摘要:

粉塵易引發(fā)爆炸事故和人員塵肺病，水霧是應(yīng)用最廣泛的降塵介質(zhì)，但由于對塵?霧接觸后的附著狀態(tài)缺乏科學(xué)認(rèn)識，噴霧降塵率增長面臨瓶頸。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法，研究了微米尺度下的霧滴?塵粒碰撞行為，得出了塵粒表面液體附著量與4類碰撞行為之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示，降低霧滴表面張力和接觸角在低速碰撞有利于避免“反彈”行為發(fā)生，也有利于在“膜狀飛濺”行為發(fā)生時(shí)增大塵粒表面的液體附著量。但是，降低霧滴表面張力和接觸角也會降低霧滴發(fā)生破裂的臨界碰撞速度，導(dǎo)致發(fā)生“完整并聚”行為的速度范圍縮小，對降塵效果有不利影響。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)降低霧滴粒徑和增大霧滴黏度均有利于增大塵?霧碰撞過程中黏性摩擦損失，從而抑制“反彈”行為和霧滴破裂現(xiàn)象發(fā)生，有利于增大塵?霧作用后塵粒表面的液體附著量，含0.329%質(zhì)量分?jǐn)?shù)高分子成分R1001的液滴連續(xù)碰撞固體顆粒時(shí)，顆粒表面液體殘留量比純水液滴碰撞的情況可提高至少10倍，所以在水中添加增稠成分可顯著提升粉塵增重、沉降效果。上述發(fā)現(xiàn)可為新型降塵劑開發(fā)提供新思路，也可為噴霧降塵工況參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐。

粉塵污染問題在我國礦物開采與加工、木料紡織品加工、橡膠與塑料制品加工，農(nóng)副產(chǎn)品加工、金屬制品加工等行業(yè)廣泛存在。粉塵能引起嚴(yán)重爆炸事故和人員塵肺病。截至2022年，我國累計(jì)報(bào)告的職業(yè)性塵肺病多達(dá)92.3萬例，死亡率高達(dá)22.04%。在真實(shí)生產(chǎn)場景中，產(chǎn)塵區(qū)域往往具有產(chǎn)塵點(diǎn)分布范圍廣、塵源難封閉、降塵裝置安裝空間受限、防爆要求高的特點(diǎn)，限制了部分大體積除塵裝備的應(yīng)用。噴霧降塵技術(shù)具有成本低、布置靈活、噴頭體積小、本質(zhì)安全等優(yōu)勢，是粉塵污染場所使用最廣泛的降塵技術(shù)之一。但是，在塵源難封閉的場景下，噴霧降塵技術(shù)的降塵率通常僅為40%～60%。提升噴霧降塵率對于治理生產(chǎn)實(shí)際中的粉塵污染問題具有重要意義。

造成水霧降塵率偏低的主要原因分為2方面，一是離散狀態(tài)的霧滴與塵粒接觸概率較低，二是塵?霧接觸后附著、增重效果不佳。在提升塵?霧接觸概率方面，可通過降低霧滴粒徑、增大空間霧密度及粉塵密度的方法實(shí)現(xiàn)。而在提升塵?霧附著效果方面，則需從微米尺度闡明塵?霧碰撞工況條件對最終附著特性的影響機(jī)理。然而，現(xiàn)有的大量研究主要依據(jù)宏觀尺度降塵實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)固?液濕潤實(shí)驗(yàn)來間接推斷塵?霧黏附效果，對微米尺度塵?霧動態(tài)作用特性認(rèn)識不清，導(dǎo)致不同學(xué)者提出的噴霧技術(shù)革新方向存在明顯分歧。例如，一些學(xué)者主張通過降低表面張力、增大霧滴速度來避免塵?霧作用后發(fā)生“反彈”行為，從而提升粉塵與水霧作用后的附著和增重效果。然而，另一些學(xué)者卻認(rèn)為表面張力過低、霧滴速度過快會導(dǎo)致塵?霧作用時(shí)霧滴破裂并脫離粉塵，進(jìn)而使粉塵表面液體附著量降低。一些專家指出降低霧滴粒徑有利于增大塵?霧接觸概率，但也有研究顯示霧滴粒徑過小會導(dǎo)致霧滴難以完整包裹塵粒。雖然目前噴霧降塵領(lǐng)域的共識是存在一個(gè)最佳捕塵霧滴粒徑范圍，但不同研究團(tuán)隊(duì)提出的最佳捕塵霧滴粒徑范圍尚不統(tǒng)一。還有學(xué)者指出增大霧滴黏度有利于提升塵?霧附著效果，但是液體黏度塵?霧動態(tài)碰撞過程尚不明確。上述爭議導(dǎo)致降塵水霧的粒徑、速度、表面張力、黏度等參數(shù)的最優(yōu)范圍不明確，難以為高效降塵提供理論指導(dǎo)。

針對上述問題，筆者將通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究微米尺度下霧滴與塵粒的作用過程，分析粒徑、速度、表面張力、黏度四重因素對塵?霧附著效果的影響，以及揭示塵?霧碰撞行為規(guī)律，為噴霧降塵技術(shù)革新提供理論支撐。真實(shí)的塵?霧碰撞過程涉及風(fēng)流干擾、塵粒形狀差異、塵粒表面特性不均勻、偏心碰撞等復(fù)雜條件，但是目前在理想條件下單顆粒霧滴?塵粒作用時(shí)的附著規(guī)律尚未被前人研究透徹，繞過簡單碰撞場景而研究更復(fù)雜的碰撞場景是不現(xiàn)實(shí)的。因此，筆者僅在對心碰撞場景下開展研究且不考慮風(fēng)流干擾、塵粒形狀差異、塵粒表面特性不均勻、偏心碰撞等條件，研究成果可為后續(xù)研究更復(fù)雜條件下的塵?霧作用過程奠定基礎(chǔ)。

1.實(shí)驗(yàn)裝置、材料及工況布置

1.1塵?液碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

為確保每次實(shí)驗(yàn)保持一致，實(shí)驗(yàn)采用電自動微量注射器產(chǎn)生大小一致的實(shí)驗(yàn)液滴，并通過調(diào)節(jié)不同高度的注射器來改變液滴?顆粒碰撞速度。為防止環(huán)境氣流對液滴軌跡的影響，在注射器下方設(shè)置了一個(gè)空心圓筒。在三軸光學(xué)平臺上設(shè)置了樣品顆粒支座，利用EVA熱熔膠將樣品顆粒固定在支座的金屬支撐絲上。顆粒的位置可通過三軸光學(xué)平臺進(jìn)行調(diào)整。使用了Phantom VEO410L高速相機(jī)(Vision Research公司)對碰撞過程進(jìn)行捕捉拍攝。相機(jī)和光源分別位于樣品顆粒的兩側(cè)。相機(jī)的拍攝頻率設(shè)定為2 000 fps，圖像分辨率為1280×800像素。

圖1液滴?顆粒碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

1.2實(shí)驗(yàn)樣品特性分析與選擇

由于固、液兩相的表面特性會顯著影響固?液接觸角，從而影響液滴與顆粒的碰撞行為，筆者通過實(shí)驗(yàn)測量和文獻(xiàn)分析，對比了固、液特性的變化對接觸角的影響。表1列出了測量固、液特性時(shí)所使用的具體儀器及添加劑。表2給出了不同固體和液體樣品的接觸角、表面張力和黏度。其中高度疏水固體ST1與不同液體接觸角通過實(shí)測得出，中度疏水固體ST2和親水固體ST3的測量數(shù)據(jù)來自ZHU等的研究。對比后發(fā)現(xiàn)，前進(jìn)接觸角α明顯大于后退接觸角β，所以在分析塵?霧濕潤特性時(shí)應(yīng)考慮前進(jìn)角和后退角的差異。

表1實(shí)驗(yàn)材料以及測量儀器

表2不同類型液體與固體的濕潤特性

1.3連續(xù)碰撞實(shí)驗(yàn)的工況設(shè)置

為了分析液體表面張力及黏度變化對固液黏附效果的影響，筆者按表3中設(shè)定的工況條件進(jìn)行了液滴?顆粒連續(xù)碰撞實(shí)驗(yàn)。當(dāng)韋伯?dāng)?shù)(We)達(dá)到500時(shí)，固?液碰撞時(shí)會發(fā)生膜狀飛濺現(xiàn)象。為了觀測改變液滴表面張力及黏度后是否顯著增大顆粒表面的液體附著量，筆者將對照組的碰撞韋伯?dāng)?shù)設(shè)置大于500，當(dāng)碰撞發(fā)生后使對照組顆粒樣品表面僅附著少量液體。

表3驗(yàn)證液滴黏度影響的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

因此，碰撞速度v0設(shè)為3 m/s，液滴直徑dd設(shè)為4 mm。v0的大小通過液滴顆粒之間的豎直高度來設(shè)定，具體計(jì)算式為v0=√￣2gH，其中g(shù)為重力加速度，H為豎直高度，數(shù)值為40 cm。由于實(shí)驗(yàn)誤差，v0測量值為3.1 m/s,dd測量值為3.93±0.1 mm。詳細(xì)的條件參數(shù)設(shè)置見表3。使用高速攝像機(jī)記錄樣品顆粒上剩余的附著液體量。