磁化復(fù)配表面活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴耦合協(xié)同霧化降塵的性能研究

劉金璐，谷明月

(唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000)

煤礦開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，易誘發(fā)塵肺病和心血管疾病等，不利于煤礦井下工人的身心健康[1]，因此粉塵防治十分重要。近些年，多種除塵方式被廣泛研究，噴霧除塵因其成本較低、安裝簡(jiǎn)單及安全性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，當(dāng)液滴與粉塵接觸后使得粉塵顆粒質(zhì)量增加發(fā)生沉降，從而降低粉塵濃度[1-2]。但是，由于水的表面張力大，造成液滴破碎粒徑較大，較大粒徑的液滴不利于與粉塵結(jié)合達(dá)到高效降塵的目的。為此，大量學(xué)者進(jìn)行了噴霧降塵提效研究。裴葉[3]、鄒利宏[4]、張麗穎[5]等進(jìn)行了活性劑復(fù)配增效的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)將2種類型的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配后溶液的濕潤(rùn)性明顯降低，并能得到一個(gè)最優(yōu)復(fù)配比例；蔣仲安、聶百勝、王永珍、秦波濤和劉志超等對(duì)磁化水進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度下水的接觸角減小，論證了磁化水提高降塵率的有效性[2,6-9]；趙曉亮、聶文和王鵬飛等研究了噴嘴類型對(duì)噴霧除塵效果的影響[10-12]。通過分析前人研究成果，發(fā)現(xiàn)針對(duì)磁化復(fù)配表面活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧耦合協(xié)同霧化降塵的研究較少，因此筆者通過開展溶液表面張力及噴嘴霧化效率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，擬得到最優(yōu)耦合協(xié)同霧化的降塵方法，從而提升煤礦井下粉塵的治理水平。

1 降塵機(jī)理

表面活性劑是一種能夠減小固體顆粒與液體之間表面張力的物質(zhì)，在活性劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到特定值以上時(shí)會(huì)顯著降低活性劑溶液的表面張力，提高粉塵顆粒和液體之間的接觸能力，進(jìn)而提高降塵率[3, 5]。磁化水是水流經(jīng)強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下改變水的理化性質(zhì)，從而提高水的濕潤(rùn)性能。將磁化水和活性劑2種物質(zhì)相結(jié)合，當(dāng)溶液穿過強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下溶液中部分氫鍵發(fā)生斷裂或者鍵角變小，降低溶液中分子之間的黏聚力，其濕潤(rùn)性能進(jìn)一步提高[6, 9]。壓風(fēng)細(xì)霧霧化是利用微細(xì)霧化噴嘴在高壓水和壓風(fēng)共同作用下產(chǎn)生粒徑小、分布均勻且覆蓋面積大的霧化液滴。霧化液滴是由液體從噴嘴噴射出時(shí)受噴嘴作用破碎而成，破碎過程中液滴主要受空氣動(dòng)力和液滴表面張力綜合作用，空氣動(dòng)力壓縮液滴表面造成液滴破碎形成更小的液滴，但是液滴表面張力則有阻礙液滴破碎的作用[10-11]。磁化表面活性劑和壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴耦合協(xié)同霧化是在磁化水、活性劑和壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴協(xié)同作用下，有效減小了溶液的表面張力，降低了水的濕潤(rùn)性，進(jìn)一步提高了壓風(fēng)細(xì)霧霧化能力，使霧化液滴更小、更均勻，更容易與粉塵黏聚，在重力作用下能夠加速粉塵沉降。

2 耦合協(xié)同霧化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

現(xiàn)有市場(chǎng)上出售的表面活性劑種類繁多，由于煤塵多數(shù)帶有負(fù)電荷，因此，本實(shí)驗(yàn)中僅選用陰離子和非離子活性劑，如表1所示。實(shí)驗(yàn)用水來自唐山市劉莊煤礦礦井水。實(shí)驗(yàn)中用到的器件主要包括：普通噴嘴和壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴；選用TYU-2000H磁化儀和TYU-2002 型高斯計(jì)對(duì)水進(jìn)行磁化；選用ZL2100界面張力儀測(cè)量液體的表面張力；選用Winner318工業(yè)噴霧激光粒度分析儀測(cè)量霧滴粒徑。

表1 單體表面活性劑

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先，在4種活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.20%時(shí)測(cè)定活性劑溶液的表面張力變化，從陰離子和非離子活性劑中各選出一種最優(yōu)活性劑進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化；然后，通過對(duì)比在不同質(zhì)量比和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下溶液的表面張力得到最優(yōu)復(fù)配方法；在最優(yōu)復(fù)配活性劑溶液條件下，測(cè)試磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)復(fù)配溶液表面張力的影響，得到最優(yōu)磁感應(yīng)強(qiáng)度；最后，對(duì)比普通噴嘴和壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴在水、磁化水、復(fù)配活性劑溶液和磁化復(fù)配活性劑溶液環(huán)境條件下的霧化效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單體表面活性劑研究

質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.20%內(nèi)的4種活性劑溶液的表面張力變化曲線如圖1所示?？梢钥闯觯刺砑颖砻婊钚詣r(shí)，水的表面張力為72.3 mN/m，隨著活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，4種活性劑溶液的表面張力都先大幅度降低，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.06%后趨于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，穩(wěn)定后SDS、SDBS、FMEE和NPE溶液的表面張力分別為39.8、41.5、33.9、38.4 mN/m。

圖1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.20%內(nèi)4種活性劑溶液表面張力的變化曲線

通過對(duì)比圖1中SDS、SDBS、FMEE和NPE溶液的表面張力可知，當(dāng)活性劑溶液的表面張力趨于穩(wěn)定后，非離子活性劑FMEE和NPE溶液的表面張力都小于陰離子活性劑SDS和SDBS溶液的表面張力。相關(guān)研究表明，通過復(fù)配不同種類的活性劑溶液能夠降低其表面張力[3,5,9,13]。因此，在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上從陰離子和非離子活性劑中各選出1種試劑來進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，因活性劑SDS和FMEE溶液的表面張力較小，故被選為此次復(fù)配實(shí)驗(yàn)的基料。

3.2 表面活性劑復(fù)配研究

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，單體SDS和FMEE溶液的表面張力在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.06%時(shí)趨于最小值并保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，因此，在活性劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，從而確認(rèn)最優(yōu)質(zhì)量比。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%的SDS和FMEE復(fù)配溶液在不同質(zhì)量比條件下的表面張力變化曲線如圖2所示。

圖2 復(fù)配溶液表面張力隨質(zhì)量比的變化曲線

由圖2可知，復(fù)配溶液表面張力隨著SDS和FMEE質(zhì)量比的變化會(huì)發(fā)生改變，但復(fù)配活性劑溶液的表面張力均小于單體活性劑溶液的表面張力。在SDS和FMEE的質(zhì)量比為6∶4時(shí)復(fù)配溶液的表面張力達(dá)到最小值29.1 mN/m，相比于單體SDS和FMEE溶液，復(fù)配溶液的表面張力分別降低了26.9%和14.2%。裴葉、秦波濤等也通過測(cè)試證實(shí)了復(fù)配活性劑溶液能降低其表面張力，將陰離子和非離子活性劑混合在一起時(shí)其親水基之間出現(xiàn)了協(xié)同增效作用[3,9]。

復(fù)配活性劑在SDS和FMEE的質(zhì)量比為6∶4時(shí)降低了溶液的表面張力，此時(shí)溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%。由于溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，所需經(jīng)濟(jì)成本越高，為了降低成本，在已知復(fù)配活性劑最佳質(zhì)量比的前提下，假設(shè)所用復(fù)配活性劑在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.06%時(shí)就已經(jīng)趨于穩(wěn)定，基于此進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.10%下復(fù)配活性劑溶液的表面張力的變化曲線見圖3，并與單體SDS和FMEE溶液的表面張力進(jìn)行對(duì)比，復(fù)配活性劑溶液的表面張力隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加急劇下降，并在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)趨于穩(wěn)定。因此，通過SDS和FMEE復(fù)配優(yōu)選，復(fù)配活性劑在陰離子和非離子活性劑的影響下，達(dá)到最低表面張力時(shí)所用溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較采用單體SDS和FMEE大約降低了50%，能夠有效降低降塵過程中的使用成本。

圖3 表面張力隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0～0.10%)的變化曲線

3.3 磁化增效研究

近幾年，相關(guān)研究人員提出的磁化水降塵技術(shù)，主要是通過物理方法改變水的表面張力，具有投資少、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[2,6,8,9,14]，但磁化水在使用過程中降塵效率有待進(jìn)一步提高，因此筆者考慮將活性劑磁化后用來提升溶液的濕潤(rùn)性能。王永珍等的研究指出磁化時(shí)間5～180 s內(nèi)對(duì)表面活性劑的表面張力幾乎沒有影響[7]，聶百勝等的研究指出磁化時(shí)間大于60 s時(shí)溶液表面張力穩(wěn)定[6]，因此實(shí)驗(yàn)中設(shè)定磁化時(shí)間為60 s，對(duì)復(fù)配活性劑(其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%，SDS與FMEE質(zhì)量比為6∶4)進(jìn)行磁化研究，其表面張力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況見圖4。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)表面張力的影響

由圖4可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0～400 mT時(shí)，復(fù)配活性劑溶液的表面張力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而逐漸降低，即其表面張力由29.6 mN/m降為25.5 mN/m，這主要是因?yàn)閺?fù)配表面活性劑溶液在經(jīng)過強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，強(qiáng)磁場(chǎng)的磁化作用會(huì)加劇溶液中的分子運(yùn)動(dòng)，從而降低復(fù)配活性劑溶液的黏聚力，提高復(fù)配活性劑溶液的濕潤(rùn)性[15-16]；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為400～800 mT時(shí)，復(fù)配活性劑溶液的表面張力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而逐漸增加，即其表面張力由25.5 mN/m增加為27.3 mN/m，這是因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度過大時(shí)，一部分活性劑的親水基從水分子表面逃逸，致使復(fù)配活性劑分子與水分子之間的排列發(fā)生變化，導(dǎo)致增效作用減弱，進(jìn)而降低復(fù)配活性劑溶液的表面張力[9]。經(jīng)上述分析可知磁感應(yīng)強(qiáng)度在400 mT時(shí)復(fù)配活性劑溶液的表面張力最小，溶液濕潤(rùn)性最好，較未磁化時(shí)其表面張力降低了13.9%。

3.4 耦合協(xié)同霧化研究

霧化降塵時(shí)霧滴粒徑是影響降塵效果的主要因素，霧滴粒徑越小降塵效果越好[10]。壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴結(jié)合了壓力水和壓風(fēng)，壓力水流經(jīng)噴頭被撞擊分散成小霧滴，在壓風(fēng)的協(xié)同作用下能進(jìn)一步分散成更小粒徑霧滴。為有效控制呼吸性粉塵濃度，實(shí)現(xiàn)霧滴最小化，開展磁化復(fù)配活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴耦合實(shí)驗(yàn)，研究壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴在水、磁化水、復(fù)配活性劑和磁化復(fù)配活性劑環(huán)境條件下的霧化效果，并與相同條件下普通噴嘴的霧化效果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)選用的2種噴嘴的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 噴嘴實(shí)物圖

因?yàn)楹粑苑蹓m最佳捕獲粒徑小于65 μm，實(shí)驗(yàn)中將小于65 μm的霧滴占霧滴總量的百分比稱為霧化效率，可以用來作為衡量霧化效果的標(biāo)準(zhǔn)[17]。實(shí)驗(yàn)中采用煤礦井下一般壓力水和壓風(fēng)，壓力大小分別為3 MPa和0.5 MPa，其霧化效果如圖6所示。

圖6 不同方法的霧化效果

由圖6可知，在水、磁化水、復(fù)配活性劑和磁化復(fù)配活性劑的環(huán)境條件下，壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴的霧化效果都優(yōu)于普通噴嘴，這說明壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴在壓力水和壓風(fēng)的協(xié)同作用下霧化效果得到提升。此外，壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴在磁化復(fù)配活性劑的耦合作用下，霧化性能得到極大提升，霧化效率最高可達(dá)74.8%，霧化效率較水提高了49.3%。綜上研究，磁化復(fù)配活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧耦合協(xié)同霧化效果最優(yōu)，充分利用了陰離子和非離子復(fù)配活性劑、磁化水及壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴的優(yōu)勢(shì)，能有效提升霧化效果。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)多種陰離子和非離子活性劑溶液的表面張力進(jìn)行測(cè)試，選取性能較優(yōu)的SDS和FMEE進(jìn)行了復(fù)配研究，在SDS和FMEE復(fù)配質(zhì)量比為6∶4時(shí)復(fù)配溶液的表面張力達(dá)到最小值29.1 mN/m，所需最優(yōu)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)也由0.06%降到0.03%。

2)復(fù)配活性劑溶液的表面張力隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加先降低后增加，最優(yōu)磁感應(yīng)強(qiáng)度約為400 mT，此時(shí)溶液的表面張力為25.5 mN/m，較未磁化時(shí)的溶液的表面張力降低了13.9%。

3)通過對(duì)磁化表面活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴耦合協(xié)同霧化效果進(jìn)行研究，得到耦合協(xié)同作用下的霧化效率高達(dá)74.8%，較水提高了49.3%。因此，磁化復(fù)配活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴耦合協(xié)同霧化能降低溶液的表面張力，提升其霧化降塵性能。