基于磁、電及其耦合作用的液滴表面張力研究*

賈蕎溪荊德吉鄧洋波葛少成

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；2.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院；3.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院）

目前，水霧降塵技術(shù)作為煤塵防治領(lǐng)域使用最廣泛且最普遍的降塵技術(shù)，受環(huán)境、水質(zhì)等因素的影響，其降塵效率有待提升。為有效提高水霧降塵效率，文獻［1-3］在濕式降塵原理的基礎(chǔ)上進行了深入研究。磁化水噴霧［4-8］由于磁化作用使得霧滴的潤濕性能增強，并延長了其在空氣中的存在時間，在降塵過程中，空氣中的塵粒能夠與霧滴團簇充分地碰撞、凝并及沉降，從而達到降塵的目的。荷電水霧［9-12］因水霧荷電感應(yīng)原理使霧滴表面形成偶電層，負電荷被噴嘴電極吸引，霧滴表面帶有正電荷，改變了霧滴表面活性，促使煤塵團聚，以達到降塵的效果。磁電耦合噴霧［13］則是在對普通液態(tài)水施加一定強度磁場的同時施加一定的荷電電壓，其形成的霧滴在磁電吸附力的作用下與塵粒交融、團聚、沉降，以實現(xiàn)降塵凈化的效果。磁化、荷電及磁電耦合作用的實質(zhì)是改變水的表面張力，進而改變塵粒與液滴接觸時的潤濕性能，從而實現(xiàn)理想的降塵效果。降塵過程是將霧滴的分子團簇變?yōu)檩^小的分子群，或轉(zhuǎn)化為游離的單體水分子、2 個聚合物分子的形式［14］。這種微觀的變化使液滴的表面張力得以降低，從而有助于提高其對粉塵的潤濕能力，提高降塵效率。

綜上，磁化、荷電及磁電耦合作用均能通過改變霧滴的基本性質(zhì)達到降塵的目的，但3種降塵技術(shù)沉降能力的優(yōu)劣目前尚無定論?；诖耍晕⒂^降塵機理為主要切入點，運用交叉實驗法進行磁化作用、荷電作用及磁電耦合作用下的液滴表面張力變化情況的對比實驗研究，并運用Materials Studio 軟件構(gòu)建水分子模型，進行分子動力學(xué)模擬，對本次實驗的結(jié)果進行驗證。

1 液滴表面張力實驗

1.1 實驗的提出

磁化或荷電作用改變了水的基本性質(zhì)。但磁化、荷電及磁電耦合作用對于水的基本性質(zhì)的影響程度及變化規(guī)律仍有待深入研究。

基于此，本研究開展基于磁化、荷電及磁電耦合作用對液滴表面張力影響的實驗，改變磁場強度與荷電電壓，進行交叉實驗，對不同磁場強度、荷電電壓及兩者共同作用下的液滴表面張力進行測量，進而得到磁化、荷電及磁電耦合作用下的液滴表面張力變化規(guī)律。

1.2 實驗裝置

液滴表面張力測量裝置由供電系統(tǒng)、測量系統(tǒng)組成。供電系統(tǒng)由負高壓靜電直流發(fā)生器和電極環(huán)構(gòu)成。為保證實驗安全，需對負高壓靜電直流發(fā)生器進行接地處理。選用2 mm厚的不銹鋼電極環(huán)作為本次實驗的感應(yīng)荷電裝置。絕緣棒通過電極環(huán)兩側(cè)的圓孔將其固定在實驗裝置中，并與負高壓靜電發(fā)生器連接，使電極環(huán)帶電。測量系統(tǒng)主要由表面張力測量儀和計算機構(gòu)成，在支架內(nèi)鉛直方向上固定容量為1 mL 的電動注射器，以精確控制毛細管內(nèi)的液滴量，該系統(tǒng)可對磁化、荷電及磁電耦合作用下的液滴表面張力進行測量。根據(jù)磁感應(yīng)線切割液的工作原理，制備磁化水。采用磁化裝置對水進行磁化處理，處理速度為110 次/min。

1.3 實驗步驟

實驗用水為自來水，水質(zhì)檢測參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)采用感應(yīng)荷電方式，即保證毛細管位于電極環(huán)中央，并保持電極環(huán)的高度與液滴平行。由于實驗只使用一個電極環(huán)，且保持其位置不變，因此，忽略電極間距與電極環(huán)直徑的影響，在保證其他實驗條件不變的情況下，只考慮磁場強度、荷電電壓及兩者共同作用對液滴表面張力的影響。首先，制備實驗用磁化水，選擇磁場強度參數(shù)為0，100，300，500，700，1 000 mT。將制備好的磁化水注入電動注射器中，調(diào)整電極環(huán)位置，保證注射器置于電極環(huán)正中央，且注射器毛細管管口產(chǎn)生的液滴與電極環(huán)有必要處于同一高度。開啟高速數(shù)碼相機、光源和計算機，利用計算機開始滴液，使電動注射器毛細管管口產(chǎn)生懸垂液滴，每次測量的液滴須處于將要滴落的臨界狀態(tài)。進行同一磁場強度、不同荷電電壓下的液滴表面張力測量實驗時，荷電電壓參數(shù)設(shè)置為0，3，6，9，12，15，18，21 kV。改變磁場強度，進行交叉實驗，記錄各參數(shù)狀態(tài)下的液滴表面張力值。液滴初始形態(tài)及表面張力如圖1所示。

2 實驗結(jié)果分析

磁化、荷電、磁電耦合作用后的表面張力與未經(jīng)任何處理時液滴表面張力的差值即為表面張力的相對變化量，據(jù)此可知不同作用條件下的表面張力相對變化率。本研究從液滴表面張力變化及表面張力相對變化率兩方面對實驗結(jié)果進行分析。

2.1 磁化作用對液滴表面張力的影響

當荷電電壓一定，不考慮其他影響因素時，不同磁場強度對液滴表面張力產(chǎn)生的影響不同，將正相對變化定義為表面張力減小，負相對變化定義為表面張力增大，其變化及相對變化情況如圖2所示。

由圖2（a）可知，磁場強度由0 mT 增至100 mT時，在0～9 kV 范圍內(nèi)保持荷電電壓一定，液滴表面張力減?。辉?2～21 kV 范圍內(nèi)保持荷電電壓一定，液滴表面張力增大。磁場強度由100 mT 增至300 mT 時，在0～15 kV 范圍內(nèi)保持荷電電壓一定，液滴表面張力減小，且小于相同荷電電壓條件下0 mT 時的表面張力；在18～21 kV 范圍內(nèi)，荷電電壓一定，表面張力增大。在0～21 kV 范圍內(nèi)保持荷電電壓一定，磁場強度由300 mT 增加增至700 mT 時，液滴表面張力雖不斷增大，但幅度不大；磁場強度由700 mT 增至1 000 m時，表面張力增幅明顯。

由圖2（b）可知，當磁場強度為0～300 mT時，表面張力的相對變化呈現(xiàn)出先正向增大后負向增大的趨勢。當磁場強度為0，100，300 mT 時，荷電電壓為0～9 kV，表面張力的正相對變化隨荷電電壓的增加而增大。當磁場強度超過700 mT 時，表面張力均為負相對變化，此時的表面張力均大于初始狀態(tài)的液滴表面張力；同時，該磁場強度下表面張力相對變化的正負不再受到荷電電壓影響。磁場強度為300 mT 時，液滴表面張力具有最大的正相對變化率，即此時液滴表面張力的減幅最大。

2.2 荷電作用對液滴表面張力的影響

當磁場強度一定，在保證實驗條件不變的情況下，忽略其他影響因素，不同荷電電壓對液滴表面張力產(chǎn)生的影響不同，其變化及相對變化情況如圖3所示。

由圖3（a）可知，荷電電壓由0 kV開始增加，在0～300 mT 范圍內(nèi)保持磁場強度一定，液滴表面張力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；在磁場強度為500 mT時，磁場強度一定，表面張力出現(xiàn)了先增大后減小再增大的現(xiàn)象；在700 ～1 000 mT 范圍內(nèi)保持磁場強度一定，液滴表面張力隨荷電電壓的增加而逐漸增大。當荷電電壓超過15 kV 時，液滴表面張力呈現(xiàn)出驟然增加的現(xiàn)象，且此時磁化作用對表面張力的影響與荷電作用相比略顯微弱。當荷電電壓為9 kV、磁場強度為0～500 mT 時，具有各自磁場強度條件下的液滴表面張力最低值。

由圖3（b）可知，當荷電電壓為0 ～9 kV 時，表面張力的相對變化呈現(xiàn)出先正向增大后正向減小再負向增大的趨勢。當荷電電壓為0，3，6，9 kV 時，磁場強度在0～300 mT 范圍內(nèi)，表面張力的正相對變化隨磁場強度的增加而增大。當荷電電壓為12 kV 時，表面張力的相對變化隨磁場強度的增加呈現(xiàn)出先負向增大后正向增大再負向增大的變化趨勢。當荷電電壓超過15 kV 時，表面張力均為負相對變化，此時的表面張力均大于初始狀態(tài)的液滴表面張力；同時，該荷電電壓下表面張力相對變化的正負不再受到磁場強度的影響。荷電電壓為9 kV 時，液滴表面張力的正相對變化率最高，即此時具有液滴表面張力的最大降幅。

2.3 磁電耦合作用對液滴表面張力的影響

保持荷電液滴及電極環(huán)間距一定，忽略其他影響因素，只考慮荷電電壓及磁場強度（即磁電耦合作用下）對液滴表面張力產(chǎn)生的影響，其變化及相對變化特征如圖4所示。

由圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，對液滴進行磁化可以使液滴的表面張力發(fā)生改變，同樣，對液滴施加外部電場也能有效改變其表面張力。在3～15 kV 范圍內(nèi)保持荷電電壓一定，磁場強度由100 mT逐漸增加，液滴表面張力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。在100～300 mT范圍內(nèi)保持磁場強度一定，荷電電壓由3 kV 逐漸增加，液滴表面張力也呈現(xiàn)出先減小后增大的情況。但當荷電電壓超過18 kV或磁場強度超過700 mT后，磁、電作用對液滴表面張力的改變具有一定的反作用。由此可見，對磁化后的液滴施加一定的外部電場，液滴表面張力發(fā)生改變且小于未磁化未荷電時液滴表面張力的現(xiàn)象，即為磁電耦合現(xiàn)象。

由圖4（b）可知，磁電耦合作用下正相對變化存在的參數(shù)條件為：荷電電壓為3，6，9 kV 時，磁場強度為100 mT 或300 mT；荷電電壓為9 kV 時，磁場強度為500 mT；荷電電壓為12 kV時，磁場強度為300 mT。其余磁電耦合作用參數(shù)條件下的表面張力相對變化均為負方向。當荷電電壓為9 kV、磁場強度為300 mT時，正方向的相對變化最大，即此時為磁電耦合作用下的表面張力最小值。

由上述實驗結(jié)果可知，磁化、荷電及磁電耦合作用可以改變液滴的表面張力。對表面張力的相對變化進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，若需使液滴表面張力減小，可以在一定范圍內(nèi)施加作用力，但該作用力超過合理范圍后，則會起反作用。

3 基于MS軟件的水分子動力學(xué)模擬

3.1 水分子模型的構(gòu)建

基于MS 軟件進行水分子片段模型構(gòu)建，并將其在Forcite 模塊中進行優(yōu)化，優(yōu)化前后構(gòu)型如圖5 所示。將優(yōu)化后的模型構(gòu)建成水分子循環(huán)模型，即完成水分子模型構(gòu)建。

3.2 水的分子動力學(xué)模擬

文獻［15-17］表明，當氫鍵的數(shù)量及強度發(fā)生變化，水也會產(chǎn)生整體能量的改變，其以亥姆霍茲自由能的改變?yōu)橹?，這也使得水的理化性質(zhì)發(fā)生一系列的改變，例如，接觸角或表面張力等發(fā)生變化。因此，可通過水分子能量結(jié)構(gòu)中各能量值的大小反映出表面張力的變化情況。

宏觀意義的電場與磁場表現(xiàn)為大小和方向均不再受外界影響的穩(wěn)恒場，而微觀角度，分子內(nèi)或分子間一般以動態(tài)的平衡來維持整體的穩(wěn)定，以實現(xiàn)宏觀的穩(wěn)態(tài)。作為自然界最小帶電粒子的電子，通過自旋可以產(chǎn)生磁場。電與磁之間存在的某種形式上的相互轉(zhuǎn)化，是電磁感應(yīng)現(xiàn)象存在的實質(zhì)。水作為極性分子，在磁場或電場作用中，受電場作用是其主要影響因素。因此，本研究運用Materials Studio 軟件中的DMol3 模塊，基于密度泛函理論、電場理論及磁場理論，對水分子進行模擬研究。模擬參數(shù)設(shè)定如表2所示。

3.3 模擬結(jié)果分析

模擬得到了水分子的能量構(gòu)成，具體參數(shù)如表3所示。

表3所示的能量值的大小表示做功多少，其正負則表示所做的是正功或負功。因此，可取能量值的絕對值對模擬結(jié)果進行比較并得出結(jié)論。

靜電能的能量值反映了荷電對水分子的作用情況，自旋極化能則反映了磁場對水分子的作用情況，而靜電能與自旋極化能在原子能總和中的占比反映了水的磁電耦合作用。對比模擬后水分子能量成分中靜電能和自旋極化能的能量值可知，靜電能所做的功大于自旋極化能所做的功，即與磁化作用相比，荷電作用在原子能總和中的占比更大，但兩者均小于磁電耦合作用。同時，模擬結(jié)果與液滴表面張力實驗結(jié)果相對應(yīng)，即磁電耦合作用下的液滴表面張力的相對變化大于荷電作用大于磁化作用。

4 結(jié) 論

（1）以液滴表面張力測量結(jié)果為基準，磁化、荷電及磁電耦合作用對液滴浸潤性改善能力排序為磁電耦合作用＞荷電作用＞磁化作用。當荷電電壓為9 kV、磁場強度為300 mT 時，具有液滴表面張力最小值，即該參數(shù)為實驗獲得的最佳磁電耦合參數(shù)。

（2）基于Materials Studio 模擬軟件從微觀角度對水分子進行動力學(xué)模擬，由能量成分可知：與磁化作用相比，荷電作用在改變水的理化性質(zhì)中占主導(dǎo)作用。這一結(jié)論也驗證了液滴表面張力實驗的結(jié)果。

（3）磁化、荷電及磁電耦合3 種控塵方式均能改變液滴表面張力、增強液滴對粉塵的浸潤能力，但粉塵治理方式的選擇不能僅考慮除塵效率，還應(yīng)顧及其安全性。磁化除塵適合于所有各類粉塵作業(yè)場所，而對有瓦斯涌出的井下，荷電及磁電耦合控塵方式適用性不強。