含表面活性劑溶液的霧化特性及對(duì)細(xì)顆粒物的強(qiáng)化去除效果

顧海林，陳斌康，郭佳琪，馮潔，簡(jiǎn)青山，王進(jìn)卿，張光學(xué)

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

近年來，我國(guó)工業(yè)迅速發(fā)展，同時(shí)由于化石燃料的燃燒帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。燃燒會(huì)產(chǎn)生細(xì)顆粒物，這些細(xì)顆粒物懸浮在空中，難以沉降，尤其是直徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物，已經(jīng)引起了一系列環(huán)境和健康問題[1]。由于細(xì)顆粒物的比表面積大，在其表面極易聚集重金屬、有機(jī)污染物等有毒物質(zhì)，并且易于進(jìn)入人體呼吸道中，從而誘發(fā)許多呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)的疾病。因此對(duì)細(xì)顆粒物的消除顯得尤為重要[2]。

現(xiàn)有的細(xì)顆粒物去除技術(shù)主要有靜電除塵[3]、機(jī)械式除塵[4]、袋式除塵[5]和噴霧濕式除塵[6]等。水霧除塵是一種傳統(tǒng)的濕式除塵方法，由于其高效經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦山粉塵治理、鍋爐污染物去除等工業(yè)應(yīng)用中。其原理是利用水霧吸附細(xì)顆粒物，相互黏結(jié)、團(tuán)聚成較大顆粒物，最后在重力的作用下沉降，從而達(dá)到去除目的[7]。然而，由于水霧液滴和細(xì)顆粒物間的碰撞概率較小，因此其去除效率也有限。

部分學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑能夠顯著降低噴霧溶液的表面張力，從而提高溶液的霧化性能[8-10]。鄧全龍等[11]為進(jìn)一步探索新型高效的復(fù)合式濕式除塵方法，構(gòu)建了噴霧協(xié)同金屬網(wǎng)柵除塵實(shí)驗(yàn)裝置，通過表面活性劑霧滴與金屬網(wǎng)柵的結(jié)合，對(duì)除塵具有良好的增效作用。周磊等[12]對(duì)比了8種表面活性劑的表面張力對(duì)褐煤粉塵的潤(rùn)濕性能的影響，并研究了表面活性劑溶液的霧化性能，發(fā)現(xiàn)添加表面活性劑可以提高對(duì)褐煤細(xì)顆粒物的抑塵效率。朱洪堂等[13]通過將表面活性劑、無機(jī)鹽和高分子絮黏劑結(jié)合，構(gòu)成多元團(tuán)聚劑體系，研究其對(duì)細(xì)顆粒物團(tuán)聚促進(jìn)作用的影響。Geng等[14]將表面活性劑溶液與荷電噴霧技術(shù)結(jié)合，使顆粒物的去除效率提高了53.4%。Wang等[15]探究了噴霧液中加入不同濃度的表面活性劑溶液時(shí)，其物理特性和降塵效果。結(jié)果表明，隨著表面活性劑溶液質(zhì)量濃度的增加，表面張力逐漸降低，當(dāng)表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，溶液的表面張力下降趨勢(shì)不再顯著。Nie 等[16]探究了四種表面活性劑溶液對(duì)影響除塵效率的最佳濃度。Zhang 等[17]提出了一種具有良好潤(rùn)濕性和凝聚性的抑塵劑，可以顯著降低細(xì)顆粒物濃度。上述研究主要側(cè)重利用表面活性劑強(qiáng)化除塵效率，然而較少關(guān)注表面活性劑對(duì)噴霧特性（如噴霧粒徑）的影響，并且缺少提高除塵效率的機(jī)理分析。

為此，本研究主要側(cè)重含表面活性劑溶液的噴霧特性，表面活性劑種類、濃度對(duì)噴霧粒徑分布的影響。同時(shí)，探究不同情況下，含表面活性劑溶液噴霧對(duì)細(xì)顆粒物的去除效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究采用如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括：噴霧系統(tǒng)、煙霧發(fā)生系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。其中噴霧系統(tǒng)由電動(dòng)高壓隔膜泵、軟管、流量計(jì)、壓力計(jì)、噴嘴組成。電動(dòng)泵額定功率100W，可產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)為1.1MPa；噴嘴的噴射角度為60°，孔徑0.8mm，可以形成穩(wěn)定的實(shí)心圓錐形噴霧。煙霧發(fā)生系統(tǒng)由團(tuán)聚室和煙餅組成，團(tuán)聚室尺寸為500mm×500mm×800mm，由亞克力板制成。測(cè)量系統(tǒng)分為透光率測(cè)量裝置和噴霧粒徑測(cè)量裝置，透光率測(cè)量裝置為激光功率計(jì)（UT385），通過接收激光的光強(qiáng)變化來計(jì)算激光功率，進(jìn)而表示透光率。粒徑測(cè)量裝置采用相位多普勒速度粒徑分析儀（phase Doppler particle analyzer，簡(jiǎn)稱PDPA）[18]，測(cè)量范圍在0.5～13000μm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為探究不同濃度對(duì)霧化特性的影響規(guī)律，配制多種濃度的表面活性劑溶液（0.005%、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。每次實(shí)驗(yàn)，保持水流量（180mL/min）和壓強(qiáng)（0.35MPa）基本一致，在噴嘴下方25cm 處平面中心作為PDPA的采集點(diǎn)，待噴霧穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量，每組工況測(cè)量3次，取平均值。噴霧粒徑測(cè)量過程中的不確定度分析包括重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度、PDPA 示值誤差引入的不確定度、遮光率引入的不確定度和水折射率引入的不確定度。其中，重復(fù)性測(cè)量不確定度采用A類方法進(jìn)行評(píng)定，其余三種均采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。

顆粒物去除實(shí)驗(yàn)以煙餅燃燒生成的煙霧為去除對(duì)象，實(shí)驗(yàn)開始前點(diǎn)燃煙餅，當(dāng)煙霧均勻充滿團(tuán)聚室后，打開激光功率計(jì)，記錄激光功率計(jì)數(shù)值，使每次實(shí)驗(yàn)的初始透光率保持一致（確保初始煙霧濃度保持一致）。待煙霧穩(wěn)定后，打開水泵，記錄顆粒物在噴霧作用過程中激光功率計(jì)的變化情況。當(dāng)激光功率計(jì)數(shù)值穩(wěn)定在某一值，且團(tuán)聚室內(nèi)清晰無煙后，認(rèn)為顆粒物去除完畢，關(guān)閉水泵。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

表面活性劑通常分為離子型和非離子型，而離子型又分為陰離子、陽離子和兩性離子。表面活性劑溶于水時(shí)，凡是能夠通過電離生成帶負(fù)電的親水基團(tuán)時(shí)，則為陰離子型表面活性劑；反之，為陽離子型。兩性離子表面活性劑指同時(shí)含有正離子和負(fù)離子的溶液，凡是不能通過電離生成離子的就稱為非離子型表面活性劑[19]。

本研究根據(jù)表面活性劑的分類選擇了三種不同性質(zhì)的表面活性劑，包括陰離子型表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）以及非離子型表面活性劑吐溫80（TW80），具體參數(shù)如表1所示。

表1 表面活性劑種類

1.2.1 表面張力測(cè)量

實(shí)驗(yàn)使用表面張力儀（BZY-2，精度1%），在25℃下，采用鉑金板法對(duì)不同濃度的表面活性劑溶液進(jìn)行測(cè)定，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍0.005%～0.15%。每種溶液測(cè)量3次，取平均值。測(cè)量結(jié)果如表2所示，陽離子表面活性劑CTAB溶液的表面張力隨著濃度增大先減小后增大；陰離子表面活性劑SDBS和非離子表面活性劑TW80溶液的表面張力隨著濃度的增大而降低，后趨于平緩。在濃度達(dá)到臨界膠束濃度（CMC）[20]前表面活性劑對(duì)溶液表面張力的影響強(qiáng)，導(dǎo)致表面張力的快速下降，達(dá)到臨界膠束濃度后，表面張力變化幅度減弱，繼續(xù)增大濃度還會(huì)在溶液中出現(xiàn)反粒子濃度積累、膠束形成等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致表面張力增大[21]。

表2 不同表面活性劑溶液表面張力

1.2.2 黏度測(cè)量

在25℃下，采用數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（NDJ-5S，精度2%），對(duì)不同濃度下的表面活性劑溶液進(jìn)行了黏度測(cè)量，得到結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，去離子水在常溫下的黏度為0.91mPa·s，加入表面活性劑后，溶液的黏度雖然有提高，但隨著濃度的增大，黏度的增量并不明顯，這說明表面活性劑濃度對(duì)黏度的影響較小。

表3 不同表面活性劑溶液黏度

對(duì)上述測(cè)量進(jìn)行誤差分析，其主要來源包括：①實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的是自來水而非純水，含有少量雜質(zhì)；②表面張力測(cè)量操作過程中彈簧上下晃動(dòng)使得液膜過早破裂而引起的誤差；③黏度計(jì)測(cè)量過程中，每次裝取的待測(cè)液量不一致而引起的誤差。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑種類對(duì)霧化特性的影響

在噴霧介質(zhì)中添加表面活性劑可以降低溶液的表面張力，從而影響其霧化性能，為研究不同種類表面活性劑對(duì)霧化特性的影響規(guī)律，針對(duì)上述3種表面活性劑在同一濃度下的霧化液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量分析。由表2可知，實(shí)驗(yàn)所用表面活性劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)，溶液的表面張力趨向穩(wěn)定，故選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)3種不同表面活性劑溶液的霧化特性進(jìn)行研究，結(jié)果如圖2所示。

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%下不同表面活性劑溶液噴霧粒徑分布

由圖2(a)可知，去離子水經(jīng)過霧化后粒徑在0～200μm范圍內(nèi)數(shù)量占比峰值為2.57%，當(dāng)加入表面活性劑后，噴霧粒徑峰值向左移動(dòng)，0～200μm 范圍內(nèi)的液滴數(shù)量占比也有所提高，其中CTAB 的峰值為50μm（2.8%），SDBS 的峰值為47.5μm（3.35%），TW80的峰值為42μm（5.38%）。由此可知，加入表面活性劑后，霧化液滴的峰值向左移動(dòng)，平均粒徑減小，液滴數(shù)量增多。此外，由圖2(b)還可發(fā)現(xiàn)，加入表面活性劑后，在0～400μm 范圍內(nèi)的液滴累積百分?jǐn)?shù)有不同程度的提高，說明表面活性劑不僅使霧化粒徑減小，還使霧化液滴粒徑的分布更加集中。對(duì)比3種不同表面活性劑，非離子型表面活性劑（TW80）的效果最明顯，對(duì)霧化特性的影響最大。

圖3則顯示了不同表面活性劑溶液和去離子水的噴霧粒徑大小和速度的散點(diǎn)圖，可看出加入表面活性劑后，液滴在0～200μm 范圍內(nèi)更加集中，明顯多于去離子水，而粒徑200～400μm 范圍內(nèi)的液滴則比去離子水少，這說明表面活性劑加入后確實(shí)提高了溶液的霧化特性。這與圖2結(jié)果一致。

2.2 表面活性劑濃度對(duì)霧化特性的影響

為研究不同表面活性劑的濃度對(duì)溶液霧化特性的影響，本研究對(duì)3種表面活性劑在5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.005%，0.01%，0.05%，0.10%，0.15%）下的液滴粒徑分布進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 不同表面活性劑不同濃度下的噴霧粒徑分布

由圖4可知表面活性劑的濃度不同，其噴霧液滴粒徑分布也不同。隨著表面活性劑濃度的增加，陰離子型表面活性劑（SDBS）溶液經(jīng)霧化后小粒徑的占比不斷減?。魂栯x子型表面活性劑（CTAB）溶液和非離子（TW80）溶液的小粒徑占比則是隨著濃度先升高后降低，這兩種溶液的占比都在0.01%時(shí)達(dá)到峰值。這說明CTAB 和TW80 溶液存在最佳的霧化濃度。

圖4(d)為3 種不同表面活性劑在不同濃度下的噴霧中值粒徑變化情況。在低濃度時(shí)，表面活性劑大幅降低了溶液的表面張力，使得噴霧液滴更容易破碎分裂，形成了更細(xì)小的液滴，中值粒徑也較小，此時(shí)溶液的表面張力是影響霧化特性的主要因素。當(dāng)濃度達(dá)到臨界膠束濃度后，溶液的表面張力降低速度變得極其緩慢，隨著濃度的繼續(xù)增大，溶液中會(huì)有膠狀物質(zhì)析出，這些膠狀物質(zhì)可能會(huì)附著在噴嘴口從而影響最終的霧化效果[22]。

2.3 表面活性劑溶液噴霧對(duì)顆粒物的去除特性

為研究表面活性劑溶液是否可以加快細(xì)顆粒物的去除速率，本文對(duì)3種表面活性劑溶液在兩種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.005%、0.10%）下的消除效果進(jìn)行了研究，得到一定時(shí)間內(nèi)煙霧顆粒透光率的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，煙霧在自然沉降時(shí)的透光率幾乎不變，此時(shí)細(xì)顆粒物難以通過自身重力下沉到底部，而是懸浮在空中。當(dāng)加入水霧后，透光率增加明顯。由圖5(a)可知，在低濃度下，用含陰離子型表面活性劑（SDBS）溶液的噴霧對(duì)煙霧顆粒的去除速率最快，在6min內(nèi)透光率達(dá)到了66%；非離子型表面活性劑（TW80）和陽離子型表面活性劑（CTAB）效果相差不大，但相比較于水，去除速率仍有提升。這是由于表面活性劑的加入提高了霧化效果，使得霧化液滴數(shù)量更多，這可以促進(jìn)液滴與細(xì)顆粒物的碰撞概率。同時(shí)，由于十二烷基苯磺酸鈉水溶液是一種極性液體，在溶液的表面會(huì)形成一個(gè)偶電層（DEL)，它由外部負(fù)層和內(nèi)部正層兩部分組成，當(dāng)溶液經(jīng)過噴嘴霧化后，偶電層會(huì)被剪切，在低濃度下產(chǎn)生帶負(fù)電的液滴[23]。其本身又是陰離子型表面活性劑，在溶液中會(huì)電離出帶負(fù)電的離子團(tuán)，這樣大量的負(fù)電荷存在于液滴中，通過靜電力作用可以更好地吸附煙霧顆粒，達(dá)到去除細(xì)顆粒物的效果。十六烷基三甲基溴化銨水溶液會(huì)電離出帶正電的離子團(tuán)，這會(huì)與負(fù)電荷中和，而吐溫80 是非離子，在水中不會(huì)電離，因此在低濃度下的去除效果都不如十二烷基苯磺酸鈉。

而由圖5(b)可知，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.10%后，吐溫80 溶液的消煙速率最高，在6min 時(shí)透光率達(dá)到了64%。但與0.005%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)相比，0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)三種表面活性劑溶液總體的去除速率有所下降，下降最明顯的是十二烷基苯磺酸鈉，最終的透光率由原來的66%降到了54%。這是由于濃度增大，表面活性劑水溶液霧化后的液滴粒徑變大，液滴數(shù)量減少，并且偶電層剪切后形成的大液滴通常帶正電，相比于負(fù)電其吸附能力較弱，且由于高濃度下膠狀物的析出，因此煙霧顆粒的去除效果減弱。

3 結(jié)論

本文開展了含表面活性劑溶液的噴霧特性研究，分別對(duì)比了陰離子、陽離子和非離子3種不同表面活性劑及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)霧化特性的影響規(guī)律。同時(shí)，對(duì)不同濃度下表面活性劑溶液噴霧消除細(xì)顆粒物的特性做了進(jìn)一步研究，得到如下結(jié)論。

（1）加入表面活性劑會(huì)降低溶液的表面張力，從而使溶液霧化形成更小更集中的液滴，在3種表面活性劑中，0.01%的非離子型表面活性劑（TW80）對(duì)于溶液的霧化性能提升最大。

（2）表面活性劑濃度會(huì)影響霧化效果，在濃度達(dá)到臨界膠束濃度（CMC）前，表面活性劑溶液的表面張力降低明顯，此時(shí)噴霧粒徑持續(xù)減小；達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，霧化液滴粒徑達(dá)到最小值，此時(shí)液滴數(shù)最多；繼續(xù)增加濃度，溶液中會(huì)析出膠狀物質(zhì)，削弱了霧化性能。

（3）相對(duì)純水噴霧，含表面活性劑溶液噴霧對(duì)細(xì)顆粒物的去除效率更高，而對(duì)比3 種表面活性劑，則陰離子型表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉水溶液在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.005%）下對(duì)于細(xì)顆粒物的去除效果最明顯。這是由于一方面此時(shí)霧化效果好，增加了液滴與細(xì)顆粒物的碰撞吸附概率；另一方面，陰離子活性劑會(huì)產(chǎn)生帶有負(fù)電荷的液滴，提高了對(duì)細(xì)顆粒的吸附性。