磁性活化水技术雾化性能及降尘效果研究

平 原，葛少成，孙丽英，刘 硕，陈 曦，庞星宇，荆德吉，陈景序

(1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

湿式除尘技术是煤矿最为普遍应用的一种方法[1-5]。其中，喷雾除尘由于安装简单、成本便宜及安全性好等优点，被煤矿当作主要防尘措施[6]。然而自来水的表面张力普遍较大，润湿性能也较差，影响液滴破碎效果和喷雾降尘效率。因此，磁性活化水降尘技术被提出，该技术对于提高喷雾降尘效率具有重大意义[7，8]。

目前，大量学者对磁性活化水降尘技术进行了大量研究[9，10]。杨树莹等[11]通过对不同的表面活性剂进行复配，制备出一种环保高效的结壳型抑尘剂，具有良好的抗风蚀性，提高了对细颗粒物的抑尘效率。曾康生等[12]对大量的表面活性剂进行优选，设计了复配高效降尘湿润剂实验方案，复配出一种润湿性能很好的降尘湿润剂，且现场应用降尘效率高达91%。很多学者对磁化水的应用也进行了大量研究，由于操作方便和经济成本低磁化装置被广泛应用与多个行业[13]。聂百胜等[14]通过表面张力和接触角实验，发现磁化强度和磁化时间对颗粒润湿效果影响较大，现场应用应根据具体条件选择最适合的磁化参数。张园园等[15]通过颗粒长大实验，使磁化水替代普通水条件，颗粒长大粒径有很大提高，验证了磁化水促进颗粒水雾凝结长大的观点。秦波涛等[16]将磁化水方法与表面活性剂结合使用，研发了一套高效磁化装置和一种增效活性添加剂，现场应用表明磁化表面活性剂降尘效果稳定良好，降尘效率提高31.79%。但通过分析前人的研究成果发现，磁化水本身的降尘效果受限，很难进一步提高；磁化水接触角和表面张力表现的多极值增减变化规律还是一个未完全解决的问题；磁化技术的控制能力不理想，有必要对磁化方式、时间、强度等开展进一步的研究。为此，本文复配出一种高效表面活性剂，通过循环磁化水制备系统得到磁化水和磁化复配溶液，对水、磁化水、复配表面活性剂和磁化复配溶液的接触角、表面张力、雾化性能和降尘效果进行实验测试，并进行现场应用，确定了磁化参数、磁处理方式、溶液种类等最佳实验条件，得到最优降尘方案。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料与装置

实验所用煤样为山西晋中市鑫鼎泰煤矿烟煤，实验用水为自来水，实验选用4种表面活性剂的信息，见表1。

表1 实验表面活性剂信息

实验采用德国新帕泰克HELOS/R实时喷雾激光粒度分析仪和自行构建的多级磁化水循环装置。激光粒度仪用于雾滴粒径的测量实验，该实验包括空气压缩机、稳压阀、储水箱、超音速虹吸喷嘴和激光粒度仪。多级磁化水循环装置用于磁化水的制备，包括卧式离心泵、智能电磁流量计、FSCN-DN25磁化水装置和储水箱，如图1所示。另外还有粉尘浸润性测试仪、接触角测量仪和模拟巷道，模拟巷道为可拼接透明巷道箱体，包括变频风机、HRH-DAG768智能粉尘发生装置、全自动粉尘测定仪，可进行喷雾降尘实验。

图1 多级磁化水循环装置

1.2 实验方法

1)采用接触角测量仪测量仲烷基磺酸钠、十二烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚7、月桂基烷基糖苷降低接触角的能力，分别配制质量浓度为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的溶液，对比分析不同浓度溶液的接触角数据，将效果最佳的阴离子和非离子表面活性剂按照体积比为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1进行复配，通过对比不同体积比溶液的接触角和润湿时间，寻找最优复配方法。

2)外加磁场磁化参数的确定。外加磁场对水样的影响实验在自行构建磁化水循环装置中进行，主要通过磁感应强度不同的FSCN-DN25磁化水装置，根据实验结果确定合适的磁化时间和磁化强度。将水桶、卧式离心泵、电磁流量计、磁化装置通过管道相连接，启动水泵，固定水流速度为最佳流速4m/s，根据流量公式Q=V·S在电磁流量计上读取流量为7.065m3/h，实验按照两种磁化方式进行：①连接3000Gs磁场强度的磁化装置时，对水样分别进行10min、20min、30min、40min、50min、60min的循环磁化处理。②在20min磁化时间处理下，对水样分别进行1500Gs、2000Gs、2500Gs、3000Gs、3500Gs、4000Gs、4500Gs、5000Gs的磁场强度处理。测定不同磁化强度、磁化时间下的溶液表面张力、接触角，重复3次测量，取其平均值。

3)表面张力、接触角的测量。启动接触角/表面张力测量仪，打开控制该仪器的测量软件，将所测溶液吸入微量进样器中，使样品升降平台位于软件窗口中央位置，进行相机对焦，平台正中心放置已制好的煤样，点击滴液或连续滴液按钮，待测液滴即将接触煤样的时候按下拍摄按钮，抓拍液滴与煤样接触瞬间，软件自动计算所拍图像的接触角、表面张力。对同一溶液测量3次，取其均值作为该溶液的接触角、表面张力。

4)雾滴粒径测量实验。实验系统通过调压阀控制气泵的气压恒为0.4MPa，使用孔径1.0mm的超音速虹吸喷嘴，选择喷嘴水平线30、60、90cm处作为雾滴粒径的测量距离，实时喷雾激光粒度分析仪计算、处理粒度分布数据、显示结果并打印报告，最后对比分析水、磁化水、复配活性剂、磁化复配溶液在超音速虹吸喷嘴下的不同雾化效果。

2 磁性活化水制备实验结果分析

2.1 表面活性剂单体优选及复配

不同浓度溶液的接触角测量结果如图2所示。随着溶液浓度的增加，四种活性剂的接触角变化规律为：先大幅度减小，在浓度达到临界值0.1%，后呈现平缓减小趋势。接触角越小则说明表面活性剂对煤样的润湿性越佳[17]。从图中可明显看出，阴离子活性剂SAS-60接触角远小于SDDS，说明SAS-60对煤样润湿性能高于SDDS；非离子活性剂AEO-7接触角远小于APG12/14，说明AEO-7对煤样润湿性能高于APG12/14；因此，复配研究材料选择阴离子表面活性剂SAS-60和非离子表面活性剂AEO-7。

图2 不同浓度活性剂溶液接触角的变化曲线

SAS-60及AEO-7润湿时间如图3所示，单体SAS-60溶液的润湿时间在溶液质量浓度 0.4%时趋于最小值，后随着浓度的增长保持相对稳定；AEO-7溶液质量浓度在0.5%之前，润湿时间递减速率远大于AEO-7溶液浓度为0.5%后的递减速率。根据上述实验，表面活性剂溶液所需最佳质量浓度分别为0.4%和0.5%。

图3 SAS-60及AEO-7润湿时间

选择SAS-60：AEO-7体积比为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1进行复配，复配结果如图4所示，体积比为7∶3的复配溶液接触角最小，润湿时间最短，对煤尘的润湿效果最好。

图4 不同比例复配活性剂的接触角和润湿时间

2.2 磁化参数研究

磁化水技术主要使用物理方法提高溶液的润湿能力[18]，但降尘效率在实际应用中需进一步提高，本实验对自来水、复配活性剂增添外加磁场，寻找最佳磁化参数。其接触角、表面张力随磁感应强度的增减变化规律如图5所示。

图5 磁感应强度对接触角、表面张力的影响

自来水、复配活性剂对煤尘的润湿性能通过不同磁场受到不同程度的影响。从图5可以看出：在不同磁化强度实验条件下，溶液的接触角呈现多极值增减变化、非线性增长，表明接触角、表面张力数值并不是磁化强度越大越好[19]。由于氢键的不断形成和破坏所需的活化能较小，具有灵活性和易变性，在磁场强度不断地变化下，溶液内部水分子之间和分子内部连续运动，氢键的形成和断裂也会持续进行。接触角、表面张力在某范围达到谷值时，磁化强度继续增加，导致氢键易于灵活地形成，而生成氢键来损耗体系的能量，导致液体的表面张力和接触角再次增大。所以会出现频频增减接触角、表面张力的情况。

随着磁化强度3000～4000Gs多级增加，自来水接触角明显减小，呈现下降趋势，在外加磁场4000Gs处取得最小值。自来水的表面张力也在4000Gs处达到最小，此时磁化效果最佳，相比磁化前有较大变化。出现这个现象的原因是由于水以一定流速经过优化磁场，氢键发生断裂，水分子缔合体分解，分子间吸引力随之减小，使水分子矿物质基本结构发生改变，大大增加了水对煤尘的溶解性和润湿性。

整体来看，磁化复配活性剂的接触角和表面张力远远低于磁化水。主要因为自来水被磁化，接触角和表面张力有一定程度上的降低，但很难进一步减少。而表面活性剂本身可以大幅度降低接触角和表面张力，与此同时溶液流经磁场也会被磁化，复配表面活性剂与磁场共同作用，就能够提高溶液的润湿能力[20]。随着磁感应强度的变化，复配溶液的接触角上下明显波动，呈多极值增减变化趋势，在磁化强度4000Gs获得最小值；而表面张力有微弱的变化，可确定4000Gs为最佳磁化强度。

自来水、复配活性剂两种溶液经过10min、20min、30min、40min、50min、60min的磁化时间进行接触角、表面张力的测量，如图6所示。

图6 磁化时间对接触角、表面张力的影响

秦波涛等研究表明经过磁场的水流速度也会影响磁化效果的好坏，发现4m/s的流速经过磁场磁化效果最佳[21]，因此，本实验控制流速为4m/s。增加磁化时间，水多次进入磁场循环磁化，连续切割磁感线，使水性质发生变化；又由于本磁化装置内部为螺旋扰流磁场，磁感线分布更加集中，对水的磁化效果更佳，因此一定磁化时间的溶液能够改善磁化效果。本实验自来水在10～60min的磁化时间后，接触角呈现波动变化趋势。复配活性剂的接触角在磁化时间10～40min内变化平缓，磁化50min时溶液出现最小接触角，随后又继续增大。两种溶液的表面张力随磁化时间的变化而轻微浮动，由上实验可确定最佳磁化时间为50min。

2.3 雾化效果对比

实验系统使用气泵给予一定压力，将溶液送至超音速虹吸喷嘴，由于液体发生繁杂的破碎变化雾化成细小液滴，根据“水雾颗粒与尘埃颗粒大小相近时吸附、过滤、凝结的几率最大”理论，能够达到高效喷雾除尘的目的。实验采用激光粒度分析仪，对比分析水、磁化水、复配活性剂、磁化复配溶液对雾滴粒径的影响程度。VMD值即为相应距离处不同溶液的体积平均粒径如图7所示。

图7 不同溶液雾滴粒径VMD测试结果

从上述实验可以看出：溶液类别不同，VMD值也发生了明显的变化。30cm、60cm、90cm处溶液的VMD值大小排序为：水、磁化水、复配活性剂、磁化复配溶液，水的VMD值最大，磁化复配溶液的VMD值最小，表明磁化复配的协同雾化粒径最小。雾滴粒径越小，雾化性能越佳。由于磁化水技术使原有溶液中水分子氢键断裂，水分子缔合体分离为较小的缔合水分子，磁场与复配活性剂的协同作用大大减小水的表面张力，使得溶液通过喷嘴破碎更完全，降低雾滴的体积平均粒径，小粒径液滴分布更广泛，使雾化性能更好。

3 喷雾降尘模拟实验效果分析

分别采用原有喷雾降尘措施、磁化水喷雾降尘措施、复配活性剂喷雾降尘措施和磁化复配剂喷雾降尘措施对实验室模拟巷道内的粉尘进行沉降处理，选取CCHZ-1000全自动粉尘浓度测定仪测粉尘的浓度，并对比分析上述四种降尘措施的降尘效果，实验室模拟巷道工作面如图8所示。

图8 模拟巷道工作面

不同降尘措施下粉尘的降尘效率如图9所示，由图9可知，磁化活性喷雾技术的全尘降尘效率达到87.2%，呼尘降尘效率达到79.8%，相比纯水、磁化水、复配活性剂喷雾降尘技术，很大程度提高了对粉尘的降尘效率。使用不同的降尘技术，全尘和呼尘浓度发生不同程度的变化。全尘的整体降尘效果好于呼尘，由于喷雾降尘技术采用后，粗颗粒粉尘更易被雾滴捕获，微小颗粒随气流绕过雾滴不易碰撞。同时粗颗粒粉尘本身比微小颗粒更易降落，微小尘粒悬浮在巷道空间内，需要经过较长时间才能沉降。

图9 不同降尘措施对粉尘降尘效率对比

为了更加直观表示磁化活性喷雾技术的显著降尘效果，将原有喷雾降尘技术与磁化活性喷雾降尘技术治理粉尘后的巷道环境进行对比，如图10所示。原有喷雾技术降尘后粉尘仍大量弥散在巷道中，而采用磁化活性喷雾技术的巷道环境更加明晰，表明磁化活性喷雾技术降尘效果更好，全尘和呼尘的降尘效率得到大大提高，证实了以上实验的准确性，对改善煤矿工作环境具有重大意义。

图10 原有技术与磁化活性喷雾降尘技术后的模拟巷道环境

4 现场应用

韩家洼煤矿综掘工作面长度800 m、宽度5m、采高2.7m，采用EBZ型掘进机进行掘进工作，使用原降尘技术作业时发现现场降尘效果不佳。依据本实验研究结果，采用磁性活化喷雾降尘技术进一步降低现场粉尘浓度，将复配表面活性剂加入水中，搅拌均匀形成溶液，经过磁化循环管道将其磁化，提高压力后输送到工作面进行喷雾除尘。在综掘机截割头和掘进机主体后5m处安装喷嘴，形成综掘机截割头全覆盖喷雾和防尘净化雾幕，该雾幕位置在切割点10～20m之间，用来抑制粉尘的产生和扩散。磁性活化喷雾降尘系统布置如图11所示。

图11 磁性活化喷雾降尘系统布置

此次选取了综掘机掘进端面切割煤岩处作为参考点，测试了该端面位置间隔距离10m、20m的粉尘浓度。采用CCHZ-1000全自动粉尘测定仪，采样时间设置为5min，每个测试点进行3次测量，取平均值，测试结果见表2。

表2 掘进端面10m和20m处粉尘浓度测量结果

现场应用结果表明，磁性活化水喷雾技术在10m处测量点的全尘和呼尘降尘效率高达87.64%和82.05%，20m处测量点的全尘和呼尘降尘效率高达89.17%和87.33%，磁性活化喷雾降尘技术大幅提高了工作面的降尘效率，有效改善了工作面的作业环境，该技术可作为粉尘治理措施进行推广实施。

5 结 论

1)通过表面活性剂单体优选实验，从中选取SAS-60和AEO-7进行复配。当复配溶液SAS-60和AEO-7质量浓度为0.4%和0.5%，体积比为7∶3时，复配溶液接触角最小，润湿时间最短，对煤尘的润湿效果最好。

2)水溶液进行磁化后对煤尘的润湿性有一定的影响。磁感应强度4000Gs磁化时间50min为本实验的最佳磁化参数，此时溶液的表面张力、接触角降低幅度最大，煤尘的润湿性能得到了大幅度的提高。

3)通过水、磁化水、复配活性剂、磁化复配溶液对雾化效果的影响程度进行对比分析，得到磁化复配溶液在喷嘴口处水平线30cm、60cm、90cm处的VMD值是最小的，表明磁化复配的协同雾化粒径最小，雾化性能最佳。

4)模拟巷道喷雾降尘实验及现场应用结果表明，磁化活性喷雾降尘技术的降尘效率最高，全尘降尘效率均高达87%以上，呼尘降尘效率均高达79.8%以上，相比非磁化水喷雾降尘技术，很大程度提高了对粉尘的降尘效率。