含表面活性劑溶液的霧化特性及對細顆粒物的強化去除效果

顧海林，陳斌康，郭佳琪，馮潔，簡青山，王進卿，張光學

（中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018）

近年來，我國工業(yè)迅速發(fā)展，同時由于化石燃料的燃燒帶來的環(huán)境問題也日益嚴重。燃燒會產生細顆粒物，這些細顆粒物懸浮在空中，難以沉降，尤其是直徑小于2.5μm的細顆粒物，已經引起了一系列環(huán)境和健康問題[1]。由于細顆粒物的比表面積大，在其表面極易聚集重金屬、有機污染物等有毒物質，并且易于進入人體呼吸道中，從而誘發(fā)許多呼吸系統、心血管系統的疾病。因此對細顆粒物的消除顯得尤為重要[2]。

現有的細顆粒物去除技術主要有靜電除塵[3]、機械式除塵[4]、袋式除塵[5]和噴霧濕式除塵[6]等。水霧除塵是一種傳統的濕式除塵方法，由于其高效經濟、操作簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于礦山粉塵治理、鍋爐污染物去除等工業(yè)應用中。其原理是利用水霧吸附細顆粒物，相互黏結、團聚成較大顆粒物，最后在重力的作用下沉降，從而達到去除目的[7]。然而，由于水霧液滴和細顆粒物間的碰撞概率較小，因此其去除效率也有限。

部分學者通過研究發(fā)現，添加表面活性劑能夠顯著降低噴霧溶液的表面張力，從而提高溶液的霧化性能[8-10]。鄧全龍等[11]為進一步探索新型高效的復合式濕式除塵方法，構建了噴霧協同金屬網柵除塵實驗裝置，通過表面活性劑霧滴與金屬網柵的結合，對除塵具有良好的增效作用。周磊等[12]對比了8種表面活性劑的表面張力對褐煤粉塵的潤濕性能的影響，并研究了表面活性劑溶液的霧化性能，發(fā)現添加表面活性劑可以提高對褐煤細顆粒物的抑塵效率。朱洪堂等[13]通過將表面活性劑、無機鹽和高分子絮黏劑結合，構成多元團聚劑體系，研究其對細顆粒物團聚促進作用的影響。Geng等[14]將表面活性劑溶液與荷電噴霧技術結合，使顆粒物的去除效率提高了53.4%。Wang等[15]探究了噴霧液中加入不同濃度的表面活性劑溶液時，其物理特性和降塵效果。結果表明，隨著表面活性劑溶液質量濃度的增加，表面張力逐漸降低，當表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度（CMC）時，溶液的表面張力下降趨勢不再顯著。Nie 等[16]探究了四種表面活性劑溶液對影響除塵效率的最佳濃度。Zhang 等[17]提出了一種具有良好潤濕性和凝聚性的抑塵劑，可以顯著降低細顆粒物濃度。上述研究主要側重利用表面活性劑強化除塵效率，然而較少關注表面活性劑對噴霧特性（如噴霧粒徑）的影響，并且缺少提高除塵效率的機理分析。

為此，本研究主要側重含表面活性劑溶液的噴霧特性，表面活性劑種類、濃度對噴霧粒徑分布的影響。同時，探究不同情況下，含表面活性劑溶液噴霧對細顆粒物的去除效果。

1 實驗裝置及方案

1.1 實驗裝置

本研究采用如圖1 所示的實驗裝置，主要包括：噴霧系統、煙霧發(fā)生系統和測量系統。其中噴霧系統由電動高壓隔膜泵、軟管、流量計、壓力計、噴嘴組成。電動泵額定功率100W，可產生的最大壓強為1.1MPa；噴嘴的噴射角度為60°，孔徑0.8mm，可以形成穩(wěn)定的實心圓錐形噴霧。煙霧發(fā)生系統由團聚室和煙餅組成，團聚室尺寸為500mm×500mm×800mm，由亞克力板制成。測量系統分為透光率測量裝置和噴霧粒徑測量裝置，透光率測量裝置為激光功率計（UT385），通過接收激光的光強變化來計算激光功率，進而表示透光率。粒徑測量裝置采用相位多普勒速度粒徑分析儀（phase Doppler particle analyzer，簡稱PDPA）[18]，測量范圍在0.5～13000μm。

圖1 實驗裝置示意圖

為探究不同濃度對霧化特性的影響規(guī)律，配制多種濃度的表面活性劑溶液（0.005%、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%，質量分數）。每次實驗，保持水流量（180mL/min）和壓強（0.35MPa）基本一致，在噴嘴下方25cm 處平面中心作為PDPA的采集點，待噴霧穩(wěn)定后進行測量，每組工況測量3次，取平均值。噴霧粒徑測量過程中的不確定度分析包括重復性測量引入的不確定度、PDPA 示值誤差引入的不確定度、遮光率引入的不確定度和水折射率引入的不確定度。其中，重復性測量不確定度采用A類方法進行評定，其余三種均采用B類方法進行評定。

顆粒物去除實驗以煙餅燃燒生成的煙霧為去除對象，實驗開始前點燃煙餅，當煙霧均勻充滿團聚室后，打開激光功率計，記錄激光功率計數值，使每次實驗的初始透光率保持一致（確保初始煙霧濃度保持一致）。待煙霧穩(wěn)定后，打開水泵，記錄顆粒物在噴霧作用過程中激光功率計的變化情況。當激光功率計數值穩(wěn)定在某一值，且團聚室內清晰無煙后，認為顆粒物去除完畢，關閉水泵。

1.2 實驗材料

表面活性劑通常分為離子型和非離子型，而離子型又分為陰離子、陽離子和兩性離子。表面活性劑溶于水時，凡是能夠通過電離生成帶負電的親水基團時，則為陰離子型表面活性劑；反之，為陽離子型。兩性離子表面活性劑指同時含有正離子和負離子的溶液，凡是不能通過電離生成離子的就稱為非離子型表面活性劑[19]。

本研究根據表面活性劑的分類選擇了三種不同性質的表面活性劑，包括陰離子型表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）以及非離子型表面活性劑吐溫80（TW80），具體參數如表1所示。

表1 表面活性劑種類

1.2.1 表面張力測量

實驗使用表面張力儀（BZY-2，精度1%），在25℃下，采用鉑金板法對不同濃度的表面活性劑溶液進行測定，溶液質量分數范圍0.005%～0.15%。每種溶液測量3次，取平均值。測量結果如表2所示，陽離子表面活性劑CTAB溶液的表面張力隨著濃度增大先減小后增大；陰離子表面活性劑SDBS和非離子表面活性劑TW80溶液的表面張力隨著濃度的增大而降低，后趨于平緩。在濃度達到臨界膠束濃度（CMC）[20]前表面活性劑對溶液表面張力的影響強，導致表面張力的快速下降，達到臨界膠束濃度后，表面張力變化幅度減弱，繼續(xù)增大濃度還會在溶液中出現反粒子濃度積累、膠束形成等現象，進而導致表面張力增大[21]。

表2 不同表面活性劑溶液表面張力

1.2.2 黏度測量

在25℃下，采用數字式旋轉黏度計（NDJ-5S，精度2%），對不同濃度下的表面活性劑溶液進行了黏度測量，得到結果如表3所示。可以發(fā)現，去離子水在常溫下的黏度為0.91mPa·s，加入表面活性劑后，溶液的黏度雖然有提高，但隨著濃度的增大，黏度的增量并不明顯，這說明表面活性劑濃度對黏度的影響較小。

表3 不同表面活性劑溶液黏度

對上述測量進行誤差分析，其主要來源包括：①實驗時采用的是自來水而非純水，含有少量雜質；②表面張力測量操作過程中彈簧上下晃動使得液膜過早破裂而引起的誤差；③黏度計測量過程中，每次裝取的待測液量不一致而引起的誤差。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑種類對霧化特性的影響

在噴霧介質中添加表面活性劑可以降低溶液的表面張力，從而影響其霧化性能，為研究不同種類表面活性劑對霧化特性的影響規(guī)律，針對上述3種表面活性劑在同一濃度下的霧化液滴粒徑進行測量分析。由表2可知，實驗所用表面活性劑在質量分數為0.10%時，溶液的表面張力趨向穩(wěn)定，故選擇質量分數為0.10%時3種不同表面活性劑溶液的霧化特性進行研究，結果如圖2所示。

圖2 質量分數0.1%下不同表面活性劑溶液噴霧粒徑分布

由圖2(a)可知，去離子水經過霧化后粒徑在0～200μm范圍內數量占比峰值為2.57%，當加入表面活性劑后，噴霧粒徑峰值向左移動，0～200μm 范圍內的液滴數量占比也有所提高，其中CTAB 的峰值為50μm（2.8%），SDBS 的峰值為47.5μm（3.35%），TW80的峰值為42μm（5.38%）。由此可知，加入表面活性劑后，霧化液滴的峰值向左移動，平均粒徑減小，液滴數量增多。此外，由圖2(b)還可發(fā)現，加入表面活性劑后，在0～400μm 范圍內的液滴累積百分數有不同程度的提高，說明表面活性劑不僅使霧化粒徑減小，還使霧化液滴粒徑的分布更加集中。對比3種不同表面活性劑，非離子型表面活性劑（TW80）的效果最明顯，對霧化特性的影響最大。

圖3則顯示了不同表面活性劑溶液和去離子水的噴霧粒徑大小和速度的散點圖，可看出加入表面活性劑后，液滴在0～200μm 范圍內更加集中，明顯多于去離子水，而粒徑200～400μm 范圍內的液滴則比去離子水少，這說明表面活性劑加入后確實提高了溶液的霧化特性。這與圖2結果一致。

2.2 表面活性劑濃度對霧化特性的影響

為研究不同表面活性劑的濃度對溶液霧化特性的影響，本研究對3種表面活性劑在5種不同質量分數（0.005%，0.01%，0.05%，0.10%，0.15%）下的液滴粒徑分布進行分析，如圖4所示。

圖4 不同表面活性劑不同濃度下的噴霧粒徑分布

由圖4可知表面活性劑的濃度不同，其噴霧液滴粒徑分布也不同。隨著表面活性劑濃度的增加，陰離子型表面活性劑（SDBS）溶液經霧化后小粒徑的占比不斷減??；陽離子型表面活性劑（CTAB）溶液和非離子（TW80）溶液的小粒徑占比則是隨著濃度先升高后降低，這兩種溶液的占比都在0.01%時達到峰值。這說明CTAB 和TW80 溶液存在最佳的霧化濃度。

圖4(d)為3 種不同表面活性劑在不同濃度下的噴霧中值粒徑變化情況。在低濃度時，表面活性劑大幅降低了溶液的表面張力，使得噴霧液滴更容易破碎分裂，形成了更細小的液滴，中值粒徑也較小，此時溶液的表面張力是影響霧化特性的主要因素。當濃度達到臨界膠束濃度后，溶液的表面張力降低速度變得極其緩慢，隨著濃度的繼續(xù)增大，溶液中會有膠狀物質析出，這些膠狀物質可能會附著在噴嘴口從而影響最終的霧化效果[22]。

2.3 表面活性劑溶液噴霧對顆粒物的去除特性

為研究表面活性劑溶液是否可以加快細顆粒物的去除速率，本文對3種表面活性劑溶液在兩種不同質量分數（0.005%、0.10%）下的消除效果進行了研究，得到一定時間內煙霧顆粒透光率的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，煙霧在自然沉降時的透光率幾乎不變，此時細顆粒物難以通過自身重力下沉到底部，而是懸浮在空中。當加入水霧后，透光率增加明顯。由圖5(a)可知，在低濃度下，用含陰離子型表面活性劑（SDBS）溶液的噴霧對煙霧顆粒的去除速率最快，在6min內透光率達到了66%；非離子型表面活性劑（TW80）和陽離子型表面活性劑（CTAB）效果相差不大，但相比較于水，去除速率仍有提升。這是由于表面活性劑的加入提高了霧化效果，使得霧化液滴數量更多，這可以促進液滴與細顆粒物的碰撞概率。同時，由于十二烷基苯磺酸鈉水溶液是一種極性液體，在溶液的表面會形成一個偶電層（DEL)，它由外部負層和內部正層兩部分組成，當溶液經過噴嘴霧化后，偶電層會被剪切，在低濃度下產生帶負電的液滴[23]。其本身又是陰離子型表面活性劑，在溶液中會電離出帶負電的離子團，這樣大量的負電荷存在于液滴中，通過靜電力作用可以更好地吸附煙霧顆粒，達到去除細顆粒物的效果。十六烷基三甲基溴化銨水溶液會電離出帶正電的離子團，這會與負電荷中和，而吐溫80 是非離子，在水中不會電離，因此在低濃度下的去除效果都不如十二烷基苯磺酸鈉。

而由圖5(b)可知，當質量分數達到0.10%后，吐溫80 溶液的消煙速率最高，在6min 時透光率達到了64%。但與0.005%質量分數時相比，0.1%質量分數時三種表面活性劑溶液總體的去除速率有所下降，下降最明顯的是十二烷基苯磺酸鈉，最終的透光率由原來的66%降到了54%。這是由于濃度增大，表面活性劑水溶液霧化后的液滴粒徑變大，液滴數量減少，并且偶電層剪切后形成的大液滴通常帶正電，相比于負電其吸附能力較弱，且由于高濃度下膠狀物的析出，因此煙霧顆粒的去除效果減弱。

3 結論

本文開展了含表面活性劑溶液的噴霧特性研究，分別對比了陰離子、陽離子和非離子3種不同表面活性劑及不同質量分數對霧化特性的影響規(guī)律。同時，對不同濃度下表面活性劑溶液噴霧消除細顆粒物的特性做了進一步研究，得到如下結論。

（1）加入表面活性劑會降低溶液的表面張力，從而使溶液霧化形成更小更集中的液滴，在3種表面活性劑中，0.01%的非離子型表面活性劑（TW80）對于溶液的霧化性能提升最大。

（2）表面活性劑濃度會影響霧化效果，在濃度達到臨界膠束濃度（CMC）前，表面活性劑溶液的表面張力降低明顯，此時噴霧粒徑持續(xù)減??；達到臨界膠束濃度時，霧化液滴粒徑達到最小值，此時液滴數最多；繼續(xù)增加濃度，溶液中會析出膠狀物質，削弱了霧化性能。

（3）相對純水噴霧，含表面活性劑溶液噴霧對細顆粒物的去除效率更高，而對比3 種表面活性劑，則陰離子型表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉水溶液在低質量分數（0.005%）下對于細顆粒物的去除效果最明顯。這是由于一方面此時霧化效果好，增加了液滴與細顆粒物的碰撞吸附概率；另一方面，陰離子活性劑會產生帶有負電荷的液滴，提高了對細顆粒的吸附性。