PREPREČEVANJE  IMISIJ  PRAŠNIH DELCEV V OZRAČJE Z MOKRO ELEKTROMAGNETNO FILTRACIJO OB UPORABI VODNIH KAPLJIC

Zakaj je PrahoŽer bolj  učinkovit od tradicionalnih načinov odpraševanj?

• Poraba vode je mnogo nižja kot pri polivanju naprašenih površin ter je hkrati učinek odpraševanja bistveno večji zaradi enormnega povečanja vodne površine s katero obdelujemo imisije prašnih delcev in molekule vonja v zraku.

• V celoti se izognemo problemom zaradi blatnih in razmočenih voznih površin.

• V celoti se izognemo strošku delavcev zaposlenimi s brizganjem vode po cestah in ostalih površinah,  kar zagotavlja hiter povratek investicije v opremo.

• Imamo mnogo boljše pogoje dela, kar se odraža v manjšem pritisku okoljevarstvenih organov (inšpekcijskih služb) in različnih civilnih združenj za zaščito okolja.

• Ustvarimo prijeten delovni ambient, saj v poletnih mesecih delamo v svežem okolju (hladimo odprte in velike zaprte površine)

• Stroji in oprema na delovišču je podvržena manjši obrabi. S tem  ji podaljšamo življensko dobo oz. zmanjšamo stroške vzdrževanja.

Konstrukcija strojne opreme je modularna. Omogoča, da začnemo s posamično postavitvijo enega prahožera. Lahko nadgrajujemo do nivoja zadovoljevanja vseh potreb, oz. do postavitve celovitega sistema za obvladovanje in kontrolo imisij prašnih delcev v okolje. Sistem tipično vsebuje:

• Črpalne postaje s potrebnim krmiljem.

• Vodovodno inštalacijo za oskrbo z vodo. 

• Elektično krmilje in razvod.

• Informacijsko infrastrukturo (prenos in obdelava podatkov).

• Centralo za nadzor in upravljanje sistema.

Postaviti celovit sistem za obvladovanje in kotrolo imisij prašnih delcev v okolje pomeni, da izgradimo popolnoma avtonomen sistem, ki se v celoti ali po sklopih samodejno vklaplja, izvaja vse funkcije, za katere je predviden, ter izklaplja, tudi če upravljalca ni v centrali, saj se ga lahko upravlja celo preko mobilnega telefona. V primeru da protiprašni sistem opremimo z video nadzorom, imamo celotno kontrolo nad vsemi aktivnostmi (premiki, natovarjanjem, prekladanjem, tehtanjem, itd.

Problemi povezani s prašenjem

Disperzijo prašnih delcev (prašenje) v naravno okolje povzročajo številne dejavnosti. Srečujemo prah različnih velikosti, teže, oblik in škodljivosti na človeški organizem  (morfologija prašnih delcev).

Velikost prašnih delcev klasificiramo glede na poškodbe, ki jih povzroča na človeških dihalih.

• Inhalabilna frakcija (I) pomeni del celotnega prahu ali dima, ki ga človek vdihne skozi nos ali usta iz območja vdihavanja.

• Alveolarna frakcija (A) pomeni del vdihanega prahu ali dima, ki ga človek vdihne skozi nos ali usta iz območja vdihavanja in ki vsebuje dovolj majhne delce da pridejo v alveole (pljučne mešičke).

Delci velikosti 10m so približna meja med inhalabilno in alveolarno frakcijo.

• Torakalna frakcija, (traheobronhialna frakcija): sem spadajo delci velikosti do 30 m. To je frakcija prahu, ki prodre globlje od grla. Samočistilni mehanizem telesa lahko sam odstani ta del prahu. Pomembna je pri prahu, ki učinkuje škodljivo v predelu sapnika in bronhijev (npr. prah, ki povzroča bronhialno astmo).

V naslednjih tabelah so navedene vrednosti dovoljenih koncentracij aerosolov v nižjih atmosferskih plasteh glede na kemično strukturo

Kako se rešuje zaprašenost v dolovnem okolju NA KLASIČEN NAČIN danes?

V zaprtih delovnih prostorih (industrijskih halah, delavnicah, pisarnah) so razviti različni sistemi za odpraševanje, ki temeljijo na odsesovanju zraka na mestih kjer nastaja prašenje. Na ta način predvsem ščitimo strojno opremo pred škodljivim vplivom prašnih delcev na pospešeno obrabo le-te.

V delovnem okolju na prostem kot so kamnolomi, deponije različnih razsutih tovorov, reciklažni centri, kamnolomi, rušitve v gradbeništvu  in podobno,  se problemi dviganja prahu rešujejo z različnimi sistemi za površinsko vlaženje materiala keterega bomo mehansko obdelovali (mleli, stiskali, drobili, vrtali, razkopavali), kakor tudi z namakanjem prometnih površin po katerih transportiramo surovino (polizdelke, izdelke).

Površine se namakajo s curki vode, ki na utrjenih površinah (betoniranih ali asfaltiranih) povzročajo odtekanje in s tem izpiranje razmočenega materiala. Ta se ustavlja na nižje ležečih legah v stoječih lužah ali se zliva na cestne površine in odteka na sosednje površine. Na neutrjenih tleh pa luže vode polne žitkega blata, ki ga vozila razvažajo naokrog, tudi ko zapustijo delovišče.

Ob zelo visoki porabi vode, obstoječe rešitve zelo neučinkovito celovito rešujejo osnovni problem: odpraševanje delovnega in širšega naravnega okolja. Prašne delce iz pnevmatik vozil le delno namočijo in spremenijo v blato ter to s kotaljenjem koles tovornih vozil odlagajo na čiste površine dokler se kolesa dovolj ne razbremenijo z blatno oblogo oz. le-to pustijo na cestišču lokalne dovozne ceste in širše, kje se ko se blato osuši spet veselo naprej praši in prašna zgodba se nadaljuje.

Razlog za slab rezultat odpraševanja je v dejstvu, da prašne delce velokosti od 1mdo 200 m poskušamo navlažiti s tekočo vodo popolnoma neprimerne oblike in učinka na trde delce v ozračju. Za učinkovitejšo aplikacijo odpraševanja moramo vodi bistveno povečati njeno aktivno adhezijsko površino. Vodo moramo spremeniti v aerosol, da bi dosegli željeni učinek pospešenege usedanja prašnih delcev.

Na klasičen način z namakanjem niti sedimentiran prah na tleh ne moremo učinkovito namočiti, saj je površinska napetost vodnega curka in kapelj, katere proizvaja namakalni sistem previsoka, da bi lahko namočili ves prah na tleh. Zaradi površinske napetosti vode le-ta namoči le točkovno najvišjo površinsko plast prahu. Voda torej ne prodre v strukturo prašnih delcev, tako da ti pod najvišjo plastjo ostanejo suhi in ko voda odteče, se imisija v ozračje spet naprej nemoteno nadaljuje.

Naslednja pomanjkljivost klasičnega načina odpraševanja je povečana erozija tal (tako utjenih kot neutrjenih površin na katerih se izvaja odpraševanje s polivanjem) zaradi velike količine prelite vode. Večja dovzetnost  tal za rahljanje zlasti ob zmrzali, povzroča pospešen  nastanek udarnih jam ter intenzivnega uničenja voznih površin. Sanacija predčasno poškodovanih voznih površin  pa seveda predstavlja povečane stroške poslovanja podjetja.

Odpraševanje z uporabo vodnega aerosola ima v primerjavi s klasičnimi načini vrsto prednosti.

Koncept razvoja in designa PrahoŽera: kontrole in omejevenja širjenja prašnih delcev v ozračje s pomočjo vodnega aerosola, rešuje problem prašenja v mediju širjenja samem, to je v zraku.

Bistvena razlika je v osnovnem konceptu odpraševanja: dejstvu, da prahožer ne uporabljamo za vlaženje površin na katerih je useden prah ali iz katerih zavoljo mehanski obremenitev istih nastaja. Prašne delce prestrežemo v ozračju,  jih navlažimo z mikro kapljicami ter se navlažene pospešeno usedajo na tla. Zaradi večje navlaženosti in veliko večje gostote usedanja (večja masa vlažnih delcev pada na enako enoto površine) se prah bistveno bolj sprime med seboj ter tudi pozneje, če pride do sušenja, bistveno manj disperzira v okolico kot je to bilo prvotno. 

Revolucionarnost rešitve ni v vodnem atomizerju, temveč v idejni in konstrukcijski rešitvi problema. Mi prahu prisotnemu v zraku onemogočimo nadaljnje razširjanje,  preprečimo disperzijo skozi ozračje.

Prahožer smo preizkusili in uspešno deluje na izvorih zapraševanja: kamnolomih, deponijah sipkih materialov, reciklažnih centrih, čistilnih napravah in podobno.

Osnovna ideja in razvoj strojne opreme v smeri izločanja prašnih delcev iz ozračja se je izkazala za pravilno. Širše gledano, ustvarjamo klimatske cone s pospešeno sedimentacijo prašnih delcev z  minimalizirano prisotnostjo molekul slabega vonja in v vročih dneh prijetno ohlajenega ozračja. Vse tri klimatološke vrednosti nadzorujemo in obvladujemo.

Učinek zmanjšanja zaprašenosti okolja je dvojen. Ob radikalno zmanjšani zdravstveni ogroženosti zaposlenih je zaradi ozračja razbremenjenega  prašnih delcev življenjska doba strojne opreme v obratu znatno daljša in je manj časa ustavljena zaradi vzdrževalnih del.

Idejna zasnova PrahoŽera je nastala z opazovanjem in primerjanjem dveh fenomenov:

Prvi je ta, da so rešitve odpraševanja za delovišča na prostem precej nerazvite in nedodelane (polivanje s tekočo vodo) s ciljem vlaženja talnih in drugih površin. Posledično omejijejo prašenje za neko kratko časovno obdobje, a so v celoti malo učinkovite. Ob tem je poraba vode visoka. Nadalje, kljub namakanju, vedno ostajajo suhe lise površin katere curki vode ne dosežejo in je tako procent željene namočene površine majhen in hkrati imamo relativno velike količine viška (neizkoriščene) vode, ki se zbira v blatnih lužah na nekaterih površinah delovišča.

Drugi fenomen je ta, da se v naravi proces odpraševanja uresničuje mnogo učinkoviteje kot je to v primeru delovišč na prostem. Prašni delci iz zraka se ujeti v dežne  kapljice sesedajo na tla.

POGLEJMO POBLIŽE NARAVNA  POJAVA  ODPRAŠEVANJA

Prašni delci se nahajajo obliti (ujeti) v vodni kapljici.  Opazujmo okoliščine in fizikalna dejstva pri nastanku vodne kapljice v naravi:

http://eoet1.tsckr.si/material/nivo3S/04/eOet1_3S_04-13.html

Voda, ki izhlapeva iz oceanov in drugih površin je v molekularni obliki. Ta potuje v višje sloje ozračja in se zbira v oblakih kjer kondenzira .

Pomembna značilnost vode je njena polarna narava. V vodni molekuli so vodikovi atomi razporejeni na konceh, kisikovi pa v temenih. Ker ima kisik višjo elektronegativnost od vodika, je območje molekule z vodikovim atomom delno negativno nabito glede na vodikovo stran. Molekula s takšno razliko naboja se imenuje dipol. Razlika naboja med seboj privlači vodne molekule kakor tudi druge polarne molekule in delce.

Ti magnetno aktivni delci privlačijo nasprotno nabite delce iz ozračja. Iz spektra trdnih delcev v ozračju (kristalčki morske soli, silikati...) so njihov najlažji plen.

Vodne molekule s svojim elektromagnetnim nabojem imajo enak učinek kot ga ima elektrostatični filter na napravah za sesanje zraka, katerega uporabljamo pri odpraševanju zaprtih prostorov.

Zaradi prisotne elektrostatične sile se molekule vode zbirajo na prašnem delcu, dokler magnetno polje novonastalega telesca ni nevtralno in ne privlači več novih vodnih molekul.

Če naprej opazujemo mikronske kapljice  vode vidimo, da so zaradi nizkega energetskega potenciala vsaka zase zelo nestabilne. V okolju z visoko koncentracijo lebdečih mikronskih kapljic velikosti 10 – 100 m  le – te koagulirajo: se združujejo v večje kapljice tako dolgo dokler masa novo nastajajoče kaplje ne doseže velikosti (premer 0,5mm) pri kateri jo zemeljska gravitacijska sila začne vleči k tlom. Na koncu opazovanega procesa začne deževati. V vsaki dežni kaplji so ujeti prašni delci iz ozračja.

Zgoraj opisan model odpraševanja je v literaturi poimenovan mokro usedanje prašnih delcev, mokro odpraševanje.

Nazoren primer takšnega odpraševanja v naravi je pojav umazanega dežja, ko v naših krajih dež odlaga prah, ki ga je veter pobral nad severno afriško puščavo.

Razumevanje procesa nastanka dežnih kapljic tudi pojasnjuje zakaj je pojav deževja bolj pogost v s prahom obremenjenimi področji kot  pa v manj onesnaženih okoljih.

SUHO ODPRAŠEVANJE

Drugi pojav odpraševanja je suho odpraševanje. Ta se dogaja na več načinov in to povezujemo z različnimi gradienti, ki v atmosferi pospešujejo izločanje prašnih delcev iz ozračja.  Pa poglejmo nekaj primerov :

Temperaturni gradient na prašne delce deluje tako, da se prah odlaga na hladnejših površinah v okolju. Na primer, na hladni steni ob zagretem radiatorju,  v hladnih vogalih prostora, na mrzlih tleh če ima ozračje višjo temperaturo od temperature tal...

Težnostni ali gravitacijski gradient deluje na težje prašne delce, ki se usedajo v neposredni bližini vira prašenja.

Elektromagnetni gradient povzroča pospešeno nalaganje prašnih delcev na televizijskih zaslonih s katodno cevjo, transformatorjih in drugih virih elektromagnetnega sevanja.

Povečan zračni pretok (veter) ob trku na oviro naglo spremeni smer gibanja. Prašni delci tej nagli spremembi ne morejo slediti, zato trčijo v oviro in se izločijo iz ozračja (prehod iz laminarnega v . ). Zaradi tega pojava so v naravi robna področja gozdov dosti bolj zaprašena, kot osrednji deli gozdov.

Vsi ti fizikalni pojavi imajo tudi svoje aplikacije v različnih filtrirnih napravah, katere uporabljamo za suho odpraševanje predvsem v zaprtih prostorih.

Izbira tipa filtrirne naprave je pogojen s več faktorji (kemični sestav dolcev, velikost, teža, intenziteta proizvajanja prahu, toksičnost prašnih delcev, morfologija delcev.....)

VRNIMO SE NAZAJ K NAŠEMU PrahoŽeru

Na temelju osnovnih spoznanj razloženih v prejšnjih poglavjih, so se leta 2005 v novoustanovljeni firmi WLP S.r.L. lotili razvoja tehnološke opreme, ki bo omogočala preseči vse primere dobre prakse v dosedanjih dosežkih suhega in mokrega odpraševanja. Na temelju bogatih izkušenj iz področja aplikacij uporabe vode v industriji snežnih topov, podprti s teoretičnimi znanji o lastnostih vode kot univerzalnega topila razpršeni na dovolj male delce v ozračju, so sprejeli izziv: izdelati napravo za učinkovito odstranjevanje prašnih delcev iz ozračja. Glede na to, da so rešitve na prostem v topogledni tehnologiji zaostajale za rešitvami v zaprtih prostorih, so zahtevno nalogo še dodatno obremenili: rešitev mora biti primerna za uporabo v odprtih kakor tudi v zaprtih prostorih.

Postavljeni cilj je bil zelo ambiciozen: doseči visoko stopnjo odpraševanja ob minimalni porabi energije, biti učinkovit na inhalabilnih frakcijah prašnih delcev.

V fazi razvoja prototipa PrahoŽera je še detaljneje bil razdelan naravni model mokrega odpraševanja.

V procesu mokrega usedanja delcev se voda in prašni drobci združujejo v štirih fazah:

• Rainout – faza nastajanja elementarne mikro kapljice

Trdni delci v oblaku  opravljajo funkcijo jedra na katerm kondenzirajo drobci vode iz oblaka. Ustvarjajo se mikronske kapljice. Tiste, ki v svoji rasti presežejo premer 0,5 mm zaradi zemeljske gravitacijske sile začnejo padati proti tlem (sedimentacija zaradi gravitacijskega gradienta) v obliki pršenja ali dežnih kapljic. Prašni delci: jedra, nukleusi vodnih kapljic so tako odstranjeni iz ozračja.

• Washout – faza koagulacije mikro kapljic

Je faza odstranjevanja trdih delcev iz ozračja s že formiranimi mikro kapljicami. Prašni delci se združijo v že obstoječo in še lebdečo kapljico. Razlika od rainout faze je v tem, da je kapljica iz washout faze že formirana in tik pred padanjem proti tlem.

• Sweep out – učinek dežnih kapljic

Nahajamo se pod oblakom, dežuje. Na svoji poti proti tlem dežne kaplje srečujejo trde delce v ozračju, s nekaterimi tudi trčijo. V tej fazi združeni prašni delci padejo na tla v dežnih kapljic. Odpraševanje v tej fazi je verjetno najmanj učinkovito. To sklepamo po dejstvu, da dež ne odplakne insektov iz ozračja.

Analogno temu pojavu sistemi za odpraševanje ki koristijo metodo polivanja vode želijo aplicirati ravno to fazo naravnega odpraševanja, ki je že po zgornjih ugotovitvah najmanj učinkovita.

• Occult deposition – učinek mikroklime in naravnega okolja pri tleh

Je faza odpraševanja, ki se dogaja   nad tlemi, kjer imamo meglo, ki se dotika tal. Dogajanje v tej fazi je nekoliko bolj zapleteno kot je to v prejšnih treh.  Na uspešnost odpraševanja se  v tej fazi vmeša naravno okolje s fizičnimi ovirami za prašne delce (drevje, ojekti in drugo).   Efekt odpraševanja je sorazmeren možnosti, da je prašni delec ujet v oviro kateri se zračni tok izogne, prašni delec nošen s istim zračnim tokom pa ne.  Učinkovitost te faze je močno odvisna od morfoloških značilnosti prašnega delca. Na ta način se iz ozrača izločajo delci večjih gabaritov.

Drugače se prašni delci obnašajo v megli ali nizki oblačnosti. Vodne kapljice v megli imajo premer 10 – 50 m.  Te so bolj učinkovite na prašnih delcih mannjših frakcij.

POVZETEK

Učonkovitost kolizije mikrokapljic s prašnimi delci ( odpraševanja v wash out fazi)  je večja od tiste v fazi nastajanja mikro kaplic (rain out faza). Največjo količino prašnih delcev izloči narava ravno v tej fazi ker je “lepljivost” prašnih delcev na srednje velike vodne kapljice zelo velika ter je hkrati koncentracija kapljic te velikosti visoka.

Razvojniki WLP,  izdelovalca opreme za preprečevanje širjenja prašnih delcev v ozračje so sledili najučinkovitejšemu naravnemu modelu odpraševanja:v Rainout in  Wasout fazi.  Ustvariti je potrebno hidraulično – elektrostatični filtrer, ki bo deloval kar se da dolgo. 

Prvi korak je produkcija vodnih kapljic ustreznih dimenzij in s tem tudi elektromagnetnih lastnosti. Približati se je treba pogojem v dežnem oblaku. Vodne kapljice morajo imeti lastnosti vode v  fazi kondenzacije.

Standardne šobe formirajo kapljice velikosti cca.: 70 m (naravna megla ima kapljice velikosti 10 - 50m, dežne kaplje v mejah 1 – 7mm v primeru zelo debelih kapelj).

Za povečanje učinkovitosti umetno vstvarjene Rainout in Washout faze (najbolj učinkovitih faz odstranjevanja prašnih delcev iz ozračja)  je potrebno kerirati posebno klimatsko cono, katero bomo v celoti nadzirali.  Vodne mikro kapljice povzročajo  pospešeno usedanje prašnih delcev in hkrati za samo ne puščajo luž s vodo in blatom. Učinek vodnega aerosola, ki ga proizvede PrahoŽer je v zraku merljiv še nekaj deset minut po prenehanju delovanja opreme za odpraševanje.

Na vrh