综述：可过滤和可凝结颗粒物的协同分离：关键综述与未来展望

《Separation and Purification Technology》：Synergistic separation of filterable and condensable particulate matter: a critical review and future perspectives

　　

摘要

工业源排放的细颗粒物（PM2.5）是区域空气污染和严重健康风险的关键贡献者。在实际工程应用中，可过滤颗粒物（FPM）与可凝结颗粒物（CPM）在理化性质和形成机制上的巨大差异，给旨在实现高效协同去除的传统空气污染控制系统带来了重大挑战。这一困难因长期以来对 CPM 排放的忽视以及缺乏专门的处理技术而进一步加剧，从而增加了总颗粒物（TPM）的环境负担。为解决这些行业痛点，本文进行了系统的回顾和前瞻性分析。首先，基于源解析和多相转化机制，首次详细揭示了 FPM 和 CPM 的具体组成和潜在减排原理。其次，系统评估了现有单独分离技术的调控机制、运行边界和多场耦合增强途径。在此基础上，前所未有地提出了级联耦合系统的设计准则，促成了基于污染物特性匹配的逐步减排控制框架的创新开发。最终，前瞻性地介绍了人工智能集成控制技术和智能预测调控途径的未来方向。本研究有望为高效精确的 PM2.5 协同去除技术的发展提供强有力的理论支持和工程指导。

引言

随着经济发展和人口增长，全球能源需求稳步增加。2024 年，全球一次能源消费总量达到 592 艾焦（EJ）。其中化石燃料占比超过 85% [1]。作为最大的能源消费国之一，中国 2024 年的消费量为 141 EJ，占全球化石能源消费的 27.5%（图 1）[2]。然而，化石燃料燃烧会产生大量粒径范围在 10?3 至 102 μm 的颗粒物，即总悬浮颗粒物（TSP），这是雾霾、酸雨和臭氧层耗竭等严重空气污染现象的主要原因 [3]，[4]。更重要的是，PM2.5 具有粒径小、比表面积大和吸附能力强等特点。它极易携带有毒物质进入人体呼吸和循环系统，从而引起呼吸系统和心血管疾病，并显著增加死亡率 [5]，[6]，[7]。根据世界卫生组织（WHO）的统计，PM2.5 每年导致数百万人过早死亡，并被列为全球死亡风险第五大因素 [8]，[9]，[10]。

为应对 PM2.5 污染，全球各地已引入日益严格的环境空气质量目标（表 1）。2021 年《WHO 全球空气质量准则》（AQG）将推荐的 PM2.5 年均和 24 小时浓度分别降低至 5 和 15 μg/m3。随后，主要经济体也相继收紧监管（图 2）。例如，美国于 2024 年将 PM2.5 年均国家环境空气质量标准降至 9 μg/m3，而修订后的欧盟环境空气质量指令确立了到 2030 年要达到 10 μg/m3 的年度限值。中国也实施了修订后的 GB 3095–2026，进一步收紧了 PM2.5 浓度限值。这些发展表明，全球正明显转向更严格的环境细颗粒物污染控制。

然而，固定燃烧源排放的总颗粒物（TPM）包括可过滤颗粒物（FPM）和可凝结颗粒物（CPM）。迄今为止，几乎所有研究都集中在 FPM 上，而 CPM 经常被忽视。这表明环境 PM 标准日益严格，并未伴随着源特异性 CPM 法规的同等发展。美国已建立了 CPM 测量方法 202 法，并将可凝结排放纳入 PM2.5/PM10 清单和许可框架 [11]。加拿大也建立了专用的 CPM 测量参考方法，其中 H 法量化可凝结部分，I 法将 FPM2.5 和 CPM 合并为 TPM2.5 [12]。相比之下，大多数其他监管系统仍然主要通过总或可过滤 PM 指标来管理固定源颗粒物排放，而统一的 CPM 特异性测量要求和数值排放限值仍然有限。这种监管差距可能导致对总一次颗粒物排放的低估，特别是在超低排放条件下，并进一步凸显了加强 FPM 和 CPM 协同控制的必要性。

受这一新兴关注点的驱动，越来越多的研究注意力被投入到颗粒物的形成机制和控制技术上，尽管关于 CPM 的研究比 FPM 发展得相对较晚（图 3）。Feng 等人 [13] 系统总结了 CPM 的定义、测量方法及其与 FPM 的区别。该研究指出，由于监测和控制过程中存在显著的不确定性，CPM 的排放通常被严重低估。Wang 等人 [14] 进一步总结了 CPM 的组成特征和测量偏差问题，并强调在超低排放条件下，CPM 对 TPM 的贡献显著增加。随后，在 Peng 等人 [15] 的研究中，研究重点转向 CPM 中有机组分的控制策略，首次回顾了催化氧化、吸附、冷凝以及与脱硫和脱硝装置耦合的最新研究进展。此外，值得注意的是，一些研究也从工程角度对多污染物协同控制和除尘技术优化进行了初步讨论（Asif 等人 [16]；Afshari 等人 [17]；Fayyazbakhsh 等人 [18]；Yue 等人 [19]；Lv 等人 [20]）。

尽管取得了这些进展，对 FPM 和 CPM 协同控制的系统理解仍然有限 [21]。Feng 等人 [13] 和 Wang 等人 [14] 以 CPM 为中心的综述主要通过讨论其定义、形成、测量和组成来建立对 CPM 的基本理解，而 Peng 等人 [15] 专门集中在有机 CPM 的缓解上。相比之下，多污染物排放控制综述 [16]，[18] 将颗粒物视为更广泛污染物系统中的一个组成部分，因此没有区分 FPM 和 CPM 的去除和转化行为。其他综述 [17]，[19]，[20] 专注于特定技术或应用场景。尽管这些研究在其各自范围内提供了有价值的知识，但仍存在三个相互关联的研究空白。首先，FPM 和 CPM 通常是分开讨论的，它们的差异、相互作用和转化关系尚未得到系统整合。其次，现有分离技术通常是独立评估的，对其适用性、局限性和耦合潜力的比较有限。第三，FPM 和 CPM 在分离单元之间的迁移和转化尚未得到全面总结，缺乏面向工程的协同控制框架。共同地，这些空白表明需要一份以 FPM 和 CPM 协同分离和控制为中心的系统综述。

因此，本综述系统评估了 FPM 和 CPM 的协同分离，并提出了相应的前瞻性框架。首先，从源解析和多相转化的角度阐明了 FPM 和 CPM 的具体组成、理化特性和潜在减排原理。其次，系统评估了现有单独技术的分离机制、运行边界和多场耦合增强途径。在此基础上，提出了序贯耦合技术的设计准则，促成了基于污染物特性匹配的逐步减排控制框架。最后，讨论了人工智能驱动的协同控制和智能预测调控的未来轨迹。总体而言，本综述旨在为高效精确的协同颗粒物去除技术的发展提供理论支持和工程指导。

部分章节片段

FPM 和 CPM 形成机制

化石燃料燃烧产生的 FPM 和 CPM 均为一次颗粒物 [22]。根据美国环境保护署（EPA）的定义，FPM 在烟气条件下以固态或液态存在，可直接在过滤器上收集。相比之下，CPM 在烟气条件下保持在气态或半挥发性相，在烟气冷却和稀释过程中通过凝结和物理化学反应形成固态或液态颗粒（图...）。

FPM 分离与控制

早期颗粒物研究主要集中在 FPM 上，促成了其控制方法的快速发展。关键技术包括重力沉降、过滤、静电除尘、喷雾除尘和旋风分离。这些技术针对尺寸和浓度显著不同的颗粒（图 5）。

CPM 分离与控制

由于粒径小、分散性高和吸附能力强（容易积聚重金属、有机污染物和无机离子），CPM 可以在大气中长期悬浮并长距离迁移，导致复杂的环境污染问题。CPM 控制技术的研究仍处于早期阶段，成熟的去除策略仍然显著缺乏。现有方法主要包括烟气冷却、燃料...

FPM 和 CPM 协同分离与控制

化石燃料燃烧产生的工业烟气具有多样的理化性质、复杂的转化机制和众多的颗粒物组分，使其排放处理成为世界各国面临的重大挑战。空气污染控制装置（APCDs）作为一种典型的“超低排放路线”，广泛应用于现代燃煤电厂和重工业。其核心机制在于对颗粒物进行分类...

结论与展望

超低排放标准的实施推动了工业污染从 FPM 的单独控制向 FPM 和 CPM 的协同控制深减排。为此，本综述以前所未有的深度系统调查了 FPM 和 CPM 的源组成和迁移行为。此外，阐明了相变行为和理化差异，为实施 TPM 协同去除...建立了坚实的理论基础。

CRediT 作者贡献声明

Liangjie Song：撰写——初稿，方法学，可视化。Guohao Chen：撰写——初稿，正式分析，概念化。Jiaxu Liu：验证，概念化。Xiang Xu：可视化，正式分析。Zhishan Bai：撰写——审查与编辑，监督，资金获取。Bingjie Wang：撰写——审查与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号 22478122）、国家重点研发计划（批准号 2022YFC3004504）和国家杰出青年科学基金（批准号 22225804）的支持。

术语表

TSP：总悬浮颗粒物
PM2.5：细颗粒物
WHO：世界卫生组织
AQGs：空气质量准则
TPM：总颗粒物
FPM：可过滤颗粒物
CPM：可凝结颗粒物
EC：元素碳
OC：有机碳
SOA：二次有机气溶胶
PAHs：多环芳烃
VOCs：挥发性有机化合物
SVOCs：半挥发性有机化合物
POPs：持久性有机污染物
FAMEs：脂肪酸甲酯
PAEs：邻苯二甲酸酯
CFPPs：燃煤电厂
HDS：水动力学

Liangjie Song | Guohao Chen | Jiaxu Liu | Xiang Xu | Zhishan Bai | Bingjie Wang
华东理工大学机械与动力工程学院，中国上海 200237