
Для десорбции примесей используют нагревание адсорбента, вакуумирование, продувку инертным газом, вытеснение
примесей более легко адсорбирующимся веществом, например, водяным паром. В последнее время особое внимание уделяют
десорбции примесей путем вакуумирования, при этом их часто удается легко утилизировать.
Для проведения процессов адсорбции разработана разнообразная аппаратура. Наиболее распространены адсорберы с
неподвижным слоем гранулированного или сотового адсорбента. Непрерывность процессов адсорбции и регенерации
адсорбента обеспечивается применением аппаратов с кипящим слоем.
В последние годы все более широкое применение получают волокнистые сорбционно-активные материалы. Мало
отличаясь от гранулированных адсорбентов по своим емкостным характеристикам, они значительно превосходят их по ряду
других показателей. Например, их отличает более высокая химическая и термическая стойкость, однородность пористой
структуры, значительный объем микропор и более высокий коэффициент массопередачи ( в 10-100 раз больше, чем у
сорбционных материалов). Установки, в которых используются волокнистые материалы, занимают значительно меньшую
площадь. Масса адсорбента при использовании волокнистых материалов меньше, чем при использовании АУ в 15-100 раз, а
масса аппарата в 10 раз. Сопротивление слоя не превышает при этом 100 Па.
Повысить технико-экономические показатели существующих процессов удается
организации стадии десорбции, например, за счет программированного подъема температуры.
также
путем
оптимальной
Следует отметить эффективность очистки на активированных углях сотовой (ячеистой) структуры, обладающих
улучшенными гидравлическими характеристиками. Такие сорбенты могут быль получены нанесением определенных
композиций с порошком АУ на вспененную синтетическую смолу или вспениванием смеси заданного состава, содержащей АУ
, а также выжиганием наполнителя из смеси, включающей АУ вместе со связующим .
Еще одним направлением усовершенствования адсорбционных методов очистки является разработка новых
модификаций адсорбентов – силикагелей и цеолитов, обладающих повышенной термической и механической прочностью.
Однако гидрофильность этих адсорбентов затрудняет их применение.
Наибольшее распространение получили адсорбционные методы извлечения из отходящих газов растворителей, в том
числе хлорорганических. Это связано с высокой эффективностью процесса очистки газов (95-99%), отсутствием химических
реакций образования вторичных загрязнителей, быстрой окупаемостью рекуперационных установок ( обычно 2-3 года)
благодаря повторному использованию растворителей и длительным ( до 10 лет) сроком службы АУ. Ведутся активные работы
по адсорбционному извлечению из газов оксидов серы и азота.
Адсорбционные методы являются одним из самых распространенных в промышленности способов очистки газов. Их
применение позволяет вернуть в производство ряд ценных соединений. При концентрациях примесей в газах более 2-5 мг/ м
куб. очистка оказывается даже рентабельной. Основной недостаток адсорбционного метода заключается в большой
энергоемкости стадий десорбции и последующего разделения, что значительно осложняет его применение для
многокомпонентных смесей.
Термическое дожигание.
Дожигание представляет собой метод обезвреживания газов путем термического окисления различных вредных
веществ, главным образом органических, в практически безвредных или менее вредных, преимущественно СО2 и Н2О.
Обычные температуры дожигания для большинства соединений лежат в интервале 750-1200 град.С. Применение
термических методов дожигания позволяет достичь 99%-ной очистки газов.
При рассмотрении возможности и целесообразности термического обезвреживания необходимо учитывать характер
образующихся продуктов горения. Продукты сжигания газов, содержащих соединения серы, галогенов, фосфора, могут
превосходить по токсичности исходный газовый выброс. В этом случае необходима дополнительная очистка. Термическое
дожигание весьма эффективно при обезвреживании газов, содержащих токсичные веществав виде твердых включений
органического происхождения ( сажа, частицы углерода, древесная пыль и т.д.).
Важнейшими факторами, определяющими целесообразность термического обезвреживания, являются затраты энергии
(топлива) для обеспечения высоких температур в зоне реакции, калорийность обезвреживаемых примесей, возможность
предварительного подогрева очищаемых газов. Повышение концентрации дожигаемых примесей ведет к значительному
снижению расхода топлива. В отдельных случаях процесс может протекать в автотермическом режиме, т. е. рабочий режим
поддерживается только за счет тепла реакции глубокого окисления вредных примесей и предварительного подогрева
исходной смеси отходящими обезвреженными газами.
Принципиальную трудность при использовании
загрязнителей, таких как оксиды азота, хлор, SO2 и др.
термического
дожигания
создает
образование
вторичных
Термические методы широко применяются для очистки отходящих газов от токсичных горючих соединений.
Разработанные в последние годы установки дожигания отличаются компактностью и низкими энергозатратами. Применение
термических методов эффективно для дожигания пыли многокомпонентных и запыленных отходящих газов.
Термокаталитические методы.
Каталитические методы газоочистки отличаются универсальностью. С их помощью можно освобождать газы от
оксидов серы и азота, различных органических соединений, монооксида углерода и других токсичных примесей.
Каталитические методы позволяют преобразовывать вредные примеси в безвредные, менее вредные и даже полезные. Они
дают возможность перерабатывать многокомпонентные газы с малыми начальными концентрациями вредных примесей,
добиваться высоких степеней очистки, вести процесс непрерывно, избегать образования вторичных загрязнителей.
Применение каталитических методов чаще всего ограничивается трудностью поиска и изготовления пригодных для
длительной эксплуатации и достаточно дешевых катализаторов. Гетерогенно-каталитическое превращение газообразных
примесей осуществляют в реакторе, загруженном твердым катализатором в виде пористых гранул, колец, шариков или
блоков со структурой, близкой к сотовой. Химическое превращение происходит на развитой внутренней поверхности
катализаторов, достигающей 1000 м кв. / г.
В качестве эффективных катализаторов, находящих применение на практике, служат самые различные вещества – от
минералов, которые используются почти без всякой предварительной обработки, и простых массивных металлов до сложных
соединений заданного состава и строения. Обычно каталитическую активность проявляют твердые вещества с ионными или
металлическими связями, обладающие сильными межатомными полями. Одно из основных требований, предъявляемых к
катализатору - устойчивость его структуры в условиях реакции. Например, металлы не должны в процессе реакции
превращаться в неактивные соединения.
Современные катализаторы обезвреживания характеризуются высокой активностью и селективностью, механической
прочностью и устойчивостью к действию ядов и температур. Промышленные катализаторы, изготавливаемые в виде колец и
блоков сотовой структуры, обладают малым гидродинамическим сопротивлением и высокой внешней удельнойповерхностью.
Наибольшее распространение получили каталитические методы обезвреживания отходящих газов в неподвижном
слое катализатора. Можно выделить два принципиально различных метода осуществления процесса газоочистки - в
стационарном и в искусственно создаваемом нестационарном режимах.
1. Стационарный метод.
Приемлемые для практики скорости химических реакций достигаются на большинстве дешевых промышленных
катализаторов при температуре 200-600 град С. После предварительной очистки от пыли (до 20 мг/ м куб.) и различных
каталитических ядов (As,Cl2 и др.) газы обычно имеют значительно более низкую температуру.
Подогрев газов до необходимых температур можно осуществлять за счет ввода горячих дымовых газов или с помощью
электроподогревателя. После прохождения слоя катализатора очищенные газы выбрасываются в атмосферу, что требует
значительных энергозатрат. Добиться снижения энергозатрат можно, если тепло отходящих газов использовать для
нагревания газов, поступающих в очистку. Для нагрева служат обычно рекуперативные трубчатые теплообменники.
При определенных условиях, когда концентрация горючих примесей в отходящих газах превышает 4-5 г/м куб.,
осуществление процесса по схеме с теплообменником позволяет обойтись без дополнительных затрат.
Такие аппараты могут эффективно работать только при постоянных концентрациях (расходах) или при использовании
совершенных систем автоматического управления процессом.
Эти трудности удается преодолеть, проводя газоочистку в нестационарном режиме.
2. Нестационарный метод ( реверс-процесс).
Реверс-процесс предусматривает периодическое изменение направлений фильтрации газовой смеси в слое
катализатора с помощью специальных клапанов. Процесс протекаетследующим образом. Слой катализатора предварительно
нагревают до температуры, при которой каталитический процесс протекает с высокой скоростью. После этого в аппарат
подают очищенный газ с низкой температурой, при которой скорость химического превращения пренебрежимо мала. От
прямого контакта с твердым материалом газ нагревается, и в слое катализатора начинает с заметной скоростью идти
каталитическая реакция. Слой твердого материала (катализатора), отдавая тепло газу, постепенно охлаждается до
температуры, равной температуре газа на входе. Поскольку в ходе реакции выделяется тепло, температура в слое может
превышать температуру начального разогрева. В реакторе формируется тепловая волна, которая перемещается в
направлении фильтрации реакционной смеси, т.е. в направлении выхода из слоя. Периодическое переключение
направления подачи газа на противоположное позволяет удержать тепловую волну в пределах слоя как угодно долго.
Преимущество этого метода в устойчивости работы при колебаниях концентраций горючих смесей и отсутствие
теплообменников.
Основным направлением развития термокаталитических методов является создание дешевых катализаторов,
эффективно работающих при низких температурах и устойчивых к различным ядам, а также разработка энергосберегающих
технологических процессов с малыми капитальными затратами на оборудование. Наиболее массовое применение
термокаталитические методы находят при очистке газов от оксидов азота, обезвреживании и утилизации разнообразных
сернистых соединений, обезвреживания органических соединений и СО.
Для концентраций ниже 1 г/м куб. и больших объемов очищаемых газов использование термокаталитического метода
требует высоких энергозатрат, а также большого количества катализатора.
Озонные методы.
Озонные методы применяют для обезвреживания дымовых газов от SO2(NOx) и дезодорации газовых выбросов
промышленных предприятий. Введение озона ускоряет реакции окисление NO до NO2 и SO2 до SO3 . После образования
NO2 и SO3 в дымовые газы вводят аммиак и выделяют смесь образовавшихся комплексных удобрений (сульфата и нитрата
аммония).Время контакта газа с озоном, необходимое для очистки от SO2 (80-90%) и NOx (70-80%)составляет 0,4 – 0,9 сек.
Энергозатраты на очистку газов озонным методом оценивают в 4-4,5% от эквивалентной мощности энергоблока, что
является, по-видимому, основной причиной, сдерживающей промышленное применение данного метода.
Применение озона для дезодорации газовых выбросов основано на окислительном разложении дурно пахнущих
веществ. В одной группе методов озон вводят непосредственно в очищаемые газы, в другой газы промывают предварительно
озонированной водой. Применяют также последующее пропускание озонированного газа через слой активированного угля
или подачуего на катализатор . При вводе озона и последующем пропускании газа через катализатор температура
превращения таких веществ как амины, ацетальдегид, сероводород и др.понижается до 60-80 град.С. В качестве
катализатора используют как Pt/Al2O3, так и оксиды меди, кобальта, железа на носителе. Основное применение озонные
методы дезодорации находят при очистке газов, которые выделяются при переработке сырья животного происхождения на
мясо- (жиро-)комбинатах и в быту.
Биохимические методы.
Биохимические методы очистки основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные
соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами в среде
очищаемых газов. При частом изменении состава газа микроорганизмы не успевают адаптироваться для выработки новых
ферментов, и степень разрушения вредных примесей становится неполной. Поэтому биохимические системы более всего
пригодны для очистки газов постоянного состава.
Биохимическую газоочистку проводят либо в биофильтрах, либо в биоскрубберах. В биофильтрах очищаемый газ
пропускают через слой насадки, орошаемый водой, которая создает влажность, достаточную для поддержания
жизнедеятельности микроорганизмов. Поверхность насадки покрыта биологически активной биопленкой (БП) из
микроорганизмов.
Микроорганизмы БП в процессе своей жизнедеятельности поглощают и разрушают содержащиеся в газовой среде
вещества, в результате чего происходит рост их массы. Эффективность очистки в значительной мере определяется
массопереносом из газовой фазы в БП и равномерным распределением газа в слое насадки. Такого рода фильтры
используют, например, для дезодорации воздуха. В этом случае очищаемый газовый поток фильтруется в условиях
прямотока с орошаемой жидкостью, содержащей питательные вещества. После фильтра жидкость поступает в отстойники и
далее вновь подается на орошение.
В настоящее время биофильтры используют для очистки отходящих газов от аммиака, фенола, крезола,
формальдегида, органических растворителей покрасочных и сушильных линий, сероводорода, метилмеркаптана и других
сероорганических соединений.
К недостаткам биохимических методов следует отнести, во-первых, низкую скорость биохимических реакций, что
увеличивает габариты оборудования; во-вторых, специфичность (высокую избирательность) штаммов микроорганизмов, что
затрудняет переработку многокомпонентных смесей; в-третьих, трудоемкость переработки смесей переменного состава.
Плазмохимические методы.
Плазмохимический метод основан на пропускании через высоковольтный разряд воздушной смеси с вредными
примесями. Используют, как правило, озонаторы на основе барьерных,коронных или скользящих разрядов, либо импульсные
высокочастотные разряды на электрофильтрах. Проходящий низкотемпературную плазму воздух с примесями подвергается
бомбардировке электронами и ионами. В результате в газовой среде образуется атомарный кислород, озон, гидроксильные
группы, возбуждённые молекулы и атомы, которые и участвуют в плазмохимических реакциях с вредными примесями.
Основные направления по применению данного метода идут по удалению SO2, NOx и органических соединений.
Использование аммиака, при нейтрализации SO2 и NOx, дает на выходе после реактора порошкообразные удобрения
(NH4)2SO4 и NH4NH3, которые фильтруются.
Недостатком данного метода являются:

недостаточно полное разложение вредных веществ до воды и углекислого газа, в случае окисления органических
компонентов, при приемлимых энергиях разряда


наличие остаточного озона, который необходимо разлагать термически либо каталитически
существенная зависимость от концентрации пыли при использовании озонаторов с применением барьерного
разряда.
Плазмокаталитический метод
Это довольно новый способ очистки, который использует два известных метода – плазмохимический и
каталитический. Установки, работающие на основе этого метода, состоят из двух ступеней. Первая – это плазмохимический
реактор (озонатор), вторая - каталитический реактор. Газообразные загрязнители, проходя зону высоковольтного разряда в
газоразрядных ячейках и взаимодействуя с продуктами электросинтеза, разрушаются и переходят в безвредные соединения,
вплоть до СО2 и Н2О. Глубина конверсии (очистки) зависит от величины удельной энергии, выделяющейся в зоне реакции.
После плазмохимического реактора воздух подвергается финишной тонкой очистке в каталитическом реакторе.
Синтезируемый в газовом разряде плазмохимического реактора озон попадает на катализатор, где сразу распадается на
активный атомарный и молекулярный кислород. Остатки загрязняющих веществ ( активные радикалы, возбужденные атомы
и молекулы), не уничтоженные в плазмохимическом реакторе, разрушаются на катализаторе благодаря глубокому
окислению кислородом.
Преимуществом этого метода являются использование каталитических реакций при температурах, более низких (40100 град.С), чем при термокаталитическом методе, что приводит к увеличению срока службы катализаторов, а также к
меньшим энергозатратам ( при концентрациях вредных веществ до 0,5 г/ м куб.).
Недостатками данного метода являются:

большая зависимость от концентрации пыли, необходимость предварительной очистки до концентрации 3-5 мг/м
куб.,

при больших концентрациях вредных веществ( свыше 1 г/м куб.) стоимость оборудования и эксплуатационные
расходы превышают соответствующие затраты в сравнении с термокаталитическим методом
Фотокаталитический метод.
Сейчас широко изучается и развивается фотокаталитический метод окисления органических соединений. В основном
при этом используются катализаторы на основе ТiО2 , которые облучаются ультрафиолетом. Известны бытовые очистители
воздуха японской фирмы «Daikin», использующие этот метод. Недостатком метода является засорение катализатора
продуктами реакции. Для решения этой задачи используют введение в очищаемую смесь озона, однако данная технология
применима для ограниченного состава органических соединений и при небольших концентрациях.
Индивидуальная вентиляция
Если, например, в офис подается наружный воздух с расходом 10 л/с на человека, вдыхается только 0,1 л/с на человека или
1 %. Остальная часть подаваемого воздуха, т. е. его 99 %, не используется. Таким образом, наблюдается очевидная
бесполезная растрата воздуха. И этот 1 % вдыхаемого вентиляционного воздуха не является чистым – он загрязняется
биологическими выделениями, выделениями от строительных материалов, компьютеров и других источников загрязнения в
помещении.
Согласно традиционной практике проектирования, идеальным решением является полное смешивание чистого приточного
воздуха и присутствующих в комнатном воздухе загрязняющих веществ. В будущем будут необходимы системы, подающие
меньшее количество чистого воздуха, но непосредственно в зону дыхания каждого отдельного человека.
Основная идея – обеспечение каждого человека, находящегося в помещении, чистым воздухом, который в минимальной
степени засоряется источниками загрязнений в помещении.
В офисах индивидуальная вентиляция может обеспечиваться при помощи отдельных, легко перемещаемых выпускных
отверстий. При идеальных условиях каждый человек может вдыхать чистый воздух из центра струи приточного воздуха, где
воздух не смешивается с загрязненным комнатным воздухом и имеет низкую скорость истечения и турбулентность, благодаря
чему не образуются сквозняки.
В настоящее время проводятся исследования и разработка таких систем. На основании этих исследований можно реально
ожидать, что при помощи надлежащим образом разработанных выпускных отверстий может быть достигнута эффективность
вентиляции порядка 10 л/с и более, т. е. индивидуальная вентиляция может повысить качество вдыхаемого воздуха на
порядок. Важной особенностью этой концепции является то, что каждый человек может легко регулировать положение
выпускного отверстия, расход и даже температуру приточного воздуха.
Охлаждение и осушение воздуха
Всесторонние исследования показали, что на качество воздуха, ощущаемое находящимися в помещении людьми, влияет
также влажность и температура воздуха.
Люди предпочитают более сухой и прохладный воздух, для них приятно возникающее при каждом вдохе чувство прохлады в
дыхательных путях.
Высокая энтальпия воздуха означает, что вдыхаемый воздух обладает низкой охлаждающей способностью, поэтому он не
может обеспечить достаточное конвективное и испарительное охлаждение дыхательных путей, особенно в носу. Такой
недостаток должного охлаждения тесно связан с низким ощущаемым качеством воздуха.
Исследования показали, что снижение температуры воздуха на 2–3 °С, например, с 23–24 до 21 °С, может повысить
показатель качества внутреннего воздуха в два раза.
Снижение относительной влажности, вплоть до значения 20 %, также положительно влияет на качество воздуха. Меньшее
значение влажности может уже отрицательно сказываться на здоровье и производительности труда людей.
Эффект комбинированного применения указанных методов
Интересно рассмотреть вопрос – что будет, если для повышения качества внутреннего воздуха мы одновременно используем
все описанные методы?
Если мы возьмем для типичного офисного помещения исходные величины температуры 23–24 °С и интенсивности
вентиляции 10 л/с на человека и будем использовать контроль источников загрязнений, очистку воздуха и индивидуальную
вентиляцию, то мы можем снизить концентрацию загрязняющих веществ в 4 • 5 • 10 = 200 раз, не увеличивая при этом
интенсивность вентиляции. При этих грубых оценках предполагается, что наружный воздух является чистым.
Снижением температуры (и влажности) мы можем увеличить ощущаемое качество воздуха еще в два раза, т. е. до уровня
400. Конечно, нам не нужно такое кардинальное повышение значения качества внутреннего воздуха. На практике
необходимы меньшие значения, следовательно, на этом пути имеются дополнительные возможности для экономии энергии
при снижении расхода вентиляционного воздуха.
Заключение
В холодном климате увеличение показателя качества внутреннего воздуха в 2–7 раз, по сравнению с обычной практикой,
снижает в жилых помещениях вероятность заболевания астмой и проявления аллергических симптомов, повышает
производительность труда в офисе, повышает эффективность учебного процесса в школах.
Для снижения количества людей, не удовлетворенных качеством воздуха с 15–30 %, допускаемых существующими
стандартами и предписаниями, до незначительной величины необходимо повышение показателя качества внтуреннего
воздуха на 1–2 порядка.
Предлагаются методы, которые могут обеспечить такое значительное улучшение качества воздуха, причем одновременное
использование этих методов позволяет снизить расход вентиляционного воздуха и потребление энергии.
Для достижения качества воздуха, при котором даже наиболее чувствительные люди смогут оценить его как приемлемое, в
будущем необходимо изменение наиболее общих концепций. Такие изменения необходимы, если мы хотим научиться
обрабатывать воздух в помещениях таким образом, чтобы люди ощущали его таким же приятным и свежим, как наружный
воздух хорошего качества.
Используемые материалы.
1. П. Оле Фангер, профессор, директор Международного центра качества среды обитания и энергосбережения при Датском
техническом университете, почетный член НП «АВОК»
2. Материалы семинара: 6–7 декабря 2012, г. Киев, семинар-практикум «Чистые помещения и системы воздухоподготовки:
требования GMP»,
3. Стандарт EN 13779.