磁化復配表面活性劑與壓風細霧噴嘴耦合協同霧化降塵的性能研究

劉金璐，谷明月

(唐山科技職業技術學院，河北 唐山 063000)

煤礦開采過程中會產生大量粉塵，易誘發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、安裝簡單及安全性高等優點而被廣泛應用，當液滴與粉塵接觸后使得粉塵顆粒質量增加發生沉降，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合達到高效降塵的目的。為此，大量學者進行了噴霧降塵提效研究。裴葉[3]、鄒利宏[4]、張麗穎[5]等進行了活性劑復配增效的實驗研究，發現將2種類型的表面活性劑進行復配后溶液的濕潤性明顯降低，并能得到一個最優復配比例；蔣仲安、聶百勝、王永珍、秦波濤和劉志超等對磁化水進行了深入研究，發現在一定磁感應強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噴霧除塵效果的影響[10-12]。通過分析前人研究成果，發現針對磁化復配表面活性劑與壓風細霧耦合協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驗測試，擬得到最優耦合協同霧化的降塵方法，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，在活性劑溶液的質量分數達到特定值以上時會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，進而提高降塵率[3, 5]。磁化水是水流經強磁場，在強磁場作用下改變水的理化性質，從而提高水的濕潤性能。將磁化水和活性劑2種物質相結合，當溶液穿過強磁場時，在強磁場作用下溶液中部分氫鍵發生斷裂或者鍵角變小，降低溶液中分子之間的黏聚力，其濕潤性能進一步提高[6, 9]。壓風細霧霧化是利用微細霧化噴嘴在高壓水和壓風共同作用下產生粒徑小、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受噴嘴作用破碎而成，破碎過程中液滴主要受空氣動力和液滴表面張力綜合作用，空氣動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細霧噴嘴耦合協同霧化是在磁化水、活性劑和壓風細霧噴嘴協同作用下，有效減小了溶液的表面張力，降低了水的濕潤性，進一步提高了壓風細霧霧化能力，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 耦合協同霧化實驗

2.1 實驗材料與裝置

現有市場上出售的表面活性劑種類繁多，由于煤塵多數帶有負電荷，因此，本實驗中僅選用陰離子和非離子活性劑，如表1所示。實驗用水來自唐山市劉莊煤礦礦井水。實驗中用到的器件主要包括：普通噴嘴和壓風細霧噴嘴；選用TYU-2000H磁化儀和TYU-2002 型高斯計對水進行磁化；選用ZL2100界面張力儀測量液體的表面張力；選用Winner318工業噴霧激光粒度分析儀測量霧滴粒徑。

表1 單體表面活性劑

2.2 實驗方法

首先，在4種活性劑的質量分數為0～0.20%時測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活性劑進行復配優化；然后，通過對比在不同質量比和不同質量分數下溶液的表面張力得到最優復配方法；在最優復配活性劑溶液條件下，測試磁感應強度對復配溶液表面張力的影響，得到最優磁感應強度；最后，對比普通噴嘴和壓風細霧噴嘴在水、磁化水、復配活性劑溶液和磁化復配活性劑溶液環境條件下的霧化效果。

3 實驗結果與討論

3.1 單體表面活性劑研究

質量分數在0～0.20%內的4種活性劑溶液的表面張力變化曲線如圖1所示。可以看出，未添加表面活性劑時，水的表面張力為72.3 mN/m，隨著活性劑溶液質量分數的增加，4種活性劑溶液的表面張力都先大幅度降低，在質量分數達到0.06%后趨于相對平穩狀態，穩定后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 質量分數在0～0.20%內4種活性劑溶液表面張力的變化曲線

通過對比圖1中SDS、SDBS、FMEE和NPE溶液的表面張力可知，當活性劑溶液的表面張力趨于穩定后，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。相關研究表明，通過復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，在上述實驗基礎上從陰離子和非離子活性劑中各選出1種試劑來進行復配實驗，因活性劑SDS和FMEE溶液的表面張力較小，故被選為此次復配實驗的基料。

3.2 表面活性劑復配研究

由上述實驗結果可知，單體SDS和FMEE溶液的表面張力在其質量分數達到0.06%時趨于最小值并保持相對穩定狀態，因此，在活性劑溶液的質量分數為0.06%時進行復配實驗，從而確認最優質量比。質量分數為0.06%的SDS和FMEE復配溶液在不同質量比條件下的表面張力變化曲線如圖2所示。

圖2 復配溶液表面張力隨質量比的變化曲線

由圖2可知，復配溶液表面張力隨著SDS和FMEE質量比的變化會發生改變，但復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的質量比為6∶4時復配溶液的表面張力達到最小值29.1 mN/m，相比于單體SDS和FMEE溶液，復配溶液的表面張力分別降低了26.9%和14.2%。裴葉、秦波濤等也通過測試證實了復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其親水基之間出現了協同增效作用[3,9]。

復配活性劑在SDS和FMEE的質量比為6∶4時降低了溶液的表面張力，此時溶液的質量分數為0.06%。由于溶液質量分數越高，所需經濟成本越高，為了降低成本，在已知復配活性劑最佳質量比的前提下，假設所用復配活性劑在溶液質量分數低于0.06%時就已經趨于穩定，基于此進行相應實驗驗證，得出質量分數在0～0.10%下復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溶液的表面張力進行對比，復配活性劑溶液的表面張力隨著溶液質量分數的增加急劇下降，并在質量分數為0.03%時趨于穩定。因此，通過SDS和FMEE復配優選，復配活性劑在陰離子和非離子活性劑的影響下，達到最低表面張力時所用溶液質量分數較采用單體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 表面張力隨溶液質量分數(0～0.10%)的變化曲線

3.3 磁化增效研究

近幾年，相關研究人員提出的磁化水降塵技術，主要是通過物理方法改變水的表面張力，具有投資少、操作簡便等優點[2,6,8,9,14]，但磁化水在使用過程中降塵效率有待進一步提高，因此筆者考慮將活性劑磁化后用來提升溶液的濕潤性能。王永珍等的研究指出磁化時間5～180 s內對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間大于60 s時溶液表面張力穩定[6]，因此實驗中設定磁化時間為60 s，對復配活性劑(其質量分數為0.03%，SDS與FMEE質量比為6∶4)進行磁化研究，其表面張力隨磁感應強度的變化情況見圖4。

圖4 磁感應強度對表面張力的影響

由圖4可知，當磁感應強度為0～400 mT時，復配活性劑溶液的表面張力隨磁感應強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，這主要是因為復配表面活性劑溶液在經過強磁場時，強磁場的磁化作用會加劇溶液中的分子運動，從而降低復配活性劑溶液的黏聚力，提高復配活性劑溶液的濕潤性[15-16]；當磁感應強度為400～800 mT時，復配活性劑溶液的表面張力隨磁感應強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，這是因為磁感應強度過大時，一部分活性劑的親水基從水分子表面逃逸，致使復配活性劑分子與水分子之間的排列發生變化，導致增效作用減弱，進而降低復配活性劑溶液的表面張力[9]。經上述分析可知磁感應強度在400 mT時復配活性劑溶液的表面張力最小，溶液濕潤性最好，較未磁化時其表面張力降低了13.9%。

3.4 耦合協同霧化研究

霧化降塵時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]。壓風細霧噴嘴結合了壓力水和壓風，壓力水流經噴頭被撞擊分散成小霧滴，在壓風的協同作用下能進一步分散成更小粒徑霧滴。為有效控制呼吸性粉塵濃度，實現霧滴最小化，開展磁化復配活性劑與壓風細霧噴嘴耦合實驗，研究壓風細霧噴嘴在水、磁化水、復配活性劑和磁化復配活性劑環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行對比。實驗選用的2種噴嘴的實物圖如圖5所示。

圖5 噴嘴實物圖

因為呼吸性粉塵最佳捕獲粒徑小于65 μm，實驗中將小于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準[17]。實驗中采用煤礦井下一般壓力水和壓風，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、復配活性劑和磁化復配活性劑的環境條件下，壓風細霧噴嘴的霧化效果都優于普通噴嘴，這說明壓風細霧噴嘴在壓力水和壓風的協同作用下霧化效果得到提升。此外，壓風細霧噴嘴在磁化復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74.8%，霧化效率較水提高了49.3%。綜上研究，磁化復配活性劑與壓風細霧耦合協同霧化效果最優，充分利用了陰離子和非離子復配活性劑、磁化水及壓風細霧噴嘴的優勢，能有效提升霧化效果。

4 結論

1)通過對多種陰離子和非離子活性劑溶液的表面張力進行測試，選取性能較優的SDS和FMEE進行了復配研究，在SDS和FMEE復配質量比為6∶4時復配溶液的表面張力達到最小值29.1 mN/m，所需最優溶液質量分數也由0.06%降到0.03%。

2)復配活性劑溶液的表面張力隨著磁感應強度的增加先降低后增加，最優磁感應強度約為400 mT，此時溶液的表面張力為25.5 mN/m，較未磁化時的溶液的表面張力降低了13.9%。

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