王鵬飛，鄔高高，袁新虎，江玖鴻，陳世強(qiáng)，李石林

(1.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害治理安全生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

依據(jù)衛(wèi)健委發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)共報(bào)告各類職業(yè)病新病例15 407例。其中，職業(yè)性塵肺病11 809例，占比76.66%。塵肺病患者主要分布于煤炭和有色金屬礦開(kāi)采行業(yè)[1-2]。因此，煤炭開(kāi)采過(guò)程中粉塵依舊是重要的職業(yè)危害因素[3]。降低作業(yè)場(chǎng)所粉塵質(zhì)量濃度的措施有多種，噴霧降塵因其操作簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)[4-5]。傳統(tǒng)的噴霧降塵技術(shù)以水為潤(rùn)濕粉塵的介質(zhì)[6]。由于水的表面張力大及煤的表面疏水性高，導(dǎo)致水潤(rùn)濕、黏附煤粉的效果差，噴霧降塵效果不理想[7-9]。

近年來(lái)，如何增強(qiáng)水潤(rùn)濕煤粉的性能，進(jìn)而提高噴霧降塵效率成為研究的熱點(diǎn)。常用的方法是在水中添加表面活性劑，改變水溶液的物理化學(xué)性質(zhì)[10-12]。表面活性劑種類繁多、價(jià)格偏高，且可能導(dǎo)致生產(chǎn)場(chǎng)所二次污染等問(wèn)題[13]。同時(shí)，水中添加表面活性劑會(huì)大幅增加降塵成本，部分表面活性劑有腐蝕作用，易引發(fā)機(jī)械設(shè)備故障[14]。因此，水中添加表面活性劑雖然能提高噴霧降塵效率，但其適用場(chǎng)所有限。筆者查閱到環(huán)保領(lǐng)域的新興技術(shù)(微納米氣泡技術(shù))可與噴霧降塵技術(shù)相結(jié)合[15-17]。微納米氣泡通過(guò)微納米氣泡發(fā)生器產(chǎn)生，是指直徑小于100 μm的氣泡[18]。大量的微納米氣泡增加了空氣與水的接觸面積，且注入的小氣泡改變了原來(lái)水分子的形態(tài)，使水和微納米氣泡水的物理界面性質(zhì)不同[19-20]。目前，微納米氣泡技術(shù)主要用于污水處理[21]、表面清洗[22]、礦物浮選[23]、廢氣治理[24]等領(lǐng)域，與粉塵防治相關(guān)的研究鮮有報(bào)道，但學(xué)者研究表明微納米氣泡可改善溶液的潤(rùn)濕性能[25-27]。TAKAHIRO Ishizaki等[28]對(duì)比了去離子水和微納米氣泡水在玻璃面上的接觸角，得出去離子水中加入微納米氣泡后接觸角從57.9°降低至49.5°，微納米氣泡能有效的改善溶液的潤(rùn)濕性能。邢耀文等[29]研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)的氣泡非常穩(wěn)定，能吸附于顆粒物表面，微納米氣泡橋接的毛細(xì)管力有利于顆粒物的凝結(jié)。

上述研究表明微納米氣泡的特性有助于噴霧降塵，微納米氣泡對(duì)環(huán)境無(wú)污染，適用于噴霧降塵技術(shù)。生產(chǎn)微納米氣泡的材料僅為空氣和水，無(wú)需增加降塵材料成本。因此，筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究微納米氣泡水的物理化學(xué)性質(zhì)及其對(duì)焦煤的潤(rùn)濕性能。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的噴霧降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究微納米氣泡強(qiáng)化噴霧降塵的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及儀器

實(shí)驗(yàn)所用焦煤煤樣取自山西萬(wàn)峰煤礦，煤樣的空氣干燥基揮發(fā)分大于10%，煤樣揮發(fā)分物質(zhì)較多，且難以被液體潤(rùn)濕。實(shí)驗(yàn)煤塵樣品的工業(yè)分析和特征粒徑見(jiàn)表1。

表1 煤塵樣品的工業(yè)分析及特征粒徑Table 1 Industrial index and characteristic particlesize of coal dust samples

生產(chǎn)微納米氣泡的儀器為ZJC-NM-02型微納米氣泡發(fā)生器，測(cè)量微納米氣泡微觀特性及其潤(rùn)濕性能所使用的實(shí)驗(yàn)儀器如圖1所示。LS13320激光衍射粒度分析儀型可選擇干法或濕法分析樣品，是高分辨率的納米、微米粒度分析儀；Zetasizer Nano ZS90型納米粒徑電位分析儀具有一系列選件及附件，采用激光多普勒微量電泳法可用于測(cè)量Zeta電位；CA100B接觸角測(cè)量?jī)x可對(duì)采集圖片二值化處理，全自動(dòng)計(jì)算接觸角；YP-24粉末壓片機(jī)是手動(dòng)粉末壓片機(jī)，壓力范圍0～34 MPa；K20表面張力儀測(cè)量表面張力的半自動(dòng)儀器，測(cè)量表面張力是基于測(cè)量配件的潤(rùn)濕作用力；KEC 900+Ⅱ智能空氣負(fù)氧離子檢測(cè)儀測(cè)量空氣中的負(fù)離子，可測(cè)量2億個(gè)/cm3范圍內(nèi)負(fù)氧離子濃度。噴霧降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，平臺(tái)主要由模型巷道、供水系統(tǒng)及圖示的儀器設(shè)備組成。巷道模型主體段長(zhǎng)度為30 m，其中噴霧段長(zhǎng)度為10 m，巷道斷面為矩形，規(guī)格為60 cm×60 cm。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)噴霧降塵部分由透明有機(jī)玻璃加工而成，透明有機(jī)玻璃便于噴嘴噴霧效果觀測(cè)及霧滴粒度的測(cè)量，其他部分均由不銹鋼板材制作。發(fā)生器發(fā)塵量為13 g/min，固定巷道風(fēng)速1 m/s。采用X形旋流壓力噴嘴展開(kāi)微納米氣泡強(qiáng)化噴霧降塵研究。圖3為X形旋流壓力噴嘴，噴嘴出口直徑為1.2 mm。其中，噴嘴供水水箱外接微納米氣泡發(fā)生器，如圖4所示。

圖1 微納米氣泡水微觀特性實(shí)驗(yàn)儀器Fig.1 Micro-nano bubble water micro-characteristics experimental instrument

圖2 噴霧降塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform for spray dust reduction

圖3 X形旋流壓力噴嘴Fig.3 X-shaped swirl pressure nozzle

圖4 微納米氣泡水Fig.4 Micro-nano bubble water

2 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)量微納米氣泡水的氣泡粒徑分布、Zeta電位、表面張力和接觸角，判定氣泡對(duì)煤塵的吸附能力及增強(qiáng)溶液的潤(rùn)濕性能。依據(jù)學(xué)者的研究，負(fù)氧離子能吸附、聚集和沉降空氣中的污染物，具有凈化空氣的作用[30]。因此，測(cè)定微納米氣泡水產(chǎn)生負(fù)氧離子數(shù)、霧滴粒徑及降塵效率。

第1組實(shí)驗(yàn)：采用LS13320 型激光衍射粒度分析儀測(cè)量微納米氣泡發(fā)生器充分發(fā)泡后不同時(shí)間間隔水中氣泡的粒徑分布，得出不同粒徑的氣泡在水中的存在時(shí)間。Zeta電位是一個(gè)表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，微納米氣泡表面能附著大量的氫氧根離子，對(duì)Zeta電位影響很大[31]。使用超純水作為溶劑潤(rùn)洗微納米氣泡發(fā)生器，開(kāi)啟微納米氣泡發(fā)生器待其穩(wěn)定后，立刻制備氣泡水樣品，采用納米粒徑電位分析儀測(cè)量樣品電位。制備10個(gè)氣泡水樣品，且各測(cè)量3次。

第2組實(shí)驗(yàn)：采用表面張力儀，使用吊片法，設(shè)置空調(diào)房溫度為25 ℃，待微納米氣泡發(fā)生器充分發(fā)泡后，分別測(cè)量1，4，7，10，13 min后微納米氣泡水溶液的表面張力。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量微納米氣泡水與實(shí)驗(yàn)煤片的接觸角，分別在0，5，10，15，25，35，45 min后進(jìn)行拍照記錄，測(cè)量不同時(shí)間間隔的接觸角，并在同一時(shí)刻設(shè)置自來(lái)水對(duì)照組。

第3組實(shí)驗(yàn)：設(shè)置供水壓力pL為2，3，4 MPa，分別使用自來(lái)水和微米氣泡水作為噴霧介質(zhì)，使用空氣負(fù)氧離子儀測(cè)量噴霧的負(fù)氧離子數(shù)目。每10 s記1個(gè)平均值，測(cè)量3 min內(nèi)霧場(chǎng)周圍負(fù)氧離子個(gè)數(shù)，研究微米氣泡水對(duì)霧場(chǎng)周圍環(huán)境的影響。設(shè)置X形旋流壓力噴嘴供水壓力為1，2，3，4，5 MPa，使用馬爾文實(shí)時(shí)高速噴霧粒度分析儀測(cè)量2種霧介質(zhì)噴嘴霧滴粒徑。設(shè)置X形旋流壓力噴嘴供水壓力為0.5，1，2 MPa，用濾膜稱重法，獲取2種噴霧介質(zhì)噴嘴降塵效率。采用LS13320 型激光粒度分析測(cè)量呼吸性粉塵占比，以此計(jì)算呼吸粉塵降塵效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 微納米氣泡水微觀特性

3.1.1 微納米氣泡粒徑分布

根據(jù)雷艷[32]研究表明氣泡粒徑能影響氣泡吸附細(xì)微顆粒物的能力，微納米氣泡能促進(jìn)水捕獲細(xì)顆粒物。圖5為微納米氣泡水隨時(shí)間的變化。微納米氣泡水從乳白色，逐漸澄清。大量的微米氣泡使水呈乳白色，氣泡逐漸上浮至水面破裂。隨著微納米氣泡水靜置時(shí)間增加，水中微米級(jí)的氣泡逐漸破滅。

圖5 微納米氣泡水隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of micro-nano bubble water with time

納米級(jí)的氣泡肉眼無(wú)法觀察，可通過(guò)丁達(dá)爾效應(yīng)檢驗(yàn)氣泡的存在。如圖6所示，當(dāng)激光通過(guò)澄清的微納米氣泡水顯現(xiàn)出一條特別明顯的光通路，而自來(lái)水卻未出現(xiàn)。激光通過(guò)不均勻媒質(zhì)，氣泡粒徑小于入射光波長(zhǎng)導(dǎo)致光的散射，部分光束被分散傳播，形成光通路。因此，可確定納米級(jí)的氣泡能長(zhǎng)時(shí)間存在于水中。

圖6 微納米氣泡水的丁達(dá)爾效應(yīng)Fig.6 Micro-nano bubble water tyndall effect

靜態(tài)條件下，用Stokes定律[33]來(lái)描述氣泡的上升速度，上升速度vp、氣泡直徑dp、氣體密度ρt、液體密度ρl和黏度μ的關(guān)系如式(1)所示:

(1)

式中，g為重力加速度。

圖7為微納米氣泡水靜置前后氣泡的粒徑分布。對(duì)比圖7發(fā)現(xiàn)靜置一段時(shí)間后，微納米氣泡水中微米級(jí)的氣泡基本破滅，基本符合Stokes定律，氣溶膠粒子在液體中的運(yùn)動(dòng)速度與其粒徑成正比。因此，直徑小的微米氣泡上浮至水面的時(shí)間比宏觀氣泡長(zhǎng)，在水中停留的時(shí)間較長(zhǎng)；直徑更小的納米氣泡體積小，則在水中做布朗運(yùn)動(dòng)，不上升至水面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合圖5和圖6，表明微納米氣泡能存在于水溶液中，可用于噴霧降塵。

圖7 氣泡的粒徑分布Fig.7 Size distribution of bubbles

3.1.2 微納米氣泡水Zeta電位

靜電雙電層在顆粒與氣泡、顆粒與顆粒之間的相互作用有關(guān)鍵作用，煤顆粒的Zeta電位絕對(duì)值越小則越易團(tuán)聚，反之則易分散。圖8為超純水和微納米氣泡水的Zeta電位。從圖8可知，超純水的Zeta電位介于-2.40～-5.81 mV，微納米氣泡水的Zeta電位介于-14.3～16.4 mV，表明微納米氣泡使水的電位發(fā)生改變。由于分散粒子表面帶有電荷能吸引周圍的異性離子，這些異性離子在兩相界面呈擴(kuò)散狀態(tài)分布，進(jìn)而形成擴(kuò)散雙電層。氣泡外積聚大量的氫氧根離子，外層擴(kuò)散氫離子及其他正號(hào)離子，有較強(qiáng)的活性。噴霧降塵過(guò)程中，微納米氣泡吸附于粉塵上，可減小煤顆粒的Zeta電位，使煤粒易于團(tuán)聚。

圖8 超純水和微納米氣泡水的Zeta電位Fig.8 Zeta potential of pure water and micro-nano bubbled water

3.1.3 微納米氣泡水接觸角及表面張力

一般用接觸角來(lái)評(píng)價(jià)粉塵的潤(rùn)濕性，不同類型的煤塵物理化學(xué)性質(zhì)不同，破碎后表面的特性不同。圖9為自來(lái)水和微納米氣泡水表面張力及接觸角。自來(lái)水經(jīng)過(guò)微納米氣泡發(fā)生器發(fā)泡為微納米氣泡水，表面張力從71.8 mN/m降至66.3 mN/m，降低了5.5 mN/m；與煤塵樣品的接觸角從87.38°降至82.80°，降低了4.58°。表明微納米氣泡水相對(duì)自來(lái)水更有利于潤(rùn)濕煤塵，微納米氣泡水的潤(rùn)濕性能較自來(lái)水強(qiáng)。

圖9 表面張力和接觸角Fig.9 Surface tension and contact angle

圖10為自來(lái)水和微納米氣泡水表面張力隨時(shí)間的變化規(guī)律。自來(lái)水經(jīng)過(guò)儀器發(fā)泡成為微納米氣泡水，表面張力明顯下降。隨著時(shí)間的推移，微納米氣泡水的表面張力逐漸接近原水的表面張力。表明氣泡水是個(gè)非穩(wěn)態(tài)體系，靜置時(shí)間逐漸增加，表面張力升高是紊亂的過(guò)程。根據(jù)圖7靜置前后氣泡粒徑分布，表明影響微納米氣泡水表面張力的主要因素是緩慢消失的微米級(jí)氣泡。隨著微米級(jí)氣泡的消失，表面張力逐漸恢復(fù)。

圖10 表面張力隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of contact angle with time

影響液滴接觸角的因素有液滴沾濕固體物質(zhì)向兩邊擴(kuò)散的能力、液滴浸潤(rùn)固體向固體內(nèi)部滲透的能力及液滴因熱力學(xué)抗蒸發(fā)的能力。圖11為自來(lái)水和微納米氣泡水的接觸角隨時(shí)間變化規(guī)律。隨接觸時(shí)間增加，微納米氣泡水的接觸角和自來(lái)水的接觸角均不斷減小。相同時(shí)刻，微納米氣泡水的接觸角均比自來(lái)水的接觸角小，且減小的速率更大。液滴與煤片接觸瞬間的接觸角主要受液

圖11 接觸角隨時(shí)間的變化Fig.11 Contact angle changes with time

3.2 微納米氣泡微水噴霧特性

3.2.1 微納米氣泡水負(fù)氧離子濃度

負(fù)氧離子是空氣中含氧負(fù)離子與若干個(gè)水分子結(jié)合形成的原子團(tuán)。空氣濕度較低的環(huán)境負(fù)氧離子濃度較低，一般每cm3空氣中只有幾百個(gè)。在噴霧降塵場(chǎng)所，空氣中彌漫著大量水分子，噴霧后霧場(chǎng)周圍負(fù)氧離子濃度顯著提升。圖12為不同工況下自來(lái)水和微納米氣泡水噴霧周圍的負(fù)氧離子濃度變化，MB表示微納米氣泡水，TW表示自來(lái)水。從圖12可知，隨著噴嘴供水壓力增加，自來(lái)水和微納米氣泡水周圍空氣中負(fù)氧離子濃度不斷上升。供水壓力相同，微米氣泡水產(chǎn)生的負(fù)氧離子濃度更高。由于隨著供水壓力增加，噴霧霧化程度更高，導(dǎo)致空氣相對(duì)濕度提升。同時(shí)，微納米氣泡爆破產(chǎn)生的能量沖擊霧滴使其失去電子，進(jìn)而霧滴主動(dòng)捕捉周圍電子成為負(fù)離子。因此，加入微納米氣泡可提高霧場(chǎng)周圍空氣的負(fù)氧離子濃度，有利于霧滴捕獲細(xì)小粉塵。

圖12 負(fù)氧離子濃度的變化 Fig.12 Changes in the concentration of negative oxygen ions

3.2.2 微納米氣泡水霧滴粒徑

表2為微納米氣泡水和自來(lái)水作為噴霧介質(zhì)對(duì)X形旋流壓力噴嘴霧滴粒徑的影響。由表2可知，X形旋流下微納米氣泡水的霧化效果明顯優(yōu)于自來(lái)水的霧化效果。供水壓力為2 MPa時(shí)，自來(lái)水噴霧D[3,2]為101.2 μm，微納米氣泡水噴霧D[3,2]減小至94.5 μm。微納米氣泡降低了水的表面張力，使水更易霧化，導(dǎo)致噴嘴霧滴粒徑減小。

表2 不同噴霧介質(zhì)的霧滴粒徑Table 2 Droplet size of different spray media

3.2.3 微納米氣泡水噴霧降塵

圖13為不同工況下微納米氣泡水和自來(lái)水的全塵和呼吸粉塵降塵效率。從圖13(a)中可知，供水壓力0.5 MPa時(shí)，微納米氣泡水作為噴霧介質(zhì)的降塵效率為52.56%，自來(lái)水作為噴霧介質(zhì)的降塵效率為47.9%，降塵效率提高了4.66%。微納米氣泡水的表面張力更小，改善了粉塵表面的親水性能，導(dǎo)致降塵效率增大。隨著噴嘴供水壓力增加，自來(lái)水和微納米氣泡水的降塵效率均增大。供水壓力增大，霧滴粒徑減小，水流量增大，導(dǎo)致降塵效率提高。供水壓力0.5 MPa降塵效率的增量大于1 MPa降塵效率的增量，供水壓力小而降塵效率的增量大。原因是供水壓力變化對(duì)X形旋流壓力噴嘴的霧化角、射程差影響較小。同時(shí)，噴嘴壓力過(guò)大，導(dǎo)致微納米氣泡提前破裂，影響氣泡擴(kuò)散。供水壓力2 MPa，水流量增多，水蒸氣分壓增大，在氣泡破裂、靜電力和吸附等共同作用下，降塵效率相對(duì)增長(zhǎng)率為8.81%。

圖13 全塵和呼吸性粉塵降塵效率Fig.13 Total dust and respiratory dust efficiency

圖13(b)表明微納米氣泡水的呼吸性粉塵降塵效率相對(duì)增長(zhǎng)率為11.92%～16.05%，呼吸性粉塵的降塵效率提升較明顯。比較2類水體，霧滴粒徑小，有利于捕獲呼吸性粉塵，但其霧滴粒徑差異不大。因此，微納米氣泡水噴霧呼吸性粉塵的降塵效率提升較明顯的原因有微納米氣泡水增大了環(huán)境的潤(rùn)濕程度，吸附和靜電力等的作用，空氣中的負(fù)氧離子等作用力。由圖13(b)可知，隨著供水壓力增加，2類水體呼吸性粉塵降塵效率的增長(zhǎng)率逐漸增大。供水壓力2 MPa時(shí)，與自來(lái)水相比微納米氣泡水降塵效率的相對(duì)增長(zhǎng)率為16.05%。隨著供水壓力增加，噴嘴流量不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)噴出微納米氣泡增多，增大了粉塵和霧滴的接觸表面積。微納米氣泡能有效地粘附、靜電力吸附或包裹呼塵并沉降。同時(shí)，隨著供水壓力增大，空氣中的負(fù)氧離子逐漸增多，有利于沉降細(xì)小顆粒物。微納米氣泡水沉降呼吸性粉塵更有效，沉降小顆粒物的效果優(yōu)于大顆粒物。

4 結(jié) 論

(1)微納米氣泡水呈乳白色，微米級(jí)的氣泡能短暫存在于水中，納米級(jí)的氣泡能長(zhǎng)期存在于水中。微納米氣泡水的Zeta電位介于-14.3～-16.4 mV，比超純水的Zeta電位高。

(2)微納米氣泡水比自來(lái)水潤(rùn)濕能力更強(qiáng)，且更易蒸發(fā)。微納米氣泡水的表面張力比自來(lái)水低5.5 mN/m，表面張力隨著微米級(jí)的氣泡破裂而逐漸增大。微納米氣泡水對(duì)焦煤顆粒的接觸角比自來(lái)水低4.58°。

(3)相對(duì)于自來(lái)水作為噴霧介質(zhì)，微納米氣泡水作為噴霧介質(zhì)提高了噴霧周圍負(fù)氧離子濃度。隨著供水壓力增加，2類水體的霧滴粒徑均減小，微納米氣泡水噴霧的霧滴粒徑比自來(lái)水小。與自來(lái)水相比，微納米氣泡水的全塵降塵效率相對(duì)增長(zhǎng)率為6.44%～9.73%，呼吸性粉塵降塵效率相對(duì)增長(zhǎng)率為11.92%～16.05%，微納米氣泡強(qiáng)化呼吸性粉塵降塵更加明顯。