含表面活性剂溶液的雾化特性及对细颗粒物的强化去除效果

顾海林，陈斌康，郭佳琪，冯洁，简青山，王进卿，张光学

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

近年来，我国工业迅速发展，同时由于化石燃料的燃烧带来的环境问题也日益严重。燃烧会产生细颗粒物，这些细颗粒物悬浮在空中，难以沉降，尤其是直径小于2.5μm的细颗粒物，已经引起了一系列环境和健康问题[1]。由于细颗粒物的比表面积大，在其表面极易聚集重金属、有机污染物等有毒物质，并且易于进入人体呼吸道中，从而诱发许多呼吸系统、心血管系统的疾病。因此对细颗粒物的消除显得尤为重要[2]。

现有的细颗粒物去除技术主要有静电除尘[3]、机械式除尘[4]、袋式除尘[5]和喷雾湿式除尘[6]等。水雾除尘是一种传统的湿式除尘方法，由于其高效经济、操作简单等优点，被广泛应用于矿山粉尘治理、锅炉污染物去除等工业应用中。其原理是利用水雾吸附细颗粒物，相互黏结、团聚成较大颗粒物，最后在重力的作用下沉降，从而达到去除目的[7]。然而，由于水雾液滴和细颗粒物间的碰撞概率较小，因此其去除效率也有限。

部分学者通过研究发现，添加表面活性剂能够显著降低喷雾溶液的表面张力，从而提高溶液的雾化性能[8-10]。邓全龙等[11]为进一步探索新型高效的复合式湿式除尘方法，构建了喷雾协同金属网栅除尘实验装置，通过表面活性剂雾滴与金属网栅的结合，对除尘具有良好的增效作用。周磊等[12]对比了8种表面活性剂的表面张力对褐煤粉尘的润湿性能的影响，并研究了表面活性剂溶液的雾化性能，发现添加表面活性剂可以提高对褐煤细颗粒物的抑尘效率。朱洪堂等[13]通过将表面活性剂、无机盐和高分子絮黏剂结合，构成多元团聚剂体系，研究其对细颗粒物团聚促进作用的影响。Geng等[14]将表面活性剂溶液与荷电喷雾技术结合，使颗粒物的去除效率提高了53.4%。Wang等[15]探究了喷雾液中加入不同浓度的表面活性剂溶液时，其物理特性和降尘效果。结果表明，随着表面活性剂溶液质量浓度的增加，表面张力逐渐降低，当表面活性剂浓度超过临界胶束浓度（CMC）时，溶液的表面张力下降趋势不再显著。Nie 等[16]探究了四种表面活性剂溶液对影响除尘效率的最佳浓度。Zhang 等[17]提出了一种具有良好润湿性和凝聚性的抑尘剂，可以显著降低细颗粒物浓度。上述研究主要侧重利用表面活性剂强化除尘效率，然而较少关注表面活性剂对喷雾特性（如喷雾粒径）的影响，并且缺少提高除尘效率的机理分析。

为此，本研究主要侧重含表面活性剂溶液的喷雾特性，表面活性剂种类、浓度对喷雾粒径分布的影响。同时，探究不同情况下，含表面活性剂溶液喷雾对细颗粒物的去除效果。

1 实验装置及方案

1.1 实验装置

本研究采用如图1 所示的实验装置，主要包括：喷雾系统、烟雾发生系统和测量系统。其中喷雾系统由电动高压隔膜泵、软管、流量计、压力计、喷嘴组成。电动泵额定功率100W，可产生的最大压强为1.1MPa；喷嘴的喷射角度为60°，孔径0.8mm，可以形成稳定的实心圆锥形喷雾。烟雾发生系统由团聚室和烟饼组成，团聚室尺寸为500mm×500mm×800mm，由亚克力板制成。测量系统分为透光率测量装置和喷雾粒径测量装置，透光率测量装置为激光功率计（UT385），通过接收激光的光强变化来计算激光功率，进而表示透光率。粒径测量装置采用相位多普勒速度粒径分析仪（phase Doppler particle analyzer，简称PDPA）[18]，测量范围在0.5～13000μm。

图1 实验装置示意图

为探究不同浓度对雾化特性的影响规律，配制多种浓度的表面活性剂溶液（0.005%、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%，质量分数）。每次实验，保持水流量（180mL/min）和压强（0.35MPa）基本一致，在喷嘴下方25cm 处平面中心作为PDPA的采集点，待喷雾稳定后进行测量，每组工况测量3次，取平均值。喷雾粒径测量过程中的不确定度分析包括重复性测量引入的不确定度、PDPA 示值误差引入的不确定度、遮光率引入的不确定度和水折射率引入的不确定度。其中，重复性测量不确定度采用A类方法进行评定，其余三种均采用B类方法进行评定。

颗粒物去除实验以烟饼燃烧生成的烟雾为去除对象，实验开始前点燃烟饼，当烟雾均匀充满团聚室后，打开激光功率计，记录激光功率计数值，使每次实验的初始透光率保持一致（确保初始烟雾浓度保持一致）。待烟雾稳定后，打开水泵，记录颗粒物在喷雾作用过程中激光功率计的变化情况。当激光功率计数值稳定在某一值，且团聚室内清晰无烟后，认为颗粒物去除完毕，关闭水泵。

1.2 实验材料

表面活性剂通常分为离子型和非离子型，而离子型又分为阴离子、阳离子和两性离子。表面活性剂溶于水时，凡是能够通过电离生成带负电的亲水基团时，则为阴离子型表面活性剂；反之，为阳离子型。两性离子表面活性剂指同时含有正离子和负离子的溶液，凡是不能通过电离生成离子的就称为非离子型表面活性剂[19]。

本研究根据表面活性剂的分类选择了三种不同性质的表面活性剂，包括阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）以及非离子型表面活性剂吐温80（TW80），具体参数如表1所示。

表1 表面活性剂种类

1.2.1 表面张力测量

实验使用表面张力仪（BZY-2，精度1%），在25℃下，采用铂金板法对不同浓度的表面活性剂溶液进行测定，溶液质量分数范围0.005%～0.15%。每种溶液测量3次，取平均值。测量结果如表2所示，阳离子表面活性剂CTAB溶液的表面张力随着浓度增大先减小后增大；阴离子表面活性剂SDBS和非离子表面活性剂TW80溶液的表面张力随着浓度的增大而降低，后趋于平缓。在浓度达到临界胶束浓度（CMC）[20]前表面活性剂对溶液表面张力的影响强，导致表面张力的快速下降，达到临界胶束浓度后，表面张力变化幅度减弱，继续增大浓度还会在溶液中出现反粒子浓度积累、胶束形成等现象，进而导致表面张力增大[21]。

表2 不同表面活性剂溶液表面张力

1.2.2 黏度测量

在25℃下，采用数字式旋转黏度计（NDJ-5S，精度2%），对不同浓度下的表面活性剂溶液进行了黏度测量，得到结果如表3所示。可以发现，去离子水在常温下的黏度为0.91mPa·s，加入表面活性剂后，溶液的黏度虽然有提高，但随着浓度的增大，黏度的增量并不明显，这说明表面活性剂浓度对黏度的影响较小。

表3 不同表面活性剂溶液黏度

对上述测量进行误差分析，其主要来源包括：①实验时采用的是自来水而非纯水，含有少量杂质；②表面张力测量操作过程中弹簧上下晃动使得液膜过早破裂而引起的误差；③黏度计测量过程中，每次装取的待测液量不一致而引起的误差。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂种类对雾化特性的影响

在喷雾介质中添加表面活性剂可以降低溶液的表面张力，从而影响其雾化性能，为研究不同种类表面活性剂对雾化特性的影响规律，针对上述3种表面活性剂在同一浓度下的雾化液滴粒径进行测量分析。由表2可知，实验所用表面活性剂在质量分数为0.10%时，溶液的表面张力趋向稳定，故选择质量分数为0.10%时3种不同表面活性剂溶液的雾化特性进行研究，结果如图2所示。

图2 质量分数0.1%下不同表面活性剂溶液喷雾粒径分布

由图2(a)可知，去离子水经过雾化后粒径在0～200μm范围内数量占比峰值为2.57%，当加入表面活性剂后，喷雾粒径峰值向左移动，0～200μm 范围内的液滴数量占比也有所提高，其中CTAB 的峰值为50μm（2.8%），SDBS 的峰值为47.5μm（3.35%），TW80的峰值为42μm（5.38%）。由此可知，加入表面活性剂后，雾化液滴的峰值向左移动，平均粒径减小，液滴数量增多。此外，由图2(b)还可发现，加入表面活性剂后，在0～400μm 范围内的液滴累积百分数有不同程度的提高，说明表面活性剂不仅使雾化粒径减小，还使雾化液滴粒径的分布更加集中。对比3种不同表面活性剂，非离子型表面活性剂（TW80）的效果最明显，对雾化特性的影响最大。

图3则显示了不同表面活性剂溶液和去离子水的喷雾粒径大小和速度的散点图，可看出加入表面活性剂后，液滴在0～200μm 范围内更加集中，明显多于去离子水，而粒径200～400μm 范围内的液滴则比去离子水少，这说明表面活性剂加入后确实提高了溶液的雾化特性。这与图2结果一致。

2.2 表面活性剂浓度对雾化特性的影响

为研究不同表面活性剂的浓度对溶液雾化特性的影响，本研究对3种表面活性剂在5种不同质量分数（0.005%，0.01%，0.05%，0.10%，0.15%）下的液滴粒径分布进行分析，如图4所示。

图4 不同表面活性剂不同浓度下的喷雾粒径分布

由图4可知表面活性剂的浓度不同，其喷雾液滴粒径分布也不同。随着表面活性剂浓度的增加，阴离子型表面活性剂（SDBS）溶液经雾化后小粒径的占比不断减小；阳离子型表面活性剂（CTAB）溶液和非离子（TW80）溶液的小粒径占比则是随着浓度先升高后降低，这两种溶液的占比都在0.01%时达到峰值。这说明CTAB 和TW80 溶液存在最佳的雾化浓度。

图4(d)为3 种不同表面活性剂在不同浓度下的喷雾中值粒径变化情况。在低浓度时，表面活性剂大幅降低了溶液的表面张力，使得喷雾液滴更容易破碎分裂，形成了更细小的液滴，中值粒径也较小，此时溶液的表面张力是影响雾化特性的主要因素。当浓度达到临界胶束浓度后，溶液的表面张力降低速度变得极其缓慢，随着浓度的继续增大，溶液中会有胶状物质析出，这些胶状物质可能会附着在喷嘴口从而影响最终的雾化效果[22]。

2.3 表面活性剂溶液喷雾对颗粒物的去除特性

为研究表面活性剂溶液是否可以加快细颗粒物的去除速率，本文对3种表面活性剂溶液在两种不同质量分数（0.005%、0.10%）下的消除效果进行了研究，得到一定时间内烟雾颗粒透光率的变化规律，如图5所示。

由图5可知，烟雾在自然沉降时的透光率几乎不变，此时细颗粒物难以通过自身重力下沉到底部，而是悬浮在空中。当加入水雾后，透光率增加明显。由图5(a)可知，在低浓度下，用含阴离子型表面活性剂（SDBS）溶液的喷雾对烟雾颗粒的去除速率最快，在6min内透光率达到了66%；非离子型表面活性剂（TW80）和阳离子型表面活性剂（CTAB）效果相差不大，但相比较于水，去除速率仍有提升。这是由于表面活性剂的加入提高了雾化效果，使得雾化液滴数量更多，这可以促进液滴与细颗粒物的碰撞概率。同时，由于十二烷基苯磺酸钠水溶液是一种极性液体，在溶液的表面会形成一个偶电层（DEL)，它由外部负层和内部正层两部分组成，当溶液经过喷嘴雾化后，偶电层会被剪切，在低浓度下产生带负电的液滴[23]。其本身又是阴离子型表面活性剂，在溶液中会电离出带负电的离子团，这样大量的负电荷存在于液滴中，通过静电力作用可以更好地吸附烟雾颗粒，达到去除细颗粒物的效果。十六烷基三甲基溴化铵水溶液会电离出带正电的离子团，这会与负电荷中和，而吐温80 是非离子，在水中不会电离，因此在低浓度下的去除效果都不如十二烷基苯磺酸钠。

而由图5(b)可知，当质量分数达到0.10%后，吐温80 溶液的消烟速率最高，在6min 时透光率达到了64%。但与0.005%质量分数时相比，0.1%质量分数时三种表面活性剂溶液总体的去除速率有所下降，下降最明显的是十二烷基苯磺酸钠，最终的透光率由原来的66%降到了54%。这是由于浓度增大，表面活性剂水溶液雾化后的液滴粒径变大，液滴数量减少，并且偶电层剪切后形成的大液滴通常带正电，相比于负电其吸附能力较弱，且由于高浓度下胶状物的析出，因此烟雾颗粒的去除效果减弱。

3 结论

本文开展了含表面活性剂溶液的喷雾特性研究，分别对比了阴离子、阳离子和非离子3种不同表面活性剂及不同质量分数对雾化特性的影响规律。同时，对不同浓度下表面活性剂溶液喷雾消除细颗粒物的特性做了进一步研究，得到如下结论。

（1）加入表面活性剂会降低溶液的表面张力，从而使溶液雾化形成更小更集中的液滴，在3种表面活性剂中，0.01%的非离子型表面活性剂（TW80）对于溶液的雾化性能提升最大。

（2）表面活性剂浓度会影响雾化效果，在浓度达到临界胶束浓度（CMC）前，表面活性剂溶液的表面张力降低明显，此时喷雾粒径持续减小；达到临界胶束浓度时，雾化液滴粒径达到最小值，此时液滴数最多；继续增加浓度，溶液中会析出胶状物质，削弱了雾化性能。

（3）相对纯水喷雾，含表面活性剂溶液喷雾对细颗粒物的去除效率更高，而对比3 种表面活性剂，则阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠水溶液在低质量分数（0.005%）下对于细颗粒物的去除效果最明显。这是由于一方面此时雾化效果好，增加了液滴与细颗粒物的碰撞吸附概率；另一方面，阴离子活性剂会产生带有负电荷的液滴，提高了对细颗粒的吸附性。