摘要:優(yōu)化噴霧霧化特性是提高礦井噴霧降塵效率的有效方法。為研究礦井水Na+、K+離子濃度對其霧化特性的影響，提高礦井粉塵治理效果，采用表面張力測量儀和激光粒度測試系統(tǒng)表征不同礦井水的表面張力和霧化特性，分析礦井水中Na+、K+離子濃度引起的表面張力差異及其對霧化特性的影響。結(jié)果表明:低離子濃度條件下，礦井水表面張力與其Na+、K+離子濃度呈正相關(guān)。在相同噴霧壓力下，霧滴粒徑與表面張力成正相關(guān)，降低礦井水表面張力可提高降塵效率;表面張力減小可延長霧化區(qū)分布范圍，延長粉塵捕集范圍，增加粉塵沉降數(shù)量;霧場中各霧滴粒徑隨表面張力減小而逐漸呈現(xiàn)均一性分布，這有利于提升霧滴對粉塵的潤濕能力。研究結(jié)果對優(yōu)化噴霧霧化特性，提高噴霧降塵效率，促進(jìn)礦井水資源治理具有重要意義。

引言

煤炭作為我國主體能源，其產(chǎn)量一直穩(wěn)居高位。隨著煤開采強(qiáng)度增加，開采過程產(chǎn)生的粉塵量也不斷增加。高濃度粉塵不僅會引發(fā)塵肺病，還易導(dǎo)致煤礦爆炸事故。噴霧降塵因其操作便捷、經(jīng)濟(jì)實用等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于煤礦粉塵防治。然而，由于各煤礦降塵用水中Na+、K+濃度分布范圍較大，導(dǎo)致噴霧霧化特性差異顯著。從實際降塵效果來看，當(dāng)前噴霧降塵對總粉塵和呼吸性粉塵的降塵率分別低于50%和30%，不足以保障井下一線作業(yè)人員的職業(yè)健康，礦井粉塵治理問題亟待解決。

噴霧降塵效果與霧化特性密切相關(guān)，為提高降塵效率,相關(guān)學(xué)者對高壓噴霧霧化特性進(jìn)行了大量研究。王鵬飛等對氣水噴霧霧化特性進(jìn)行了理論研究，并繪制出分級效率與供氣流量、供水流量及粉塵粒徑的關(guān)系曲線。王健等選用3種常用噴嘴進(jìn)行霧化特性研究后得出結(jié)論:旋流葉片型的射程和流量均明顯大于螺旋型和切向孔型噴嘴，且分散度更均勻。蘇建民等研究了直射式噴嘴和離心式噴嘴在不同工況下的霧化特性，認(rèn)為壓力是影響噴霧霧化特性的重要因素。王鵬飛就噴嘴參數(shù)對霧化特性的影響進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明:隨著噴嘴直徑的增加，噴霧粒徑和霧化錐角不斷增大，而霧流射程基本保持不變。聶文等對4種噴嘴在不同噴霧壓力時的霧化特性進(jìn)行了測定，結(jié)果表明:隨著噴霧壓力的增大，霧滴粒徑隨距噴嘴軸向距離的增大而增大。綜上，研究人員多采用理論分析和試驗研究表征噴霧壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)對霧化特性的影響，而關(guān)于礦井水中Na+、K+對其表面張力和霧化特性的影響尚不明確。

鑒于此，本文基于礦井水Na+、K+對其表面張力的影響機(jī)制，在理論分析基礎(chǔ)上，借助激光粒度測試系統(tǒng)和表面張力測量儀進(jìn)行試驗研究，直觀表征不同礦井水的表面張力和霧化特性，分析礦井水中Na+、K+離子濃度對霧化特性的影響，以期為煤礦井下噴霧降塵技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1、礦井水Na+、K+離子濃度對表面張力影響機(jī)制

霧化特性是決定噴霧降塵效果的重要因素。噴霧霧化程度主要由空氣動力和表面張力決定，前者擠壓溶液表面使其破碎，后者反抗變形使霧滴保持球狀。因此，在空氣動力保持不變時，表面張力對噴霧霧化特性至關(guān)重要。溶液中Na+、K+等離子對其表面張力的影響不可忽視,在低密度離子條件下,表面張力與Na＋、K＋等離子濃度成正比。由于水中溶解離子的存在,導(dǎo)致溶解離子產(chǎn)生靜電力,該力對水中離子產(chǎn)生排斥作用,可導(dǎo)致表面張力增加,從而引起噴霧粒徑增大,霧化區(qū)范圍縮減。Jones-Ray效應(yīng)表示,在NaCl、KCl濃度較低的溶液中,無機(jī)鹽離子分布并不均勻,Na＋、Cl－ 、OH－ 等離子會強(qiáng)烈吸附于空氣-水界面,這些離子和空氣-水界面的小范圍相互作用影響了離子在界面上的分布,麥克斯韋-玻爾茲曼準(zhǔn)則提出了離子在界面上的分布和吸附勢能的關(guān)系:

c(x)＝cexp(－W(x)/kT) (１)

式中,c(x)為距離空氣-水界面x處的離子濃度;c為水溶液內(nèi)部離子濃度;W(x)為距離空氣-水界面x處的吸附勢;k為Boltzmann常數(shù);T為溫度,K。由式(1)可知,離子在溶液內(nèi)的分布情況與自身距空氣-水界面的距離相關(guān)。當(dāng)水中離子濃度越大,界面吸附勢越小,界面對離子的排斥作用越強(qiáng),表面張力越大。當(dāng)不考慮水中離子對吸附過程的屏蔽作用時,界面對離子的吸附量Lambda為:

Λ＝c/(－１＋e－W(x)/kT )dx＝－∞ (２)

此時,吸附勢將導(dǎo)致表面張力無限增大。在實際情況中,由于水中各離子的屏蔽作用,吸附勢的作用范圍得到限制。有學(xué)者提出相關(guān)理論,電解質(zhì)離子的屏蔽作用限制靜電力吸附的有效范圍為1/kappa。

κ２＝(４π/DkT)∑iniei２ (３)

式中,D為水溶液的介電常數(shù);n_i為單位體積內(nèi)帶電荷e_i的離子數(shù)量。當(dāng)水中離子數(shù)量增加,靜電力吸附有效范圍減小,吸附作用隨之削弱,界面對離子的排斥作用逐漸大于吸附作用,表面張力逐漸增大。