劉金璐，谷明月

(唐山科技職業(yè)技術學院，河北 唐山 063000)

煤礦開采過程中會產(chǎn)生大量粉塵，易誘發(fā)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(yōu)點而被廣泛應用，當液滴與粉塵接觸后使得粉塵顆粒質(zhì)量增加發(fā)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(fā)現(xiàn)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(yōu)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)針對磁化復配表面活性劑與壓風細霧耦合協(xié)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(yōu)耦合協(xié)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(zhì)，在活性劑溶液的質(zhì)量分數(shù)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(jīng)強磁場，在強磁場作用下改變水的理化性質(zhì)，從而提高水的濕潤性能。將磁化水和活性劑2種物質(zhì)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(fā)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(chǎn)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(xié)同霧化是在磁化水、活性劑和壓風細霧噴嘴協(xié)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(xié)同霧化實驗

2.1 實驗材料與裝置

現(xiàn)有市場上出售的表面活性劑種類繁多，由于煤塵多數(shù)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(yè)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(zhì)量分數(shù)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(yōu)活性劑進行復配優(yōu)化；然后，通過對比在不同質(zhì)量比和不同質(zhì)量分數(shù)下溶液的表面張力得到最優(yōu)復配方法；在最優(yōu)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(yōu)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(huán)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(zhì)量分數(shù)在0～0.20%內(nèi)的4種活性劑溶液的表面張力變化曲線如圖1所示?？梢钥闯?，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(zhì)量分數(shù)的增加，4種活性劑溶液的表面張力都先大幅度降低，在質(zhì)量分數(shù)達到0.06%后趨于相對平穩(wěn)狀態(tài)，穩(wěn)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(zhì)量分數(shù)在0～0.20%內(nèi)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(wěn)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(zhì)量分數(shù)達到0.06%時趨于最小值并保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，因此，在活性劑溶液的質(zhì)量分數(shù)為0.06%時進行復配實驗，從而確認最優(yōu)質(zhì)量比。質(zhì)量分數(shù)為0.06%的SDS和FMEE復配溶液在不同質(zhì)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(zhì)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(zhì)量比的變化會發(fā)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(zhì)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(xiàn)了協(xié)同增效作用[3,9]。

復配活性劑在SDS和FMEE的質(zhì)量比為6∶4時降低了溶液的表面張力，此時溶液的質(zhì)量分數(shù)為0.06%。由于溶液質(zhì)量分數(shù)越高，所需經(jīng)濟成本越高，為了降低成本，在已知復配活性劑最佳質(zhì)量比的前提下，假設所用復配活性劑在溶液質(zhì)量分數(shù)低于0.06%時就已經(jīng)趨于穩(wěn)定，基于此進行相應實驗驗證，得出質(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)的增加急劇下降，并在質(zhì)量分數(shù)為0.03%時趨于穩(wěn)定。因此，通過SDS和FMEE復配優(yōu)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(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)(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(yōu)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(nèi)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(wěn)定[6]，因此實驗中設定磁化時間為60 s，對復配活性劑(其質(zhì)量分數(shù)為0.03%，SDS與FMEE質(zhì)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(jīng)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(fā)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(jīng)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(xié)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(jīng)噴頭被撞擊分散成小霧滴，在壓風的協(xié)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(xiàn)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(huán)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(huán)境條件下，壓風細霧噴嘴的霧化效果都優(yōu)于普通噴嘴，這說明壓風細霧噴嘴在壓力水和壓風的協(xié)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(xié)同霧化效果最優(yōu)，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(yōu)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(yōu)的SDS和FMEE進行了復配研究，在SDS和FMEE復配質(zhì)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(yōu)溶液質(zhì)量分數(shù)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(yōu)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(xié)同霧化效果進行研究，得到耦合協(xié)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(xié)同霧化能降低溶液的表面張力，提升其霧化降塵性能。