Введение В мировом сообществе уже несколько десятилетий экологические проблемы стоят на повестке дня. Центральной темой научных исследований в области экологии воздушного бассейна является анализ влияния аэрозольных выбросов на окружающую среду, в частности на атмосферу, здоровье живых существ и климат. Такой интерес к этой теме обусловлен с тем, что частицы аэрозоля рассеиваюти поглощают солнечную и земную радиацию, задействованы в образовании облаков, тумана, различных осадков, а также оказывают влияние на объем и распределение в атмосфере остаточных газовых примесей, которые образуются в результате гетерогенных химических реакций и других многофазных процессов [1]. Способность преодолевать значительные расстояния свойственна для аэрозольных выбросов благодаря естественной конвекции воздушных потоков атмосферы, и подобное явление ведет к распространению патогенов различной природы (бактерий, спор, вирусов и т. д.). Проведено множество мониторинговых исследований [2–4], которые подтверждают зависимость между качеством и загрязненностью атмосферного воздуха и количеством респираторных, сердечно-сосудистых, инфекционных и аллергических заболеваний. Характеристика аэрозольных выбросов в атмосферуПо своему происхождению аэрозольные дисперсные системы принято разделять на естественные и искусственные. Образование естественных аэрозолей происходит под воздействием природных сил (выброс газов при извержении вулканов, ветровая эрозия почв, вымывание атмосферными водами и т. д.). Интенсивность воздействия на климат и здоровье населения естественных аэрозолей может быть значительная в конкретном географическом месте, но в глобальном масштабе говорить об этом не приходится. Значительно более негативны в этом смысле искусственные аэрозоли, образуемые в результате хозяйственной деятельности человека (транспорт, сектор жилищно-коммунальных хозяйств (ЖКХ), промышленность). Промышленные аэрозоли являются побочным продуктом или нежелательным отходом технологических процессов, обладают низкой или отрицательной добавочной стоимостью. С экономической точки зрения предприятия не заинтересованы в обезвреживании таких отходов, но это диктует современная экологическая ситуация в мире.Основной характеристикой аэрозолей с точки зрения их промышленной очистки является размер частиц. В зависимости от него, а также с учетом происхождения, аэрозоли делятся на пыли, дымыи туманы. Конкретные промышленные выбросы могут содержать частицы дисперсионного и конденсационного происхождения обычно ультрамикроскопического размера. Образование дисперсной частицы как твердой, так и жидкой фазы может происходить различными способами, например, при конденсации паров различных веществ или химической реакции газов (конденсационные аэрозоли). Если рассматривать дисперсионные аэрозоли, то они образуются в результате измельчения твердых или распыла жидких веществ в качестве побочного продукта реализуемого процесса. Механический или гранулометрический состав аэрозоля зависит от его происхождения. Как правило, конденсационные частицы имеют меньший размер, чем дисперсионные, которым свойственна неправильная форма и большая полидисперсность, и часто имеют правильную шарообразную форму. Химический состав твердых частиц в воздухе промышленных выбросов включает в себя сульфаты, нитраты аммония, золу, органические соединения и сажу или элементарный углерод в количестве около 10–30 % от общей массы загрязняющих веществ.По характеру образования аэрозоли разделяют на два вида: первичный и вторичный. Первичный аэрозоль образуется при непосредственном выбросе частиц в окружающую среду, вторичные частицы – в результате превращения газа в частицу в атмосфере. Это происходит в результате не только физических превращений, но и химико-физических процессов коагуляции, конденсации, химических реакций. Частицы аэрозоля изменяют размер, химический состав, структуру, называемые атмосферным старением. С наибольшей скоростью процесс атмосферного старения протекает в облаках, которые образуются в результате конденсации водяного пара на ранее существовавших аэрозольных частицах. Если размер частиц дисперсной фазы при этом достигает таких значений, что вызывает ее осаждение под действием сил тяжести, выпадающих на Землю в виде осадков, то наблюдается так называемое «мокрое осаждение». Это основной процесс вывода загрязняющих частиц из атмосферы в глобальном масштабе. Осаждение загрязняющих частиц путем конвективного переноса, диффузии и адгезии к поверхности Земли более актуально в отношении качества местного воздуха, воздействия на здоровье (вдыхание и осаждение в дыхательных путях человека) [5, 6]. В зависимости от свойств аэрозоля и атмосферных условий характерное время пребывания в атмосферном воздухе аэрозольных частиц составляет от часов до недель [7]. Стоит учитывать и то, что концентрация, состав и распределение по размерам частиц атмосферного аэрозоля сильно изменяются во времени и пространстве. В нижних слоях атмосферы (тропосфере) концентрация загрязнений обычно находится в пределах около 1–100 мг/м3 [8]. Однако в разных географический местах и в разное время при различных метеорологических условиях относительное содержание различных химических компонентов может отличаться в разы. Рис. 1 иллюстрирует наличие и характер функциональных связей между составом аэрозоля, зависящих от свойств, взаимодействия с атмосферой и изменения частиц выбросов при их попаданиив атмосферу, воздействия на климат и здоровье. Для количественной оценки, надежного прогнозирования вызываемых эффектов и эффективного контроля требуется всесторонняя характеристика, систематизация и знание источников загрязняющих выбросов. Осуществление решения этих задач возможно только при использовании адекватных систем мониторинга выбросов и качества воздуха. Рис. 1. Функциональные связи между аэрозольными выбросами, их источником и воздействием на климат и здоровье населенияFig. 1. Functional links between aerosol emissions, their source and impact on climate and public health В среднем общая массовая концентрация твердых частиц в воздухе снижается примерно в 2 раза от городского к сельскому и от сельского к высокогорному воздуху.На черный или элементарный углерод приходится большая часть света, поглощаемого атмосферными аэрозолями, поэтому он имеет решающее значение для прямого радиационного воздействия аэрозолей на климат. Концентрация элементарного углерода в твердых частицах на 50 % выше в пробах в городском воздухе, отобранном вблизи крупной транспортной развязки, и на 30 % в сельском и высокогорном воздухе, демонстрируя сильное влияние дизельной сажи и других видов ископаемого топлива и др.Высокое содержание органических частиц в воздухе также несет опасность для организма человека. Первоначальными источниками таких частиц в атмосферном воздухе являются природные явления (лесные пожары), антропогенное сжигание ископаемых видов топлива (отопление жилых помещений в секторе ЖКХ, промышленные выбросы, транспорт), испарение вод с растворенными органическими соединениями, растительные и животные остатки, микроорганизмы.Органические вещества могут образовываться в результате химических реакций в атмосфере. Формирование частиц с новым химическим составом показывает зависимость нелинейного характера от состава атмосферы и метеорологических условий, может подвергаться влиянию ионов и эффектов электрического заряда [9]. Существует несколько главных параметров, которые определяют образование вторичных частиц: относительная влажность и концентрации органических и неорганических частиц и конденсирующихся паров, которые зависят от характера и скорости конвективных атмосферных потоков, а также от наличия местных источников и поглотителей (облака, водоемы).Протекающие реакции на поверхности и в объеме жидких и твердых аэрозольных частиц оказывают влияние на химический состав, оптические свойства атмосферного воздуха [10]. Например, химический состав аэрозоля приводит к образованию активных форм галогена, изменениям в активных соединениях азота и истощению озона, особенно в стратосфере. С другой стороны, химическое старение аэрозольных частиц обычно изменяет их состав, снижает их реакционную способность, увеличивает их гигроскопичность и активность по конденсации облаков, а также может изменять их оптические свойства. Из-за высокого отношения поверхности к объему мелкие аэрозольные частицы могут быть очень быстро преобразованы при взаимодействии с солнечным излучением (фотолиз) и реакционноспособными остаточными газами (окисление, нитрование, кислотно-основные реакции, гидролиз, конденсация насыщения или инициируемая радикалами олигомеризация и т. д.). Взаимодействие частиц аэрозоля с водой может привести к структурным перестройкам, например, к образованию капель высококонцентрированного водного раствора (явление «кислотных дождей»). Эти взаимодействия очень многообразны, подчиняются законам массопереноса, фазовых переходов и кинетики химических реакций на границе раздела или в объеме газовой, жидкой и твердой фаз. Смоделировать адекватные реальности математическим описанием не представляется возможным, реально только построение причинно-следственных модельных связей.Частично окисленная органика может действовать как поверхностно-активные вещества и влиять на рост гигроскопичности и активацию аэрозольных частиц. Химическая реакционная способность углеродсодержащих аэрозольных компонентов также играет важную роль в технических приложениях для контроля выбросов аэрозоля при горении. Например, снижение предельных значений выбросов сажи и связанных с ней твердых частиц в выхлопных газах дизельных двигателей требует разработки и внедрения эффективных технологий их очистки. Молекулы водяного пара взаимодействуют с аэрозольными частицами, могут адсорбироваться на поверхности частиц или впитываться в основную массу частиц. Для гигроскопичных частиц поглощение водяного пара может привести к образованию крупных капель, вызвать конденсацию и образование облаков.  Современные технические решения очистки аэрозольных выбросов промышленностиРазработка и внедрение новых способов очистки промышленных газов, а также совершенствование основного оборудования, реализующего процесс очистки и нейтрализации опасных примесей, направлены на выполнение предельно допустимых норм по газообразным выбросам.В основу методов очистки и нейтрализации промышленных отходящих газов легли массообменные процессы, такие как адсорбционные, абсорбционные и десорбционные процессы, хемосорбция, термическая нейтрализация.Адсорбционная очистка газов реализуется в адсорберах, которые по способу организации можно разделить на адсорберы периодического или непрерывного типа. По виду движения твердого поглотителя, т. е. адсорбента, адсорберы можно разделить на три класса: адсорберы с движущимся слоем адсорбента (гиперсорберы), с псевдоожиженным (кипящим) и стационарным (неподвижным) слоем адсорбента. Самое широкое распространение на практике получили аппараты с неподвижным слоем, т. к. их преимуществом является простота как в конструктивном, так и в технологическом плане. Модификации конструкций адсорбционного оборудования различны (рис. 2).  а  б Рис. 2. Адсорбционное оборудование для очистки газов:а – адсорберы периодического действия с неподвижным слоем адсорбента; б – адсорберы непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента Fig. 2. Adsorption equipment for gas purification:a – periodic adsorbers with a fixed adsorbent layer; б – continuous adsorbers with a moving adsorbent layer  Повышение эффективности адсорбционных процессов направлено на ряд пунктов.1. Поддержание равномерности поля концентраций извлекаемого одного или нескольких компонентов в слое адсорбента при помощи механического воздействия на слой или физическим воздействием на сплошную или дисперсную фазу системы. Примером механического воздействия на поверхность массообмена является работа [11], в которой авторы исследуют методы интенсификации адсорбционного процесса с применением адсорберов с перемешивающими устройствами. Предложен метод реализации подобной интенсификаций через создание активной гидродинамической обстановки в рабочей зоне массопереноса аппарата (за счет работы с высокими скоростями рабочего потока для достижения турбулентного перемешивания). Использование ультразвука в адсорбции является примером физического воздействия, так, в работе [12] рассмотрено и определено, что при ультразвуковом воздействии на процесс сорбции наблюдается значительное сокращение времени процесса. Параметры работы с ультразвуком рассмотрены в [13], например, используя более высокую частоту можно применять гораздо меньшую мощность для получения того же эффекта, что и при использовании более низких частот. 2. Правильный подбор технологических параметров ведения процесса. С применением математического моделирования исследуемого процесса возможна корректная оптимизация режима адсорбции газовых смесей. Авторы [14] определили оптимальные условия протекания процесса для адсорбции трехкомпонентной газовой смеси (H2S/NО2/СО2). В [15] предложена модернизированная технологическая схема процесса осушки газа, в основу которой легло применение трехступенчатой регенерации при температурах 90, 210 и 350 °С, поддержании температуры газа не выше 25 °С на входе в адсорбционный аппарат для эффективного удаления из газа сероводорода, сероокиси углерода, меркаптанов и влаги. 3. Совершенствование структуры сорбента. Работы [16, 17] направлены на оптимизации пористой структуры, прочности и других свойств сорбента.Один из методов конструктивного совершенствования адсорберов – это секционирование адсорбента в аппарате для наиболее эффективной работы адсорбционного слоя [18]. Примеры разделения на секции представлены на рис. 3.                                                                                                                                                   а                                                                    б                                                    в                                                                               г Рис. 3. Схемы двухсекционного адсорбера (а, б), трехсекционного адсорбера (в, г)с перегородками пластинчатого типа (а, в) и коаксиальными перегородками (г) [18] Fig. 3. Diagrams of a two-section adsorber (a, б), a three-section adsorber (в, г)with plate-type partitions (a, в) and coaxial partitions (г) [18]  Секционирование адсорбционного пространства достаточно перспективно для любых вариантов реализации адсорбционного процесса в химической технологии [18, 19]. Принцип метода термической нейтрализации базируется на возможности токсичных примесей с легкой окислительной способностью (легкоокисляемые) окисляться до менее токсичных соединений, процесс реализуется в присутствии кислорода и под воздействием высоких температур [20]. Термическая нейтрализация показывает высокую эффективность при работе со средами с высокими концентрациями вредных компонентов в присутствии органических соединений, но содержание галогенов, серы и фосфора в составе очищаемой среды запрещено. При окислении наблюдается образование компонентов с более высокой токсичностью по сравнению с первоначальным составом очищаемой среды. Достоинством метода является простота и универсальность оборудования. В промышленности распространенными  схемами термической нейтрализации считаются: прямое сжигание в пламени, термическое окисление и каталитическое сжигание. Подбор схемы производят по параметрам рабочей среды (температуры, количества выбросов, вредных примесей, содержания кислорода и др.). Дополнительная подача воздуха в рабочую зону реактора производится для нейтрализации газовой смеси с примесями, для удаления которых нужен высокотемпературный режим в камере. При недостижении нужных температур сгорания производится также дополнительная подача высококалорийного газа (например, природного). Следует отметить, что концентрация кислорода в камере должна быть не менее 17 % при работе в любом режиме. Термические установки [21], работающие по методу прямого сжигания в пламени, довольно часто проектируют комбинированными (термическое и каталитическое обезвреживание). Типовое оборудование данного метода показано на рис. 4.       а                                                                                               б Рис. 4. Типовое оборудование термической нейтрализации газовых смесей:а – термокаталитический реактор; б – двухступенчатый каталитический нейтрализаторFig. 4. Typical equipment for thermal neutralization of gas mixtures:a – thermocatalytic reactor; б – two-stage catalytic converter В основном при работе аппаратов прямого сжигания или термического, или каталитического окисления главным фактором, определяющим значение, имеет интенсивность смешения в реакторах потоков, поэтому интенсификация основного процесса идет по этому пути. Для полного смешения потоков и создания реакционной зоны обезвреживания могут быть использованы турбулизирующие решетки, закрутка потоков и другие устройства, обеспечивающие требуемую организацию смешения газовых потоков. В [22] авторы рассмотрели различные виды движения газовых потоков с применением горелок в аппарате и был сделан вывод о реализации в реакторе комбинированной модели идеального смешения-вытеснения. Еще одним способом повышения эффективности термического обезвреживания газообразных отходов является применение огневых устройств, базирующихся на применение пульсации при горении (пульсирующее горение). В [23] было определено повышение скорости химической реакции и соответственно степень очистки газа при пульсирующем горении. В ходе ряда экспериментов авторы определили, что при работе с низкоконцентрированными газообразными выбросами большей эффективностью обладают устройства именно с применением пульсации.В основу каталитического метода [20] лежит применение катализатора (металлы или их оксиды) для нейтрализации вредных примесей в газе с получением промежуточного вещества, распадающегося с образованием продукта регенерированного катализатора. Стоит отметить, что процесс реализуется при высоких объемных скоростях газовых потоков и взаимодействии удаляемых веществ с одним из компонентов, находящихся в очищаемом газе, или со специально добавленным в смесь веществом.По сравнению с термическим окислением каталитическое производится за более короткий период времени, тем самым оборудование более компактнее и менее габаритное. Кроме того, каталитическая нейтрализация используется для более глубокой очистки газообразных выбросов. Особенностью данного типа процессов является их работа со смесями с малой концентрацией примесей. Оборудованием, реализующим процесс каталитической газоочистки, являются реакторы с неподвижным каталитическим слоем. Рекомендованное содержание доли твердых инертных компонентов в сырье не более 1,5 мг/м3,в противном случае поры катализатора забиваются, что приводит к дезактивации катализатора. Основным направлением при увеличении степени или эффективности процесса каталитической газоочистки является поиск, выбор и повышения свойств катализаторов [24]. Например, одним из распространенных загрязнителей воздуха является аммиак, для его нейтрализации при средних и высоких концентрациях (более 1 об. %) в выбросах рационально применение абсорбционной очистки (мокрого метода), для очистки смеси при малых концентрациях вещества (менее 1 об. %) рекомендовано применение окисление аммиака на катализаторе. При реализации абсорбционной очистки газовая или парогазовая смесь взаимодействует и контактирует с жидким поглотителем (абсорбентом), происходит перенос вещества из газовой фазыв жидкую. Как правило, граница раздела фаз представляет собой либо зеркало жидкости (поверхностные абсорберы) или поверхность пленки жидкости, стекающей по поверхности (пленочные абсорберы), или насадке (насадочные абсорберы), либо поверхность проходящих через жидкость пузырьков газа (барботажные абсорберы) (например, тарельчатые и др.), либо поверхность капель жидкости (распыливающие абсорберы) [25]. В настоящее время для очистки газовых выбросов от твердых и газовых загрязняющих веществ широкое распространение получили аппараты распылительного типа, в которых реализуется принцип взаимодействия газового потока с каплями жидкости. В качестве примера можно привести скрубберы Вентури, которые представляют собой прямоточные аппараты распылительного типа. Промышленные абсорбционные установки чаще всего применяются для извлечения ценного компонента из очищаемого газа (концентрация извлекаемого компонента более 1 %), а также для санитарной очистки газа от опасных соединений [20].Проведя аналитический обзор основных методов очистки (абсорбционных, адсорбционных, каталитических и термических) можно сделать вывод о том, что для осуществления комплексной очистки газа наиболее приемлем абсорбционный (мокрый) способ. Мокрая очистка не требует дополнительной подготовки газов и применения дорогостоящих катализаторов или адсорбентов, позволяет одновременно проводить очистку от газовых выбросов и дисперсных частиц при оптимальном температурном режиме.Среди рассмотренных способов абсорбция является хорошо налаженным способом с высоким уровнем технической реализации. Абсорбция как основной технологический процесс занимает прочное положение в промышленной очистке газов, новые области применения (например, для целей декарбонизации) делают ее привлекательной для дальнейшего усовершенствования. Целью всех современных разработок является максимизация эффективности разделения при оптимальном перепаде давления, определяющем энергозатраты. Учитывая рост цен на материалы, особенно на металлы, экономической проблемой также является минимизация массы материала на объем колонны при условии достижения желаемой эффективности разделения, использование более дешевых материалов (пластики). Ключевой проблемой промышленного применения новых типов внутренних устройств является не только оптимизированные характеристики, показанные в лабораторных или технических испытаниях, но и предоставление потребителям испытаний, касающихся динамики жидкости и массообмена. Эти данные должны быть доступны для широкого диапазона нагрузок по жидкости и газу в реальных, но сопоставимых с промышленными, условиях. Необходимо проведение масштабных научных исследований, основанных, прежде всего, на данных мониторинга загрязняющих окружающую среду объектов с четко поставленными целями и сформулированными задачами. ЗаключениеАнтропогенные выбросы являются основными источниками атмосферных аэрозолей. В частности, выбросы твердых частиц и газов при сжигании биомассы и ископаемого топлива значительно возросли с доиндустриальных времен и составляют значительную долю мелкодисперсных частиц в воздухе в загрязненной городской среде, а также в глобальной атмосфере (углеродистые компоненты, сульфаты и т. д.). Многочисленные исследования показали, что как природные, так и антропогенные аэрозоли оказывают сильное воздействие на климат и здоровье человека. Однако из-за ограниченных знаний об источниках аэрозолей, составе, свойствах и процессах, описанных выше, фактическое воздействие аэрозолей на климат и здоровье все еще далеко от полного понимания и тем более эффективного решения. Промышленные выбросы имеют предсказуемый состав, к тому же химические предприятия обладают на данный момент всем арсеналом инженерных знаний для осуществления их эффективной очистки. Чтобы снизить антропогенную нагрузку на атмосферу, хотя бы за счет снижения доли промышленных выбросов, необходимо более активно внедрять в производство эффективные методы их очистки.