霧化固定劑的初步選取

郭建文

(山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司，山西 太原 030024)

霧化固定劑的初步選取

郭建文

(山西晉環(huán)科源環(huán)境資源科技有限公司，山西 太原 030024)

通過分析固定劑抑塵的機理，確定了固定劑選取應(yīng)測量的參數(shù)。通過霧化量、保濕性能和粒徑分析3個方面的實驗結(jié)果，初步選定了丙三醇、果糖和水體積比為1∶2∶7和2∶1∶7這2個配方作為固定劑的初選結(jié)果進行下一步實驗。

霧化;固定劑;粒徑分布

引言

霧化固定劑是放射性氣溶膠霧化固定技術(shù)實施中的重要因素，它的性質(zhì)對放射性氣溶膠的捕集及固定效果有直接影響。利用霧化發(fā)生器，將一定組分的固定劑霧化成非常小的霧滴，輸送至待處理區(qū)域，捕獲空氣中懸浮的放射性氣溶膠粒子，并最終沉降黏附于地面、墻壁等表面上，也可將存在于表面的松散污染固定，抑制其再懸浮。

1 固定劑抑塵機理

固定劑需要具備2個方面的能力:

1)捕獲空氣中懸浮的氣溶膠粒子;

2)將捕獲的粒子或存在于表面的氣溶膠粒子固定，防止其再懸浮。

微細(xì)霧滴捕塵的一個重要原理是空氣動力學(xué)捕塵原理，即，通過粉塵粒子與液滴的慣性碰撞、攔截以及凝聚、擴散等作用實現(xiàn)液滴對粉塵的捕集。因而，固定劑需要有較大的霧化量，能為捕獲氣溶膠粒子提供足量的霧滴。

固定劑抑塵的機理主要是保濕、凝并和固結(jié)3種作用［1］。保濕的核心是使抑塵面始終保持一定的水分(4%～10%)，即，利用濕潤作用使氣溶膠粒子密度增大，下降速度加快，抑制氣溶膠的產(chǎn)生;凝并防塵機理的技術(shù)核心是使表面的粒徑分布集中在r＞80目(0.177 mm)區(qū)間，粉塵沉降速度大;固結(jié)的技術(shù)核心是使抑塵面具有足夠強度，運動物體的動態(tài)壓力、摩擦剪切作用、拉伸破壞，均不能使其固定后的表面結(jié)構(gòu)受到破壞。

2 實驗部分

各種空氣動力學(xué)捕塵效率公式［2］都表明，隨著液滴尺寸的減小，捕塵效率將增大。因而，在保證霧化發(fā)生量的條件下，應(yīng)可能減小霧滴的粒徑。

通過上述分析，固定劑配方的初步選取可以從霧化量、保濕性和霧化粒徑3個方面來進行。

2.1 實驗儀器及設(shè)備

霧化發(fā)生器，自行設(shè)計;空氣動力學(xué)粒徑譜儀，型號:welas－2000，粒徑范圍0.2 μm～40.0 μm，最大顆粒物檢出質(zhì)量濃度≤2×10－5mg/m3;旋轉(zhuǎn)黏度計;電子臺秤，mettler Toledo，型號:TCS300;風(fēng)速計。

2.2 實驗方法

2.2.1 霧化發(fā)生量實驗

影響霧化發(fā)生量的因素較多，如，液體黏度、表面張力、密度、霧化的激發(fā)頻率以及霧化振子與液面的距離等。初步實驗發(fā)現(xiàn)，固定劑的發(fā)生量受黏度影響較大。如果溫度太低，固定劑黏度較大，不容易霧化，而溫度過高則霧化振子難以承受。因此，固定劑選擇在40℃和50℃ 2個溫度下進行霧化量測試。霧化室內(nèi)液面高度控制在6 cm［3］，輸送風(fēng)量調(diào)到最大值。固定劑的霧化發(fā)生量測定采用霧化發(fā)生器開啟前的質(zhì)量和霧化結(jié)束后的質(zhì)量相減的方法。

2.2.2 保濕性能實驗

將一密閉的實驗箱置于房間內(nèi)，控制房間溫度為20℃。實驗箱內(nèi)分別放置飽和的硫酸氨溶液和飽和氯化鈣溶液，控制密閉實驗箱內(nèi)的濕度分別為80%和30%。準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的固定劑于稱量皿中，測定固定劑質(zhì)量與放置時間的變化關(guān)系，計算保濕率，見式(1)。

2.2.3 粒徑分布測試實驗

采用溶膠粒徑譜儀測量霧化發(fā)生器出口處的粒徑分布。其主要由控制器與顆粒測量傳感器組成，運用光散射原理實現(xiàn)對氣溶膠粒徑分布的測量。控制器內(nèi)有1個真空泵，可吸入被測氣體，所測顆粒最后吸附在控制器自帶的高效過濾芯上。控制器上裝有白光燈泡和光纖，是測量的關(guān)鍵部件。測量時由控制器自帶的真空泵定流量(5 L/min)采樣，采出的氣體進入Welas顆粒測量傳感器中，在顆粒通過光學(xué)測量空間時，一束從光纖傳過來的白光照射在氣溶膠上，粒子就會對光產(chǎn)生漫散射，散射信號經(jīng)另一根光纖傳入控制系統(tǒng)，在其中進行信號處理，最后，將處理后的結(jié)果傳入電腦，經(jīng)專門軟件進行分析整理。

對霧化后的粒子取樣采用同軸等速采樣的方法，調(diào)節(jié)霧化發(fā)生器出口的風(fēng)速與采樣口的進口風(fēng)速相同，以達(dá)到最大的吸入效率。

3 結(jié)果和討論

3.1 不同配方固定劑的黏度和霧化量

表1～表3給出了不同丙三醇體積分?jǐn)?shù)和20%丙三醇及10%丙三醇條件下不同配方固定劑的黏度和霧化頻率為1.7 MHz激發(fā)時的霧化量。

從表1～表3可以看出，丙三醇水溶液黏度隨丙三醇含量的增加而增大，隨溫度的升高而減小。相應(yīng)地，其霧化量隨黏度增加而減小，溶液變得難以霧化。在丙三醇體積分?jǐn)?shù)為10%和20%時，溶液黏度隨果糖含量的增加而增大，其霧化量隨黏度的增加而減小。相比較不同溶液體系的霧化量，如，丙三醇、果糖和水體積比為1∶2∶7和2∶1∶7時，溶液在50℃時兩者的黏度相差不大，但前者的霧化量是后者的1.67倍。分析其原因，可能是受表面張力等其他因素影響。

表1 丙三醇體積分?jǐn)?shù)對固定劑黏度和霧化量的影響

表2 20%丙三醇條件下不同配方固定劑的黏度和霧化量

表3 10%丙三醇條件下不同配方固定劑的黏度和霧化量

從實驗結(jié)果可得，丙三醇、果糖和水體積比為1∶2∶7和2∶1∶7溶液和30%丙三醇溶液在50℃具有較好的霧化能力。

3.2 保濕性

圖1和圖2是所選幾種固定劑的保濕率曲線。

圖1 30%濕度時幾種配方的保濕率

圖2 80%濕度時幾種固定劑的保濕率

從保濕率曲線可以看出，相對濕度為30%時，幾種配方的水分損失較快，但在7 d測試期內(nèi)幾種固定劑配方均能保持自身的有效成份丙三醇和果糖，使凝并和固結(jié)作用在此期間能夠得以保持。相對濕度為80%時，幾種配方除能保持自身有效成份外，保持水分的能力較相對濕度為30%時有較大提高。如，丙三醇、果糖和水體積比為1∶2∶7和2∶1∶7的配方，在168 h時，保濕率穩(wěn)定在45%左右，即，除丙三醇和果糖的30%得以保持外，體系中還有近15%的水分被保持，這對于氣溶膠粒子的再懸浮具有抑制作用。

3.3 霧滴粒徑分布分析

液體超聲霧化時形成霧滴的粒徑除了受液體多種性質(zhì)的影響，如，動力黏度，表面張力、液體密度，還與液體被激發(fā)的頻率相關(guān)［4］。式(2)、式(3)為霧滴粒徑計算公式。

式中:σ為表面張力，N/m;ρ為液體密度，kg/m3;ω為激發(fā)頻率;υ為動力黏度，N·s/m2。

式(1)適用于非黏性體系中，式(2)適用于黏性體系中。從式(1)和(2)可以看出，無論是黏性體系還是非黏性體系，在霧化同一液體時，霧滴直徑都隨激發(fā)頻率的增大而減小。以V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=2∶1∶7及1∶2∶7體系為例，用粒徑譜儀分析其粒徑分布，如圖3。

圖3 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=2∶1∶7體系40℃時霧滴粒徑圖譜

圖4 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=2∶1∶7體系50℃時霧滴粒徑圖譜

圖5 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=1∶2∶7體系40℃時霧滴粒徑圖譜

圖6 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=1∶2∶7體系50℃時霧滴粒徑圖譜

表4 2∶1∶7體系的平均粒徑 μm

表5 1∶2∶7體系的平均粒徑 μm

其粒徑參數(shù)如表4和表5。

從圖3～圖6以及表4、表5所給出的粒徑參數(shù)可以看出，在40℃和50℃時，體系霧化產(chǎn)生的霧滴粒徑分布峰值隨激發(fā)頻率的增大而逐漸減小，其平均粒徑M1，0也隨激發(fā)頻率的增大而減小。而激發(fā)相同頻率時，溫度的變化對粒徑影響較小。

根據(jù)氣溶膠粒子的空氣動力學(xué)捕獲原理，單一霧滴捕獲氣溶膠粒子截留和慣性綜合效率ERI可以用半徑為y1的圓面積和霧滴的投影面積之比來規(guī)定［5］，如第102頁圖7所示。ERI計算公式如式(4)。

其中，D是霧滴的直徑，μm;σ是考慮撞擊到霧滴上的粒子反跳到氣流中的影響的系數(shù)。

由式(4)可得，霧滴的減小對增加空氣動力學(xué)捕集效率具有較大影響。如當(dāng)捕獲條件相同，霧滴粒徑為1.6 μm和1.9 μm時，其空氣動力學(xué)捕獲率之比為:

圖7 球體的繞流

即，對相同捕獲條件下的氣溶膠粒子，1.6 μm的霧滴捕獲效率是1.9 μm霧滴捕獲效率的1.41倍。

實際中的氣溶膠捕獲是大量單一霧滴捕獲的總和，因此，能在滿足產(chǎn)生大量固定劑霧滴的條件下，減小捕獲霧滴的粒徑，既能減少固定劑使用量，又可以提高氣溶膠粒子的總捕獲率。

4 結(jié)論

霧化固定劑配方是霧化固定技術(shù)的關(guān)鍵，選擇固定劑應(yīng)從霧化量、保濕性和粒徑并結(jié)合固定效果等方面綜合考慮。本文考察了幾種不同丙三醇、果糖和水配方固定劑的性能，初步確定了丙三醇、果糖和水體積比為1∶2∶7和2∶1∶7這2個配方。

［1］ 白向兵.新型抑塵劑的合成與應(yīng)用研究［D］.西安:長安大學(xué)，2006.

［2］ 張小艷.聲波除塵技術(shù)研究［D］.西安:西安礦業(yè)學(xué)院，1999.

［3］Donnelly T D，Hogan J.An experimental study of micron－scale droplet aerosols produced via ultrasonic atomization［J］.Physics of Fluids，2004，16:2843－2852.

［4］Donnelly T D，Hogan J.Using ultrasonic atomization to produce an arosol of micron－scale particles［J］.Review of Scientific Instrrments，2005，76:113301.

［5］ 張國權(quán).氣溶膠力學(xué)——除塵理論凈化基礎(chǔ)［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1987:146－147.

Preliminary selection of atomization fixing agent

GUO Jianwen

(Shanxi Jinhuan Keyuan Environmental Resource Science and Technology Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030024，China)

Through the analysis of the mechanism of dust suppression，the parameters that should be measured are determined.Through the atomization quantity，moisturizing properties and particle size analysis of 3 aspects of experimental results，the volume ratio of glycerol，fructose and water is preliminarily selected with 1∶2∶7 and 2∶1∶7.These two formulations can be taken as fixing agents of primary result in next experiment.

atomization;fixing agent;particle size distribution

X701.2

A

1004－7050(2016)06－0036－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.11

2016－08－16

郭建文，男，1977年出生，2000年畢業(yè)于太原理工大學(xué)化工工藝專業(yè)，本科，從事環(huán)境工程及評價、驗收、風(fēng)險應(yīng)急等環(huán)保工作。