磁化复配表面活性剂与压风细雾喷嘴耦合协同雾化降尘的性能研究

刘金璐，谷明月

(唐山科技职业技术学院，河北 唐山 063000)

煤矿开采过程中会产生大量粉尘，易诱发尘肺病和心血管疾病等，不利于煤矿井下工人的身心健康[1]，因此粉尘防治十分重要。近些年，多种除尘方式被广泛研究，喷雾除尘因其成本较低、安装简单及安全性高等优点而被广泛应用，当液滴与粉尘接触后使得粉尘颗粒质量增加发生沉降，从而降低粉尘浓度[1-2]。但是，由于水的表面张力大，造成液滴破碎粒径较大，较大粒径的液滴不利于与粉尘结合达到高效降尘的目的。为此，大量学者进行了喷雾降尘提效研究。裴叶[3]、邹利宏[4]、张丽颖[5]等进行了活性剂复配增效的实验研究，发现将2种类型的表面活性剂进行复配后溶液的湿润性明显降低，并能得到一个最优复配比例；蒋仲安、聂百胜、王永珍、秦波涛和刘志超等对磁化水进行了深入研究，发现在一定磁感应强度下水的接触角减小，论证了磁化水提高降尘率的有效性[2,6-9]；赵晓亮、聂文和王鹏飞等研究了喷嘴类型对喷雾除尘效果的影响[10-12]。通过分析前人研究成果，发现针对磁化复配表面活性剂与压风细雾耦合协同雾化降尘的研究较少，因此笔者通过开展溶液表面张力及喷嘴雾化效率的实验测试，拟得到最优耦合协同雾化的降尘方法，从而提升煤矿井下粉尘的治理水平。

1 降尘机理

表面活性剂是一种能够减小固体颗粒与液体之间表面张力的物质，在活性剂溶液的质量分数达到特定值以上时会显著降低活性剂溶液的表面张力，提高粉尘颗粒和液体之间的接触能力，进而提高降尘率[3, 5]。磁化水是水流经强磁场，在强磁场作用下改变水的理化性质，从而提高水的湿润性能。将磁化水和活性剂2种物质相结合，当溶液穿过强磁场时，在强磁场作用下溶液中部分氢键发生断裂或者键角变小，降低溶液中分子之间的黏聚力，其湿润性能进一步提高[6, 9]。压风细雾雾化是利用微细雾化喷嘴在高压水和压风共同作用下产生粒径小、分布均匀且覆盖面积大的雾化液滴。雾化液滴是由液体从喷嘴喷射出时受喷嘴作用破碎而成，破碎过程中液滴主要受空气动力和液滴表面张力综合作用，空气动力压缩液滴表面造成液滴破碎形成更小的液滴，但是液滴表面张力则有阻碍液滴破碎的作用[10-11]。磁化表面活性剂和压风细雾喷嘴耦合协同雾化是在磁化水、活性剂和压风细雾喷嘴协同作用下，有效减小了溶液的表面张力，降低了水的湿润性，进一步提高了压风细雾雾化能力，使雾化液滴更小、更均匀，更容易与粉尘黏聚，在重力作用下能够加速粉尘沉降。

2 耦合协同雾化实验

2.1 实验材料与装置

现有市场上出售的表面活性剂种类繁多，由于煤尘多数带有负电荷，因此，本实验中仅选用阴离子和非离子活性剂，如表1所示。实验用水来自唐山市刘庄煤矿矿井水。实验中用到的器件主要包括：普通喷嘴和压风细雾喷嘴；选用TYU-2000H磁化仪和TYU-2002 型高斯计对水进行磁化；选用ZL2100界面张力仪测量液体的表面张力；选用Winner318工业喷雾激光粒度分析仪测量雾滴粒径。

表1 单体表面活性剂

2.2 实验方法

首先，在4种活性剂的质量分数为0～0.20%时测定活性剂溶液的表面张力变化，从阴离子和非离子活性剂中各选出一种最优活性剂进行复配优化；然后，通过对比在不同质量比和不同质量分数下溶液的表面张力得到最优复配方法；在最优复配活性剂溶液条件下，测试磁感应强度对复配溶液表面张力的影响，得到最优磁感应强度；最后，对比普通喷嘴和压风细雾喷嘴在水、磁化水、复配活性剂溶液和磁化复配活性剂溶液环境条件下的雾化效果。

3 实验结果与讨论

3.1 单体表面活性剂研究

质量分数在0～0.20%内的4种活性剂溶液的表面张力变化曲线如图1所示。可以看出，未添加表面活性剂时，水的表面张力为72.3 mN/m，随着活性剂溶液质量分数的增加，4种活性剂溶液的表面张力都先大幅度降低，在质量分数达到0.06%后趋于相对平稳状态，稳定后SDS、SDBS、FMEE和NPE溶液的表面张力分别为39.8、41.5、33.9、38.4 mN/m。

图1 质量分数在0～0.20%内4种活性剂溶液表面张力的变化曲线

通过对比图1中SDS、SDBS、FMEE和NPE溶液的表面张力可知，当活性剂溶液的表面张力趋于稳定后，非离子活性剂FMEE和NPE溶液的表面张力都小于阴离子活性剂SDS和SDBS溶液的表面张力。相关研究表明，通过复配不同种类的活性剂溶液能够降低其表面张力[3,5,9,13]。因此，在上述实验基础上从阴离子和非离子活性剂中各选出1种试剂来进行复配实验，因活性剂SDS和FMEE溶液的表面张力较小，故被选为此次复配实验的基料。

3.2 表面活性剂复配研究

由上述实验结果可知，单体SDS和FMEE溶液的表面张力在其质量分数达到0.06%时趋于最小值并保持相对稳定状态，因此，在活性剂溶液的质量分数为0.06%时进行复配实验，从而确认最优质量比。质量分数为0.06%的SDS和FMEE复配溶液在不同质量比条件下的表面张力变化曲线如图2所示。

图2 复配溶液表面张力随质量比的变化曲线

由图2可知，复配溶液表面张力随着SDS和FMEE质量比的变化会发生改变，但复配活性剂溶液的表面张力均小于单体活性剂溶液的表面张力。在SDS和FMEE的质量比为6∶4时复配溶液的表面张力达到最小值29.1 mN/m，相比于单体SDS和FMEE溶液，复配溶液的表面张力分别降低了26.9%和14.2%。裴叶、秦波涛等也通过测试证实了复配活性剂溶液能降低其表面张力，将阴离子和非离子活性剂混合在一起时其亲水基之间出现了协同增效作用[3,9]。

复配活性剂在SDS和FMEE的质量比为6∶4时降低了溶液的表面张力，此时溶液的质量分数为0.06%。由于溶液质量分数越高，所需经济成本越高，为了降低成本，在已知复配活性剂最佳质量比的前提下，假设所用复配活性剂在溶液质量分数低于0.06%时就已经趋于稳定，基于此进行相应实验验证，得出质量分数在0～0.10%下复配活性剂溶液的表面张力的变化曲线见图3，并与单体SDS和FMEE溶液的表面张力进行对比，复配活性剂溶液的表面张力随着溶液质量分数的增加急剧下降，并在质量分数为0.03%时趋于稳定。因此，通过SDS和FMEE复配优选，复配活性剂在阴离子和非离子活性剂的影响下，达到最低表面张力时所用溶液质量分数较采用单体SDS和FMEE大约降低了50%，能够有效降低降尘过程中的使用成本。

图3 表面张力随溶液质量分数(0～0.10%)的变化曲线

3.3 磁化增效研究

近几年，相关研究人员提出的磁化水降尘技术，主要是通过物理方法改变水的表面张力，具有投资少、操作简便等优点[2,6,8,9,14]，但磁化水在使用过程中降尘效率有待进一步提高，因此笔者考虑将活性剂磁化后用来提升溶液的湿润性能。王永珍等的研究指出磁化时间5～180 s内对表面活性剂的表面张力几乎没有影响[7]，聂百胜等的研究指出磁化时间大于60 s时溶液表面张力稳定[6]，因此实验中设定磁化时间为60 s，对复配活性剂(其质量分数为0.03%，SDS与FMEE质量比为6∶4)进行磁化研究，其表面张力随磁感应强度的变化情况见图4。

图4 磁感应强度对表面张力的影响

由图4可知，当磁感应强度为0～400 mT时，复配活性剂溶液的表面张力随磁感应强度的增加而逐渐降低，即其表面张力由29.6 mN/m降为25.5 mN/m，这主要是因为复配表面活性剂溶液在经过强磁场时，强磁场的磁化作用会加剧溶液中的分子运动，从而降低复配活性剂溶液的黏聚力，提高复配活性剂溶液的湿润性[15-16]；当磁感应强度为400～800 mT时，复配活性剂溶液的表面张力随磁感应强度的增加而逐渐增加，即其表面张力由25.5 mN/m增加为27.3 mN/m，这是因为磁感应强度过大时，一部分活性剂的亲水基从水分子表面逃逸，致使复配活性剂分子与水分子之间的排列发生变化，导致增效作用减弱，进而降低复配活性剂溶液的表面张力[9]。经上述分析可知磁感应强度在400 mT时复配活性剂溶液的表面张力最小，溶液湿润性最好，较未磁化时其表面张力降低了13.9%。

3.4 耦合协同雾化研究

雾化降尘时雾滴粒径是影响降尘效果的主要因素，雾滴粒径越小降尘效果越好[10]。压风细雾喷嘴结合了压力水和压风，压力水流经喷头被撞击分散成小雾滴，在压风的协同作用下能进一步分散成更小粒径雾滴。为有效控制呼吸性粉尘浓度，实现雾滴最小化，开展磁化复配活性剂与压风细雾喷嘴耦合实验，研究压风细雾喷嘴在水、磁化水、复配活性剂和磁化复配活性剂环境条件下的雾化效果，并与相同条件下普通喷嘴的雾化效果进行对比。实验选用的2种喷嘴的实物图如图5所示。

图5 喷嘴实物图

因为呼吸性粉尘最佳捕获粒径小于65 μm，实验中将小于65 μm的雾滴占雾滴总量的百分比称为雾化效率，可以用来作为衡量雾化效果的标准[17]。实验中采用煤矿井下一般压力水和压风，压力大小分别为3 MPa和0.5 MPa，其雾化效果如图6所示。

图6 不同方法的雾化效果

由图6可知，在水、磁化水、复配活性剂和磁化复配活性剂的环境条件下，压风细雾喷嘴的雾化效果都优于普通喷嘴，这说明压风细雾喷嘴在压力水和压风的协同作用下雾化效果得到提升。此外，压风细雾喷嘴在磁化复配活性剂的耦合作用下，雾化性能得到极大提升，雾化效率最高可达74.8%，雾化效率较水提高了49.3%。综上研究，磁化复配活性剂与压风细雾耦合协同雾化效果最优，充分利用了阴离子和非离子复配活性剂、磁化水及压风细雾喷嘴的优势，能有效提升雾化效果。

4 结论

1)通过对多种阴离子和非离子活性剂溶液的表面张力进行测试，选取性能较优的SDS和FMEE进行了复配研究，在SDS和FMEE复配质量比为6∶4时复配溶液的表面张力达到最小值29.1 mN/m，所需最优溶液质量分数也由0.06%降到0.03%。

2)复配活性剂溶液的表面张力随着磁感应强度的增加先降低后增加，最优磁感应强度约为400 mT，此时溶液的表面张力为25.5 mN/m，较未磁化时的溶液的表面张力降低了13.9%。

3)通过对磁化表面活性剂与压风细雾喷嘴耦合协同雾化效果进行研究，得到耦合协同作用下的雾化效率高达74.8%，较水提高了49.3%。因此，磁化复配活性剂与压风细雾喷嘴耦合协同雾化能降低溶液的表面张力，提升其雾化降尘性能。