磁电耦合微雾除尘技术

马纪闯

（辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新123000）

在未来较长的一段时间内，粉尘污染依然会是环境污染的关键问题。在目前来看，工业生产的发展速度相当惊人，随着工业的高速发展导致了粉尘污染的问题日益严重。如果不加以治理，空气环境将受到严重的污染，危害人类的健康、生物的存活，同时高浓度的粉尘会加速机器设备的磨损，导致生产机器故障，存在重大安全隐患[1]。

根据国家卫计委通报，2018 年全国共报告各类职业病新病例23497 例，职业性尘肺病19468 例，由此可见由此可见尘肺病为当今职业病的主要病种，导致尘肺病的主要原因是工业粉尘，解决粉尘问题刻不容缓。现阶段我国针对粉尘污染的主要治理手段中最有效、最易于实施的治理方法是是喷雾降尘，但介于粉尘自身的疏水特性及普通水喷雾所形成的雾滴粒径较大，使得传统水喷雾降尘效率较低，大面积喷雾同时亦会导致工作环境恶化。这种方式虽然比较经济、简便，但除尘效率不高，除尘效果并不理想。

1 磁电耦合降尘技术提出

据了解，目前最普及的除尘方式为湿式水雾降尘，普遍采用的喷雾降尘是建立在重力沉降机理上的一种简单降尘方法[2]。这种降尘方法有很大的弊端，主要原因有两点：

（1）不同粉尘理化性质差异大，普通的湿式水雾捕尘效率低，特别是对于微细颗粒物粉尘。

（2）常用的喷雾除尘技术的基础理论缺乏详尽研究，还不能经定量描述喷雾除尘的作用机理，应用技术存在一定的盲目性；导致喷雾系统参数设置大多依靠验、主观判断，影响了喷雾降尘的效果。

如何有效提高水雾的除尘效率？如何增强对呼吸性粉尘的捕尘效率？如何改善对憎水性粉尘的除尘效率？如何解决粉尘理化特性差异所引起的除尘效率不稳定问题？这些问题随着人们对微细颗粒物的广泛关注，作业环境卫生要求不断提高，城市雾霾问题己成为社会关注焦点的背景下，成为当前水雾除尘领域亟待解决的现实难题。近年来随着微纳米科学研究领域的不断深入与拓展，这些技术发展为推动水雾除尘机理深入研究提供了技术保障与发展契机，为开展水雾除尘机理研究创造了客观条件。

因此，本文提出在磁-电耦合的作用下雾滴捕尘的机理及其效能的优化，进而提出一种新型的除尘技术，该新型的除尘技术提高了水雾对粉尘的捕捉率，从粉尘的特性入手，改变粉尘的特性，优化水雾除尘效率，改善作业环境，减轻粉尘污染危害。

2 磁电耦合降尘技术分析

在传统除尘原理的湿式除尘和静电除尘的基础上，基于带电磁化水雾与带电粉尘耦合的情况下，可使粉尘和水雾在磁电吸附力的作用下充分交融并沉降，不仅对大粒径的粉尘有着良好的吸附效果，对粒径较小的粉尘也有着明显的捕获效果，并且磁化水的蒸发速度更慢，在空气中滞留时间更长，进而能够取得更好的除尘净化效果。

以下将从粉尘在磁-电耦合下水雾捕尘机理为研究对象，从多方面研究如何提高水雾的捕尘率。

2.1 尘粒-雾滴碰撞凝并过程

固-液颗粒之间的耦合作用力种类复杂、性质各异，固-液颗粒耦合过程有别于固-固颗粒粘附过程，具有固、液作用的双重特性，细雾颗粒的形状、湿润性能、表面张力可随着耦合过程的变化而变化，加上微细颗粒物与细雾颗粒实际耦合过程中是由多种不同性质的作用力共同存在，相互作用。

研究粉尘与水雾颗粒之间耦合发生过程影响因素，包括粉尘颗粒物与水雾颗粒相对运动角度，水雾的表面张力以及静态、动态尘雾耦合过程的作用力变化规律。重点研究在粉尘在水雾表面张力变化过程中尘雾耦合的作用规律，确定最佳的捕尘参数。

2.2 磁-电耦合下的水雾物化性能

磁化水降尘法是指通过外加磁场削弱分子间的内聚力，增强水的雾化效果、加大捕捉煤尘的机率，而且磁化后的水，表面张力下降，对粉尘的浸润和吸附能力增强。

宋稳亚等针对磁化水的溶解能力、雾化效果及除尘效率，通过搭建磁化水与雾化实验平台进行研究，实验结果显示被磁化的水溶解速率更快、雾化水粒径更小、除尘效果更好[3]。水磁化后粘度降低，水的内摩擦力降低，液滴与粉尘碰撞时易于滑动、脱离，这一定程度上降低了磁化水捕尘能力随磁化效果加强而增长的梯度[4]。

水的磁化效果与磁感应强度呈现无规律变化关系，且变化幅度较大，在水中加入表面活性剂后，随着磁感应强度的改变，不但表面张力显著减小，物理性质的变化幅度也会变小。通过荷电电压、气相射流压力、液相射流压力、电极间距、电极环直径、喷嘴孔径、液滴荷电量、液滴粒径和液体流量等量变参数，改变喷雾过程中液滴荷质比。研究高效磁化后水的表面张力、黏度和密度随感应强度和磁化时间的变化规律，改进水雾的捕尘效率。

2.3 水雾在磁-电作用下的粉尘捕捉机理

传统喷雾水雾脱尘通过惯性碰撞、拦截捕集和扩散捕集共同作用实施捕尘，其中惯性碰撞和拦截捕集起主要作用。然而，微细颗粒物惯性小，与水雾碰撞后运动轨迹发生改变，绕开雾滴。

另外，雾滴粒径较大，与微细颗粒物接触面积小，拦截捕集效率低。而荷电水雾脱尘增加了静电捕集作用，在静电感应力存在时，雾滴表面张力降低，使雾滴进一步破碎，粒径减小、数目增多，显著增加了雾滴与颗粒物的接触面积；同时加大了微细颗粒物之间的凝聚力，凝聚成大颗粒物，在重力作用下沉降，达到脱除目的；最重要的是，荷电水雾在镜像力的作用下，使粉尘带上与液滴相反电荷，促进了微细颗粒物的团聚沉降。

在磁场和静电作用下细雾颗粒的物化性质改变，提高对憎水性微细颗粒物的湿润耦合能力、提高细雾颗粒的抗蒸发能力，延长细雾颗粒的有效捕尘时间。同时在磁场和静电双重作用下尘雾颗粒之间的湿润性、表面张力、粘附能力以及耦合作用力得到改善，从提高对疏水性粉尘的湿润耦合能力、延长粉尘的有效捕尘时间和强化细雾捕尘耦合联结强度三个方面，对尘雾耦合作用过程进行强化、弱化控制。

3 磁电耦合降尘技术发展趋势

现代工业机械化的发展导致工业生产中粉尘污染更为严重，普通的单一的除尘技术不能有效防治粉尘污染，特别是水雾除尘技术。但从目前应用情况来看，湿式水雾除尘方法的总尘除尘效率一般为50%～60%，呼吸性粉尘效率一般只有20%～30%，存在除尘效率不高的问题。所以开发新型的除尘方法是必然的，2013 年，陈宜华研究了电极环直径、电极间距、荷电电压对荷质比的影响，不同荷质比值对微细粉尘的除尘效率，总结荷电水雾除尘优点[5]。

磁-电耦合除尘技术在此基础上进一步改良完善可以更好更有效的解决粉尘污染问题。若磁-电耦合喷雾降尘技术成功实施，以某企业为例，预计尘肺病的发病率以每年10%～15%的比例逐年下降，所以高效的降尘技术必将是以后企业主流的降尘技术。

综上所述，落实粉尘治理工作是工业发展的重中之重，是提高企业管理水平，从防治事故向创建健康工作环境、关注生命向关爱健康的转变。同时粉尘浓度的降低，提高了设备的开机率，减少了人身事故和机械事故，增加作业时间，也为企业提高了安全效益高效的降尘技术，降低企业的成本，改善工人的工作环境减少资源的浪费，磁-电耦合降尘技术为粉尘高污染企业提供有效的治理技术。

虽然该技术还在发展阶段，但是除尘效率相比较传统方式有着较大优势。此技术为设计出新型高效的除尘装置提供了有力的技术指导，新型的除尘技术的应用还在一定层次上影响着除尘方式未来的发展方向。