磁性活化水技術(shù)霧化性能及降塵效果研究

平 原，葛少成，孫麗英，劉 碩，陳 曦，龐星宇，荊德吉，陳景序

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

濕式除塵技術(shù)是煤礦最為普遍應(yīng)用的一種方法[1-5]。其中，噴霧除塵由于安裝簡(jiǎn)單、成本便宜及安全性好等優(yōu)點(diǎn)，被煤礦當(dāng)作主要防塵措施[6]。然而自來水的表面張力普遍較大，潤(rùn)濕性能也較差，影響液滴破碎效果和噴霧降塵效率。因此，磁性活化水降塵技術(shù)被提出，該技術(shù)對(duì)于提高噴霧降塵效率具有重大意義[7，8]。

目前，大量學(xué)者對(duì)磁性活化水降塵技術(shù)進(jìn)行了大量研究[9，10]。楊樹瑩等[11]通過對(duì)不同的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，制備出一種環(huán)保高效的結(jié)殼型抑塵劑，具有良好的抗風(fēng)蝕性，提高了對(duì)細(xì)顆粒物的抑塵效率。曾康生等[12]對(duì)大量的表面活性劑進(jìn)行優(yōu)選，設(shè)計(jì)了復(fù)配高效降塵濕潤(rùn)劑實(shí)驗(yàn)方案，復(fù)配出一種潤(rùn)濕性能很好的降塵濕潤(rùn)劑，且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用降塵效率高達(dá)91%。很多學(xué)者對(duì)磁化水的應(yīng)用也進(jìn)行了大量研究，由于操作方便和經(jīng)濟(jì)成本低磁化裝置被廣泛應(yīng)用與多個(gè)行業(yè)[13]。聶百勝等[14]通過表面張力和接觸角實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁化強(qiáng)度和磁化時(shí)間對(duì)顆粒潤(rùn)濕效果影響較大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用應(yīng)根據(jù)具體條件選擇最適合的磁化參數(shù)。張園園等[15]通過顆粒長(zhǎng)大實(shí)驗(yàn)，使磁化水替代普通水條件，顆粒長(zhǎng)大粒徑有很大提高，驗(yàn)證了磁化水促進(jìn)顆粒水霧凝結(jié)長(zhǎng)大的觀點(diǎn)。秦波濤等[16]將磁化水方法與表面活性劑結(jié)合使用，研發(fā)了一套高效磁化裝置和一種增效活性添加劑，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明磁化表面活性劑降塵效果穩(wěn)定良好，降塵效率提高31.79%。但通過分析前人的研究成果發(fā)現(xiàn)，磁化水本身的降塵效果受限，很難進(jìn)一步提高；磁化水接觸角和表面張力表現(xiàn)的多極值增減變化規(guī)律還是一個(gè)未完全解決的問題；磁化技術(shù)的控制能力不理想，有必要對(duì)磁化方式、時(shí)間、強(qiáng)度等開展進(jìn)一步的研究。為此，本文復(fù)配出一種高效表面活性劑，通過循環(huán)磁化水制備系統(tǒng)得到磁化水和磁化復(fù)配溶液，對(duì)水、磁化水、復(fù)配表面活性劑和磁化復(fù)配溶液的接觸角、表面張力、霧化性能和降塵效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，確定了磁化參數(shù)、磁處理方式、溶液種類等最佳實(shí)驗(yàn)條件，得到最優(yōu)降塵方案。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

實(shí)驗(yàn)所用煤樣為山西晉中市鑫鼎泰煤礦煙煤，實(shí)驗(yàn)用水為自來水，實(shí)驗(yàn)選用4種表面活性劑的信息，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)表面活性劑信息

實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)新帕泰克HELOS/R實(shí)時(shí)噴霧激光粒度分析儀和自行構(gòu)建的多級(jí)磁化水循環(huán)裝置。激光粒度儀用于霧滴粒徑的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)包括空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓閥、儲(chǔ)水箱、超音速虹吸噴嘴和激光粒度儀。多級(jí)磁化水循環(huán)裝置用于磁化水的制備，包括臥式離心泵、智能電磁流量計(jì)、FSCN-DN25磁化水裝置和儲(chǔ)水箱，如圖1所示。另外還有粉塵浸潤(rùn)性測(cè)試儀、接觸角測(cè)量?jī)x和模擬巷道，模擬巷道為可拼接透明巷道箱體，包括變頻風(fēng)機(jī)、HRH-DAG768智能粉塵發(fā)生裝置、全自動(dòng)粉塵測(cè)定儀，可進(jìn)行噴霧降塵實(shí)驗(yàn)。

圖1 多級(jí)磁化水循環(huán)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)采用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量仲烷基磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚7、月桂基烷基糖苷降低接觸角的能力，分別配制質(zhì)量濃度為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的溶液，對(duì)比分析不同濃度溶液的接觸角數(shù)據(jù)，將效果最佳的陰離子和非離子表面活性劑按照體積比為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1進(jìn)行復(fù)配，通過對(duì)比不同體積比溶液的接觸角和潤(rùn)濕時(shí)間，尋找最優(yōu)復(fù)配方法。

2)外加磁場(chǎng)磁化參數(shù)的確定。外加磁場(chǎng)對(duì)水樣的影響實(shí)驗(yàn)在自行構(gòu)建磁化水循環(huán)裝置中進(jìn)行，主要通過磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的FSCN-DN25磁化水裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定合適的磁化時(shí)間和磁化強(qiáng)度。將水桶、臥式離心泵、電磁流量計(jì)、磁化裝置通過管道相連接，啟動(dòng)水泵，固定水流速度為最佳流速4m/s，根據(jù)流量公式Q=V·S在電磁流量計(jì)上讀取流量為7.065m3/h，實(shí)驗(yàn)按照兩種磁化方式進(jìn)行：①連接3000Gs磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁化裝置時(shí)，對(duì)水樣分別進(jìn)行10min、20min、30min、40min、50min、60min的循環(huán)磁化處理。②在20min磁化時(shí)間處理下，對(duì)水樣分別進(jìn)行1500Gs、2000Gs、2500Gs、3000Gs、3500Gs、4000Gs、4500Gs、5000Gs的磁場(chǎng)強(qiáng)度處理。測(cè)定不同磁化強(qiáng)度、磁化時(shí)間下的溶液表面張力、接觸角，重復(fù)3次測(cè)量，取其平均值。

3)表面張力、接觸角的測(cè)量。啟動(dòng)接觸角/表面張力測(cè)量?jī)x，打開控制該儀器的測(cè)量軟件，將所測(cè)溶液吸入微量進(jìn)樣器中，使樣品升降平臺(tái)位于軟件窗口中央位置，進(jìn)行相機(jī)對(duì)焦，平臺(tái)正中心放置已制好的煤樣，點(diǎn)擊滴液或連續(xù)滴液按鈕，待測(cè)液滴即將接觸煤樣的時(shí)候按下拍攝按鈕，抓拍液滴與煤樣接觸瞬間，軟件自動(dòng)計(jì)算所拍圖像的接觸角、表面張力。對(duì)同一溶液測(cè)量3次，取其均值作為該溶液的接觸角、表面張力。

4)霧滴粒徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過調(diào)壓閥控制氣泵的氣壓恒為0.4MPa，使用孔徑1.0mm的超音速虹吸噴嘴，選擇噴嘴水平線30、60、90cm處作為霧滴粒徑的測(cè)量距離，實(shí)時(shí)噴霧激光粒度分析儀計(jì)算、處理粒度分布數(shù)據(jù)、顯示結(jié)果并打印報(bào)告，最后對(duì)比分析水、磁化水、復(fù)配活性劑、磁化復(fù)配溶液在超音速虹吸噴嘴下的不同霧化效果。

2 磁性活化水制備實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面活性劑單體優(yōu)選及復(fù)配

不同濃度溶液的接觸角測(cè)量結(jié)果如圖2所示。隨著溶液濃度的增加，四種活性劑的接觸角變化規(guī)律為：先大幅度減小，在濃度達(dá)到臨界值0.1%，后呈現(xiàn)平緩減小趨勢(shì)。接觸角越小則說明表面活性劑對(duì)煤樣的潤(rùn)濕性越佳[17]。從圖中可明顯看出，陰離子活性劑SAS-60接觸角遠(yuǎn)小于SDDS，說明SAS-60對(duì)煤樣潤(rùn)濕性能高于SDDS；非離子活性劑AEO-7接觸角遠(yuǎn)小于APG12/14，說明AEO-7對(duì)煤樣潤(rùn)濕性能高于APG12/14；因此，復(fù)配研究材料選擇陰離子表面活性劑SAS-60和非離子表面活性劑AEO-7。

圖2 不同濃度活性劑溶液接觸角的變化曲線

SAS-60及AEO-7潤(rùn)濕時(shí)間如圖3所示，單體SAS-60溶液的潤(rùn)濕時(shí)間在溶液質(zhì)量濃度 0.4%時(shí)趨于最小值，后隨著濃度的增長(zhǎng)保持相對(duì)穩(wěn)定；AEO-7溶液質(zhì)量濃度在0.5%之前，潤(rùn)濕時(shí)間遞減速率遠(yuǎn)大于AEO-7溶液濃度為0.5%后的遞減速率。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，表面活性劑溶液所需最佳質(zhì)量濃度分別為0.4%和0.5%。

圖3 SAS-60及AEO-7潤(rùn)濕時(shí)間

選擇SAS-60：AEO-7體積比為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1進(jìn)行復(fù)配，復(fù)配結(jié)果如圖4所示，體積比為7∶3的復(fù)配溶液接觸角最小，潤(rùn)濕時(shí)間最短，對(duì)煤塵的潤(rùn)濕效果最好。

圖4 不同比例復(fù)配活性劑的接觸角和潤(rùn)濕時(shí)間

2.2 磁化參數(shù)研究

磁化水技術(shù)主要使用物理方法提高溶液的潤(rùn)濕能力[18]，但降塵效率在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)一步提高，本實(shí)驗(yàn)對(duì)自來水、復(fù)配活性劑增添外加磁場(chǎng)，尋找最佳磁化參數(shù)。其接觸角、表面張力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增減變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)接觸角、表面張力的影響

自來水、復(fù)配活性劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性能通過不同磁場(chǎng)受到不同程度的影響。從圖5可以看出：在不同磁化強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)條件下，溶液的接觸角呈現(xiàn)多極值增減變化、非線性增長(zhǎng)，表明接觸角、表面張力數(shù)值并不是磁化強(qiáng)度越大越好[19]。由于氫鍵的不斷形成和破壞所需的活化能較小，具有靈活性和易變性，在磁場(chǎng)強(qiáng)度不斷地變化下，溶液內(nèi)部水分子之間和分子內(nèi)部連續(xù)運(yùn)動(dòng)，氫鍵的形成和斷裂也會(huì)持續(xù)進(jìn)行。接觸角、表面張力在某范圍達(dá)到谷值時(shí)，磁化強(qiáng)度繼續(xù)增加，導(dǎo)致氫鍵易于靈活地形成，而生成氫鍵來?yè)p耗體系的能量，導(dǎo)致液體的表面張力和接觸角再次增大。所以會(huì)出現(xiàn)頻頻增減接觸角、表面張力的情況。

隨著磁化強(qiáng)度3000～4000Gs多級(jí)增加，自來水接觸角明顯減小，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在外加磁場(chǎng)4000Gs處取得最小值。自來水的表面張力也在4000Gs處達(dá)到最小，此時(shí)磁化效果最佳，相比磁化前有較大變化。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是由于水以一定流速經(jīng)過優(yōu)化磁場(chǎng)，氫鍵發(fā)生斷裂，水分子締合體分解，分子間吸引力隨之減小，使水分子礦物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，大大增加了水對(duì)煤塵的溶解性和潤(rùn)濕性。

整體來看，磁化復(fù)配活性劑的接觸角和表面張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于磁化水。主要因?yàn)樽詠硭淮呕?，接觸角和表面張力有一定程度上的降低，但很難進(jìn)一步減少。而表面活性劑本身可以大幅度降低接觸角和表面張力，與此同時(shí)溶液流經(jīng)磁場(chǎng)也會(huì)被磁化，復(fù)配表面活性劑與磁場(chǎng)共同作用，就能夠提高溶液的潤(rùn)濕能力[20]。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，復(fù)配溶液的接觸角上下明顯波動(dòng)，呈多極值增減變化趨勢(shì)，在磁化強(qiáng)度4000Gs獲得最小值；而表面張力有微弱的變化，可確定4000Gs為最佳磁化強(qiáng)度。

自來水、復(fù)配活性劑兩種溶液經(jīng)過10min、20min、30min、40min、50min、60min的磁化時(shí)間進(jìn)行接觸角、表面張力的測(cè)量，如圖6所示。

圖6 磁化時(shí)間對(duì)接觸角、表面張力的影響

秦波濤等研究表明經(jīng)過磁場(chǎng)的水流速度也會(huì)影響磁化效果的好壞，發(fā)現(xiàn)4m/s的流速經(jīng)過磁場(chǎng)磁化效果最佳[21]，因此，本實(shí)驗(yàn)控制流速為4m/s。增加磁化時(shí)間，水多次進(jìn)入磁場(chǎng)循環(huán)磁化，連續(xù)切割磁感線，使水性質(zhì)發(fā)生變化；又由于本磁化裝置內(nèi)部為螺旋擾流磁場(chǎng)，磁感線分布更加集中，對(duì)水的磁化效果更佳，因此一定磁化時(shí)間的溶液能夠改善磁化效果。本實(shí)驗(yàn)自來水在10～60min的磁化時(shí)間后，接觸角呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。復(fù)配活性劑的接觸角在磁化時(shí)間10～40min內(nèi)變化平緩，磁化50min時(shí)溶液出現(xiàn)最小接觸角，隨后又繼續(xù)增大。兩種溶液的表面張力隨磁化時(shí)間的變化而輕微浮動(dòng)，由上實(shí)驗(yàn)可確定最佳磁化時(shí)間為50min。

2.3 霧化效果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用氣泵給予一定壓力，將溶液送至超音速虹吸噴嘴，由于液體發(fā)生繁雜的破碎變化霧化成細(xì)小液滴，根據(jù)“水霧顆粒與塵埃顆粒大小相近時(shí)吸附、過濾、凝結(jié)的幾率最大”理論，能夠達(dá)到高效噴霧除塵的目的。實(shí)驗(yàn)采用激光粒度分析儀，對(duì)比分析水、磁化水、復(fù)配活性劑、磁化復(fù)配溶液對(duì)霧滴粒徑的影響程度。VMD值即為相應(yīng)距離處不同溶液的體積平均粒徑如圖7所示。

圖7 不同溶液霧滴粒徑VMD測(cè)試結(jié)果

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出：溶液類別不同，VMD值也發(fā)生了明顯的變化。30cm、60cm、90cm處溶液的VMD值大小排序?yàn)椋核⒋呕?、?fù)配活性劑、磁化復(fù)配溶液，水的VMD值最大，磁化復(fù)配溶液的VMD值最小，表明磁化復(fù)配的協(xié)同霧化粒徑最小。霧滴粒徑越小，霧化性能越佳。由于磁化水技術(shù)使原有溶液中水分子氫鍵斷裂，水分子締合體分離為較小的締合水分子，磁場(chǎng)與復(fù)配活性劑的協(xié)同作用大大減小水的表面張力，使得溶液通過噴嘴破碎更完全，降低霧滴的體積平均粒徑，小粒徑液滴分布更廣泛，使霧化性能更好。

3 噴霧降塵模擬實(shí)驗(yàn)效果分析

分別采用原有噴霧降塵措施、磁化水噴霧降塵措施、復(fù)配活性劑噴霧降塵措施和磁化復(fù)配劑噴霧降塵措施對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬巷道內(nèi)的粉塵進(jìn)行沉降處理，選取CCHZ-1000全自動(dòng)粉塵濃度測(cè)定儀測(cè)粉塵的濃度，并對(duì)比分析上述四種降塵措施的降塵效果，實(shí)驗(yàn)室模擬巷道工作面如圖8所示。

圖8 模擬巷道工作面

不同降塵措施下粉塵的降塵效率如圖9所示，由圖9可知，磁化活性噴霧技術(shù)的全塵降塵效率達(dá)到87.2%，呼塵降塵效率達(dá)到79.8%，相比純水、磁化水、復(fù)配活性劑噴霧降塵技術(shù)，很大程度提高了對(duì)粉塵的降塵效率。使用不同的降塵技術(shù)，全塵和呼塵濃度發(fā)生不同程度的變化。全塵的整體降塵效果好于呼塵，由于噴霧降塵技術(shù)采用后，粗顆粒粉塵更易被霧滴捕獲，微小顆粒隨氣流繞過霧滴不易碰撞。同時(shí)粗顆粒粉塵本身比微小顆粒更易降落，微小塵粒懸浮在巷道空間內(nèi)，需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間才能沉降。

圖9 不同降塵措施對(duì)粉塵降塵效率對(duì)比

為了更加直觀表示磁化活性噴霧技術(shù)的顯著降塵效果，將原有噴霧降塵技術(shù)與磁化活性噴霧降塵技術(shù)治理粉塵后的巷道環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。原有噴霧技術(shù)降塵后粉塵仍大量彌散在巷道中，而采用磁化活性噴霧技術(shù)的巷道環(huán)境更加明晰，表明磁化活性噴霧技術(shù)降塵效果更好，全塵和呼塵的降塵效率得到大大提高，證實(shí)了以上實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)改善煤礦工作環(huán)境具有重大意義。

圖10 原有技術(shù)與磁化活性噴霧降塵技術(shù)后的模擬巷道環(huán)境

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

韓家洼煤礦綜掘工作面長(zhǎng)度800 m、寬度5m、采高2.7m，采用EBZ型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作，使用原降塵技術(shù)作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)降塵效果不佳。依據(jù)本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，采用磁性活化噴霧降塵技術(shù)進(jìn)一步降低現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度，將復(fù)配表面活性劑加入水中，攪拌均勻形成溶液，經(jīng)過磁化循環(huán)管道將其磁化，提高壓力后輸送到工作面進(jìn)行噴霧除塵。在綜掘機(jī)截割頭和掘進(jìn)機(jī)主體后5m處安裝噴嘴，形成綜掘機(jī)截割頭全覆蓋噴霧和防塵凈化霧幕，該霧幕位置在切割點(diǎn)10～20m之間，用來抑制粉塵的產(chǎn)生和擴(kuò)散。磁性活化噴霧降塵系統(tǒng)布置如圖11所示。

圖11 磁性活化噴霧降塵系統(tǒng)布置

此次選取了綜掘機(jī)掘進(jìn)端面切割煤巖處作為參考點(diǎn)，測(cè)試了該端面位置間隔距離10m、20m的粉塵濃度。采用CCHZ-1000全自動(dòng)粉塵測(cè)定儀，采樣時(shí)間設(shè)置為5min，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量，取平均值，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 掘進(jìn)端面10m和20m處粉塵濃度測(cè)量結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，磁性活化水噴霧技術(shù)在10m處測(cè)量點(diǎn)的全塵和呼塵降塵效率高達(dá)87.64%和82.05%，20m處測(cè)量點(diǎn)的全塵和呼塵降塵效率高達(dá)89.17%和87.33%，磁性活化噴霧降塵技術(shù)大幅提高了工作面的降塵效率，有效改善了工作面的作業(yè)環(huán)境，該技術(shù)可作為粉塵治理措施進(jìn)行推廣實(shí)施。

5 結(jié) 論

1)通過表面活性劑單體優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，從中選取SAS-60和AEO-7進(jìn)行復(fù)配。當(dāng)復(fù)配溶液SAS-60和AEO-7質(zhì)量濃度為0.4%和0.5%，體積比為7∶3時(shí)，復(fù)配溶液接觸角最小，潤(rùn)濕時(shí)間最短，對(duì)煤塵的潤(rùn)濕效果最好。

2)水溶液進(jìn)行磁化后對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性有一定的影響。磁感應(yīng)強(qiáng)度4000Gs磁化時(shí)間50min為本實(shí)驗(yàn)的最佳磁化參數(shù)，此時(shí)溶液的表面張力、接觸角降低幅度最大，煤塵的潤(rùn)濕性能得到了大幅度的提高。

3)通過水、磁化水、復(fù)配活性劑、磁化復(fù)配溶液對(duì)霧化效果的影響程度進(jìn)行對(duì)比分析，得到磁化復(fù)配溶液在噴嘴口處水平線30cm、60cm、90cm處的VMD值是最小的，表明磁化復(fù)配的協(xié)同霧化粒徑最小，霧化性能最佳。

4)模擬巷道噴霧降塵實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，磁化活性噴霧降塵技術(shù)的降塵效率最高，全塵降塵效率均高達(dá)87%以上，呼塵降塵效率均高達(dá)79.8%以上，相比非磁化水噴霧降塵技術(shù)，很大程度提高了對(duì)粉塵的降塵效率。