微納米氣泡強化噴霧降塵試驗研究

王鵬飛，鄔高高，袁新虎，江玖鴻，陳世強，李石林

(1.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害治理安全生產實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

依據衛健委發布的數據，2021年全國共報告各類職業病新病例15 407例。其中，職業性塵肺病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采行業[1-2]。因此，煤炭開采過程中粉塵依舊是重要的職業危害因素[3]。降低作業場所粉塵質量濃度的措施有多種，噴霧降塵因其操作簡單、安裝方便等特點廣泛應用于煤礦現場[4-5]。傳統的噴霧降塵技術以水為潤濕粉塵的介質[6]。由于水的表面張力大及煤的表面疏水性高，導致水潤濕、黏附煤粉的效果差，噴霧降塵效果不理想[7-9]。

近年來，如何增強水潤濕煤粉的性能，進而提高噴霧降塵效率成為研究的熱點。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性質[10-12]。表面活性劑種類繁多、價格偏高，且可能導致生產場所二次污染等問題[13]。同時，水中添加表面活性劑會大幅增加降塵成本，部分表面活性劑有腐蝕作用，易引發機械設備故障[14]。因此，水中添加表面活性劑雖然能提高噴霧降塵效率，但其適用場所有限。筆者查閱到環保領域的新興技術(微納米氣泡技術)可與噴霧降塵技術相結合[15-17]。微納米氣泡通過微納米氣泡發生器產生，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水分子的形態，使水和微納米氣泡水的物理界面性質不同[19-20]。目前，微納米氣泡技術主要用于污水處理[21]、表面清洗[22]、礦物浮選[23]、廢氣治理[24]等領域，與粉塵防治相關的研究鮮有報道，但學者研究表明微納米氣泡可改善溶液的潤濕性能[25-27]。TAKAHIRO Ishizaki等[28]對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濕性能。邢耀文等[29]研究發現納米級的氣泡非常穩定，能吸附于顆粒物表面，微納米氣泡橋接的毛細管力有利于顆粒物的凝結。

上述研究表明微納米氣泡的特性有助于噴霧降塵，微納米氣泡對環境無污染，適用于噴霧降塵技術。生產微納米氣泡的材料僅為空氣和水，無需增加降塵材料成本。因此，筆者通過實驗研究微納米氣泡水的物理化學性質及其對焦煤的潤濕性能。在此基礎上，通過自行設計的噴霧降塵實驗平臺，研究微納米氣泡強化噴霧降塵的機理。

1 實驗樣品及儀器

實驗所用焦煤煤樣取自山西萬峰煤礦，煤樣的空氣干燥基揮發分大于10%，煤樣揮發分物質較多，且難以被液體潤濕。實驗煤塵樣品的工業分析和特征粒徑見表1。

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

生產微納米氣泡的儀器為ZJC-NM-02型微納米氣泡發生器，測量微納米氣泡微觀特性及其潤濕性能所使用的實驗儀器如圖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量Zeta電位；CA100B接觸角測量儀可對采集圖片二值化處理，全自動計算接觸角；YP-24粉末壓片機是手動粉末壓片機，壓力范圍0～34 MPa；K20表面張力儀測量表面張力的半自動儀器，測量表面張力是基于測量配件的潤濕作用力；KEC 900+Ⅱ智能空氣負氧離子檢測儀測量空氣中的負離子，可測量2億個/cm3范圍內負氧離子濃度。噴霧降塵實驗平臺如圖2所示，平臺主要由模型巷道、供水系統及圖示的儀器設備組成。巷道模型主體段長度為30 m，其中噴霧段長度為10 m，巷道斷面為矩形，規格為60 cm×60 cm。實驗平臺噴霧降塵部分由透明有機玻璃加工而成，透明有機玻璃便于噴嘴噴霧效果觀測及霧滴粒度的測量，其他部分均由不銹鋼板材制作。發生器發塵量為13 g/min，固定巷道風速1 m/s。采用X形旋流壓力噴嘴展開微納米氣泡強化噴霧降塵研究。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生器，如圖4所示。

圖1 微納米氣泡水微觀特性實驗儀器Fig.1 Micro-nano bubble water micro-characteristics experimental instrument

圖2 噴霧降塵實驗平臺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 實驗方案

測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，判定氣泡對煤塵的吸附能力及增強溶液的潤濕性能。依據學者的研究，負氧離子能吸附、聚集和沉降空氣中的污染物，具有凈化空氣的作用[30]。因此，測定微納米氣泡水產生負氧離子數、霧滴粒徑及降塵效率。

第1組實驗：采用LS13320 型激光衍射粒度分析儀測量微納米氣泡發生器充分發泡后不同時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間。Zeta電位是一個表征分散體系穩定性的重要指標，微納米氣泡表面能附著大量的氫氧根離子，對Zeta電位影響很大[31]。使用超純水作為溶劑潤洗微納米氣泡發生器，開啟微納米氣泡發生器待其穩定后，立刻制備氣泡水樣品，采用納米粒徑電位分析儀測量樣品電位。制備10個氣泡水樣品，且各測量3次。

第2組實驗：采用表面張力儀，使用吊片法，設置空調房溫度為25 ℃，待微納米氣泡發生器充分發泡后，分別測量1，4，7，10，13 min后微納米氣泡水溶液的表面張力。通過接觸角測量儀測量微納米氣泡水與實驗煤片的接觸角，分別在0，5，10，15，25，35，45 min后進行拍照記錄，測量不同時間間隔的接觸角，并在同一時刻設置自來水對照組。

第3組實驗：設置供水壓力pL為2，3，4 MPa，分別使用自來水和微米氣泡水作為噴霧介質，使用空氣負氧離子儀測量噴霧的負氧離子數目。每10 s記1個平均值，測量3 min內霧場周圍負氧離子個數，研究微米氣泡水對霧場周圍環境的影響。設置X形旋流壓力噴嘴供水壓力為1，2，3，4，5 MPa，使用馬爾文實時高速噴霧粒度分析儀測量2種霧介質噴嘴霧滴粒徑。設置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種噴霧介質噴嘴降塵效率。采用LS13320 型激光粒度分析測量呼吸性粉塵占比，以此計算呼吸粉塵降塵效率。

3 實驗結果及分析

3.1 微納米氣泡水微觀特性

3.1.1 微納米氣泡粒徑分布

根據雷艷[32]研究表明氣泡粒徑能影響氣泡吸附細微顆粒物的能力，微納米氣泡能促進水捕獲細顆粒物。圖5為微納米氣泡水隨時間的變化。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間增加，水中微米級的氣泡逐漸破滅。

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

納米級的氣泡肉眼無法觀察，可通過丁達爾效應檢驗氣泡的存在。如圖6所示，當激光通過澄清的微納米氣泡水顯現出一條特別明顯的光通路，而自來水卻未出現。激光通過不均勻媒質，氣泡粒徑小于入射光波長導致光的散射，部分光束被分散傳播，形成光通路。因此，可確定納米級的氣泡能長時間存在于水中。

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

靜態條件下，用Stokes定律[33]來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。對比圖7發現靜置一段時間后，微納米氣泡水中微米級的氣泡基本破滅，基本符合Stokes定律，氣溶膠粒子在液體中的運動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間比宏觀氣泡長，在水中停留的時間較長；直徑更小的納米氣泡體積小，則在水中做布朗運動，不上升至水面。實驗結果符合圖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鍵作用，煤顆粒的Zeta電位絕對值越小則越易團聚，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散狀態分布，進而形成擴散雙電層。氣泡外積聚大量的氫氧根離子，外層擴散氫離子及其他正號離子，有較強的活性。噴霧降塵過程中，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

一般用接觸角來評價粉塵的潤濕性，不同類型的煤塵物理化學性質不同，破碎后表面的特性不同。圖9為自來水和微納米氣泡水表面張力及接觸角。自來水經過微納米氣泡發生器發泡為微納米氣泡水，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自來水更有利于潤濕煤塵，微納米氣泡水的潤濕性能較自來水強。

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

圖10為自來水和微納米氣泡水表面張力隨時間的變化規律。自來水經過儀器發泡成為微納米氣泡水，表面張力明顯下降。隨著時間的推移，微納米氣泡水的表面張力逐漸接近原水的表面張力。表明氣泡水是個非穩態體系，靜置時間逐漸增加，表面張力升高是紊亂的過程。根據圖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氣泡。隨著微米級氣泡的消失，表面張力逐漸恢復。

圖10 表面張力隨時間的變化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向兩邊擴散的能力、液滴浸潤固體向固體內部滲透的能力及液滴因熱力學抗蒸發的能力。圖11為自來水和微納米氣泡水的接觸角隨時間變化規律。隨接觸時間增加，微納米氣泡水的接觸角和自來水的接觸角均不斷減小。相同時刻，微納米氣泡水的接觸角均比自來水的接觸角小，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 微納米氣泡水負氧離子濃度

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

圖12 負氧離子濃度的變化 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水作為噴霧介質對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于自來水的霧化效果。供水壓力為2 MPa時，自來水噴霧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，導致噴嘴霧滴粒徑減小。

表2 不同噴霧介質的霧滴粒徑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，微納米氣泡水作為噴霧介質的降塵效率為52.56%，自來水作為噴霧介質的降塵效率為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，導致降塵效率增大。隨著噴嘴供水壓力增加，自來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X形旋流壓力噴嘴的霧化角、射程差影響較小。同時，噴嘴壓力過大，導致微納米氣泡提前破裂，影響氣泡擴散。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，降塵效率相對增長率為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增長率為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境的潤濕程度，吸附和靜電力等的作用，空氣中的負氧離子等作用力。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率逐漸增大。供水壓力2 MPa時，與自來水相比微納米氣泡水降塵效率的相對增長率為16.05%。隨著供水壓力增加，噴嘴流量不斷增大，單位時間內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，隨著供水壓力增大，空氣中的負氧離子逐漸增多，有利于沉降細小顆粒物。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于大顆粒物。

4 結 論

(1)微納米氣泡水呈乳白色，微米級的氣泡能短暫存在于水中，納米級的氣泡能長期存在于水中。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水潤濕能力更強，且更易蒸發。微納米氣泡水的表面張力比自來水低5.5 mN/m，表面張力隨著微米級的氣泡破裂而逐漸增大。微納米氣泡水對焦煤顆粒的接觸角比自來水低4.58°。

(3)相對于自來水作為噴霧介質，微納米氣泡水作為噴霧介質提高了噴霧周圍負氧離子濃度。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水小。與自來水相比，微納米氣泡水的全塵降塵效率相對增長率為6.44%～9.73%，呼吸性粉塵降塵效率相對增長率為11.92%～16.05%，微納米氣泡強化呼吸性粉塵降塵更加明顯。