球型聚丙烯顆粒振動(dòng)帶電特性影響實(shí)驗(yàn)研究

蘭 琦， 李亮亮， 梁 財(cái)， 孟 鶴， 陶 彬， 劉全楨

(1.中石化安全工程研究院有限公司，山東 青島 266100；2.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100；3.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

聚烯烴等化工物料在輸送、摻混和包裝過程中，會(huì)發(fā)生顆粒-顆粒、顆粒-管壁、顆粒-振動(dòng)篩間摩擦碰撞，從而導(dǎo)致顆粒帶電[1-3]。帶電物料及粉塵易在管道、料倉中造成粉塵燃爆事故，同時(shí)在包裝時(shí)會(huì)造成包裝人員受到靜電電擊甚至誘發(fā)二次災(zāi)害等[4-7]。因此，研究絕緣化工物料帶電機(jī)制及帶電影響因素，對(duì)于指導(dǎo)優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低物料帶電量、預(yù)防聚烯烴等化工物料靜電放電引起的災(zāi)害事故，具有非常重要的理論意義，并提供數(shù)據(jù)支撐。

化工物料顆粒帶電主要受顆粒物性及環(huán)境因素影響[8-12]。在基于顆粒摩擦帶電研究中，一般認(rèn)為電子轉(zhuǎn)移是顆粒摩擦帶電的主要機(jī)制，并主要通過單顆?；瑒?dòng)摩擦帶電實(shí)驗(yàn)評(píng)估顆粒帶電的影響因素。Hu等[13]研究了單顆?；瑒?dòng)摩擦過程中顆粒初始電荷、滑動(dòng)距離和法向載荷量等因素對(duì)顆粒帶電特性的影響。Chowdhury等[14]得出了顆粒的帶電速率取決于其初始電荷，且顆粒帶電速率和飽和電荷量隨顆粒表面積的增大呈線性增加等結(jié)論。Zhao和Yao等[15-18]發(fā)現(xiàn)顆粒粗糙度，顆粒的滑動(dòng)面積、速率和滑動(dòng)時(shí)間對(duì)促進(jìn)電荷產(chǎn)生有較大影響。在化工顆粒物料振動(dòng)篩處理過程中，顆粒-金屬壁碰撞摩擦并發(fā)生電荷遷移，對(duì)于振動(dòng)篩處理顆粒過程中電荷轉(zhuǎn)移特性及影響因素研究較少，缺乏明確的顆粒靜電控制方法。筆者在振動(dòng)篩上進(jìn)行了振動(dòng)強(qiáng)度、環(huán)境濕度及顆粒-顆粒碰撞等影響顆粒荷電特性的實(shí)驗(yàn)研究，探究單顆粒、多顆粒聚烯烴粒料靜電帶電特性及影響因素，為聚烯烴等物料生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品靜電危害防護(hù)技術(shù)開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)顆粒及其預(yù)處理

選用粒徑分別為2、3、4、5、6和8 mm的6種球形聚丙烯(PP)顆粒(購于東莞鉑威五金制品有限公司)，使用真空烘箱110 ℃下對(duì)顆粒進(jìn)行烘焙干燥180 min，并在烘箱中自然冷卻至室溫。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)顆粒進(jìn)行尺寸標(biāo)定，獲得PP顆粒的直徑[19]；利用天平(CPA26P-0C，德國Sartorius產(chǎn)品)稱量顆粒質(zhì)量(精確到0.001 mg)。實(shí)驗(yàn)前將顆粒置于離子風(fēng)機(jī)(AP-DC2453，上海安平靜電科技有限公司產(chǎn)品)下消電2 min左右，保證PP顆粒的初始電荷為零。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1是顆粒振蕩摩擦帶電測試實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖。在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將PP單顆粒置于振蕩篩分儀中(Retsch AS 200，德國萊馳公司產(chǎn)品；分析篩直徑200 mm、孔徑1 mm、篩網(wǎng)及篩壁均為304不銹鋼材質(zhì))，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置篩分儀的振蕩時(shí)間、振幅參數(shù)以及環(huán)境溫度、濕度等變量，以分析各項(xiàng)因素對(duì)顆粒帶電量的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，將振蕩固定時(shí)間的樣品顆粒倒入法拉第杯(JCI 150，英國Chilworth公司產(chǎn)品)中，利用連接法拉第杯的靜電計(jì)(吉利時(shí)6514，美國泰克公司產(chǎn)品)及計(jì)算機(jī)直接讀出并記錄顆粒帶電量。顆粒帶電測試環(huán)境溫度和濕度通過恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境調(diào)節(jié)。

圖1 顆粒振蕩摩擦帶電實(shí)驗(yàn)測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of the particle oscillation friction charging experiment test

將不同粒徑PP顆粒鋪滿靜電衰減測試儀(JCI 155 V6，英國Chilworth公司產(chǎn)品)所配套的JCI 173樣品杯中，設(shè)置電暈放電電壓參數(shù)為-9 kV，測試不同粒徑PP顆粒帶電量隨時(shí)間的衰減數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PP顆粒靜電衰減特性

表1是不同球形粒徑PP單顆粒質(zhì)量及靜電衰減特性參數(shù)。由表1可知，在100 s的衰減時(shí)間范圍內(nèi)，顆粒的粒徑越大，顆粒帶電量衰減越快，但剩余電荷量均不低于峰值的95%，表明PP樣品顆粒帶電后靜電消散較慢，易產(chǎn)生靜電積聚。由于測試單顆粒振動(dòng)摩擦帶電時(shí)，單次測量顆粒帶電量的時(shí)間不超過20 s，因此顆粒樣品從篩分儀轉(zhuǎn)移至法拉第筒的過程中，顆粒帶電量變化可以忽略不計(jì)。

表1 典型實(shí)驗(yàn)PP粒徑、質(zhì)量及靜電衰減特性參數(shù)Table 1 Particle size, mass and electrostatic decay characteristic parameters of typical experiment PP particles

2.2 篩分儀振蕩幅度對(duì)單顆粒帶電量影響

圖2是固定PP顆粒振動(dòng)時(shí)長為3 min，不同振幅下不同粒徑PP單顆粒的帶電量。根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移理論，顆粒帶電是由顆粒-篩網(wǎng)壁接觸和分離過程中電荷的轉(zhuǎn)移引起的，顆粒在單次碰撞分離瞬間，電荷轉(zhuǎn)移量Δq(nC)計(jì)算公式見式(1)[20-21]：

Δq=kcCΔV

(1)

C=ε0S/z0

(2)

ΔV=VC-Ve

(3)

式中：kc是帶電效率常數(shù),無量綱;C和ΔV分別為顆粒-篩壁接觸面S間的電容(nF)和總電勢差(V);ε0是氣體的絕對(duì)介電常數(shù),F/m;S是顆粒-篩壁接觸面積,m2;z0是顆粒與接觸體之間臨界間隙,m;VC是由于顆粒與金屬材料間不同的功函數(shù)造成的電位差,V;Ve是顆粒碰撞前表面電荷誘導(dǎo)電勢差,V。

對(duì)于固定的PP單顆粒和不銹鋼篩網(wǎng)，根據(jù)式(1)～式(3)可以看出，在單次碰撞期間，轉(zhuǎn)移的電荷量和顆粒與金屬篩表面最大接觸面積成正比。隨著篩分儀振幅參數(shù)的增大，顆粒-篩網(wǎng)壁之間碰撞劇烈程度增加，顆粒-篩網(wǎng)接觸頻率增高，同時(shí)顆粒-篩網(wǎng)壁之間相互碰撞作用力增大，可能會(huì)導(dǎo)致顆粒-篩網(wǎng)壁接觸有效面積變大，這些因素均促進(jìn)了顆粒-篩網(wǎng)壁之間電荷轉(zhuǎn)移。因此，相同的振蕩時(shí)間內(nèi)，同一粒徑顆粒振動(dòng)摩擦帶電量隨振幅增加而增大[22]。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在相同振幅、振蕩時(shí)間及環(huán)境因素條件下，靜電電荷量隨顆粒平均尺寸增大而增加。這主要源于顆粒粒徑增大，顆粒表面積隨之增大，顆粒與篩網(wǎng)碰撞作用面積也增大，促進(jìn)了顆粒-金屬篩網(wǎng)之間的電荷轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致顆粒帶電量隨粒徑增大而增大。

q—Charge; A—Amplitude圖2 不同粒徑PP顆粒在不同振幅下的電荷量Fig.2 The charge of different particle sizes at different amplitudes Temperature (18.1±2) ℃; Relative humidity 19.5%±2%; Oscillation time 3 min

圖3為不同篩分儀振幅下，不同顆粒帶電荷/質(zhì)比的變化曲線。結(jié)合表1中PP單顆粒質(zhì)量數(shù)據(jù)可以看出，隨著顆粒粒徑增大，顆粒的質(zhì)量增加，單位質(zhì)量顆粒的帶電量(即荷/質(zhì)比)隨著粒徑增大而降低。

?！狢harge/mass ratio; A—Amplitude圖3 不同粒徑PP顆粒在不同振幅下的荷/質(zhì)比Fig.3 The charge/mass ratio of PP particles of different particle sizes at different oscillation amplitudes Temperature (18.1±2) ℃; Relative humidity 19.5%±2%； Oscillation time 3 min

2.3 環(huán)境濕度對(duì)顆粒帶電量影響

圖4是粒徑分別為3 mm和6 mm的2種PP顆粒在不同相對(duì)濕度條件下的振蕩摩擦帶電量(振幅為0.5 mm)。由圖4可見，環(huán)境濕度對(duì)顆粒振蕩摩擦帶電量有顯著影響，同一振動(dòng)時(shí)間下，電荷量隨濕度減小而增加。這是因?yàn)轭w粒帶電能力與相對(duì)濕度有著密切的關(guān)系[23-24]，環(huán)境空氣濕度增加，PP顆粒的帶電能力下降，在測試環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到60%±2%時(shí)，顆粒振動(dòng)摩擦帶電量極低。這可能源于有吸濕性的顆粒產(chǎn)生靜電的能力隨著濕度上升而變?nèi)?，且吸濕性越?qiáng)的顆粒產(chǎn)生靜電量越小[25]。另外，水是一種良導(dǎo)體，隨著相對(duì)測試環(huán)境濕度的增加，顆粒表面吸附的水分子越多，其表面電阻率將越低，靜電荷就更容易由高電位轉(zhuǎn)移到低電位而無法聚集[26]。

圖4 不同濕度下粒徑為3 mm和6 mm的PP顆粒的電荷量Fig.4 The charge of PP particles with particle diameters of 3 mm and 6 mm at different humidity levels(a) 3 mm; (b) 6 mm Oscillation amplitude 0.5 mm； Temperature 25.4 ℃

2.4 振動(dòng)時(shí)間對(duì)顆粒飽和電荷量影響

顆粒-篩網(wǎng)多次碰撞分離過程中，靜電荷逐漸積聚在顆粒表面上，并最終達(dá)到平衡狀態(tài)[27]。圖5是不同粒徑PP單顆粒帶電量隨振動(dòng)總時(shí)間的變化曲線(篩分儀振動(dòng)幅度為0.5 mm)。可以看出顆粒表面產(chǎn)生的靜電電荷量隨著振蕩時(shí)間的增加而增加，并最終趨于飽和。球形PP顆粒粒徑越大，達(dá)到顆粒飽和帶電時(shí)間越長，粒徑2～3 mm的PP顆粒振蕩6～8 min后帶電量達(dá)到飽和，粒徑4～6 mm的PP顆粒則大概需要10～12 min才能達(dá)到飽和。

圖5 不同粒徑PP顆粒帶電電荷量隨振動(dòng)總時(shí)間的變化Fig.5 Charged amount of PP particles with differentdiameters vs vibration time Temperature (21±1) ℃; Relative humidity 18.5%±1%; Oscillation amplitude 0.5 mm

顆粒振蕩過程帶電量趨于指數(shù)增加直至達(dá)到飽和電荷量。以粒徑為4 mm的PP顆粒為例，利用指數(shù)函數(shù)形式對(duì)顆粒帶電量隨振蕩總時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合，擬合公式為[28-29]：

(4)

式中：q為單顆粒當(dāng)前帶電量, nC；qsat為顆粒飽和帶電量，nC；t為振蕩時(shí)間，s；τ為時(shí)間常數(shù)。圖6 為飽和帶電量與振蕩時(shí)間關(guān)系指數(shù)擬合曲線。由圖6可以得出，qsat對(duì)應(yīng)的值為-0.50361，τ對(duì)應(yīng)的值為3.47067。

圖6 粒徑4 mm的PP單顆粒飽和帶電量與 振蕩時(shí)間關(guān)系指數(shù)擬合曲線Fig.6 Exponential curve fitting for the relationship between the saturation charge of 4 mm diameter PP particles and the oscillation time Temperature (21±1) ℃; Relative humidity 18.5%±1%; Oscillation amplitude 0.5 mm

圖7為不同粒徑PP顆粒在振蕩幅度為0.5 mm條件下的飽和帶電量與荷/質(zhì)比。由圖7可見，隨著顆粒粒徑的增大，PP顆粒的飽和帶電量隨之增加，這主要源于顆粒粒徑增大，顆粒的表面積隨之增大，顆粒與篩網(wǎng)壁碰撞過程中，顆粒表面攜帶更多的電荷量。但隨著顆粒粒徑增加，顆?？傎|(zhì)量也會(huì)增加，而顆粒摩擦起電現(xiàn)象只發(fā)生在顆粒表面，顆粒質(zhì)量的增速遠(yuǎn)大于相對(duì)表面積增速，所以PP顆粒粒徑越大，荷/質(zhì)比越小。

?！狢harge/mass ratio圖7 不同粒徑PP顆粒的飽和電荷量與荷/質(zhì)比Fig.7 Saturation charge and charge/mass ratio of PP particles of different particle sizes Temperature (18.1±2) ℃; Relative humidity 19.5%±2%; Oscillation amplitude 0.5 mm； Oscillation time 3 min

2.5 多顆粒同時(shí)振蕩對(duì)顆粒帶電量影響

球形PP顆粒在振動(dòng)篩內(nèi)因振動(dòng)導(dǎo)致顆粒-顆粒、顆粒與篩網(wǎng)間碰撞帶電[30]。圖8為不同數(shù)目的PP顆粒同時(shí)振蕩過程中(顆粒粒徑4 mm、篩分儀振幅為0.5 mm、振蕩時(shí)間為10 min)顆粒帶電荷量和荷質(zhì)比數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯S測試顆粒個(gè)數(shù)的增加，單顆PP顆粒帶電量迅速降低。PP樣品顆粒數(shù)達(dá)到100顆時(shí)，粒徑為4 mm的單顆PP顆粒樣品帶電約-0.48 nC；而樣品顆粒數(shù)為200顆時(shí)，單顆PP顆粒樣品帶電約-0.26 nC。這是由于隨著測試顆粒樣品總質(zhì)量(樣品顆粒數(shù)目)增加，顆粒-顆粒碰撞幾率增加，抑制了顆粒與振動(dòng)篩金屬壁面的碰撞，導(dǎo)致單位質(zhì)量顆粒的帶電量下降。但顆粒的帶電量不會(huì)隨顆粒數(shù)目增加而無限下降，如顆粒樣品數(shù)量增加至200顆時(shí)基本不再變化，與樣品數(shù)量為500顆時(shí)單個(gè)隨機(jī)樣本顆粒的荷電量基本一致，相應(yīng)的荷/質(zhì)比變化規(guī)律與荷電量規(guī)律保持一致。

3 結(jié) 論

(1)PP單顆粒振蕩碰撞帶電，隨篩分儀振幅增大，顆粒與篩網(wǎng)壁之間碰撞劇烈程度增加，促進(jìn)顆粒-篩網(wǎng)壁間的電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致單顆粒帶電量增大；且環(huán)境濕度越小，PP單顆粒飽和帶電量越高。

(2)PP單顆粒振蕩過程中，隨振動(dòng)總時(shí)間的增加，其帶電量呈指數(shù)型增長直至達(dá)到飽和電荷量；隨著顆粒粒徑增大，顆粒帶電達(dá)到飽和電荷量所需振動(dòng)時(shí)間越長；粒徑越大，顆粒帶電飽和量增大，但因顆粒質(zhì)量增加導(dǎo)致荷/質(zhì)比降低。

(3)相同粒徑的PP振蕩實(shí)驗(yàn)中，隨著顆粒數(shù)目的增加，顆粒-顆粒間碰撞頻率增大，顆粒的荷/質(zhì)比隨振蕩顆?？倲?shù)目的增加而降低并趨于穩(wěn)定。因此，通過控制顆粒振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)幅度及顆粒處理總量，可用于調(diào)節(jié)顆粒的帶電量。