荷電液滴吸附顆粒物的試驗(yàn)范文

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《江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第三期

摘要:

液滴荷電可增強(qiáng)其對(duì)顆粒物的吸附能力，有效提高其除塵效率．建立了荷電單液滴吸附顆粒物的試驗(yàn)系統(tǒng)，采用高速攝像技術(shù)結(jié)合顯微放大圖像處理技術(shù)對(duì)顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了可視化研究，捕捉了荷電液滴在吸附過(guò)程中顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡．通過(guò)分析顆粒物在靜電力、質(zhì)量力以及黏性力等作用下的運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)顆粒物的粒徑是影響其運(yùn)動(dòng)的主要因素．結(jié)果表明:荷電液滴比未荷電液滴更易于吸附顆粒物;顆粒物在到達(dá)液滴表面后無(wú)法克服液滴的表面張力能，會(huì)黏附在液滴表面;部分顆粒物及其微團(tuán)在飛向荷電液滴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)奇特的排斥飛散現(xiàn)象;粘黏沉積及排斥飛散現(xiàn)象都會(huì)影響荷電液滴捕集顆粒物的效率．

關(guān)鍵詞:

荷電單液滴;顆粒物;吸附過(guò)程;運(yùn)動(dòng)特性;排斥飛散

隨著工業(yè)快速發(fā)展，大氣中煙塵及有害氣體的排放急劇增加．大量伴隨其中的顆粒物能夠長(zhǎng)時(shí)間漂浮，持續(xù)影響環(huán)境質(zhì)量，對(duì)公共健康造成嚴(yán)重危害［1－4］．如何高效去除空氣中的顆粒物成為環(huán)保領(lǐng)域的重要研究課題．當(dāng)前廣泛應(yīng)用的除塵技術(shù)有布袋除塵、旋風(fēng)除塵和水膜除塵等．這些技術(shù)可有效去除大顆粒粉塵，但對(duì)于顆粒物脫除的效果有限，且顆粒物粒徑越小脫除效率越低［5］．近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，靜電噴霧除塵技術(shù)可以有效地去除顆粒物［6－11］．霧滴荷電后，其周?chē)念w粒物受到額外靜電力的作用，使得顆粒物更容易被霧滴吸附沉降．

早在1944年文獻(xiàn)［12］就提出荷電液滴吸附顆粒物的應(yīng)用，盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)靜電對(duì)顆粒物的吸附有增強(qiáng)作用，但是靜電噴霧除塵技術(shù)的研究才剛剛起步．近年來(lái)很多學(xué)者研究靜電噴霧除塵技術(shù)，如:文獻(xiàn)［8－9］試驗(yàn)比較單噴嘴及多噴嘴荷電與未荷電的噴霧除塵效率，其發(fā)現(xiàn)荷電后顆粒物的脫除效率有顯著提升;文獻(xiàn)［13］數(shù)值模擬荷電單液滴及荷電液滴群吸附懸浮顆粒物;文獻(xiàn)［14－15］基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律及拉格朗日法推導(dǎo)出顆粒物在荷電噴霧除塵過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡方程，并試驗(yàn)研究了荷電水霧除塵器的捕集效率;文獻(xiàn)［16］探討液滴荷電與否對(duì)空氣中顆粒物的脫除效率的影響，采用空氣微粒計(jì)數(shù)器測(cè)量空氣中微粒的濃度，結(jié)果表明荷電液滴可有效降低空氣中顆粒物的濃度;文獻(xiàn)［17］對(duì)荷電液滴去除密閉空間中煙氣的效率進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液滴荷負(fù)電荷時(shí)可有效提高煙氣的去除效率．目前主要集中在對(duì)荷電單液滴吸附顆粒物的數(shù)值模擬或試驗(yàn)研究宏觀(guān)噴霧對(duì)顆粒物脫除效果的影響，對(duì)顆粒物在荷電液滴吸附作用下運(yùn)動(dòng)特性的試驗(yàn)研究較少．筆者建立荷電單液滴吸附顆粒物的試驗(yàn)系統(tǒng)，采用高速攝像技術(shù)結(jié)合顯微放大圖像處理技術(shù)對(duì)顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行可視化研究．

1試驗(yàn)方法及裝置

試驗(yàn)采用懸掛液滴吸附靜止顆粒物．試驗(yàn)裝置如圖1所示，由注射器、金屬毛細(xì)管、螺旋測(cè)微頭、高壓靜電發(fā)生器、金屬銅板和粉塵板等組成．毛細(xì)管為鋼制平口針頭，內(nèi)徑為0.21mm，外徑為0.51mm，用于懸掛液滴．螺旋測(cè)微頭用于控制產(chǎn)生液滴的大小．粉塵板含有深0.50mm的凹面用于鋪放顆粒物．毛細(xì)管通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與高壓靜電發(fā)生器相連．毛細(xì)管管口與粉塵板相距1.80mm．粉塵板下襯金屬板，金屬板接地．虛線(xiàn)圈內(nèi)為拍攝區(qū)域．試驗(yàn)液滴當(dāng)量直徑為0.80～1.30mm．試驗(yàn)電壓為1kV．試驗(yàn)所選用顆粒物為玻璃球、鐵粉以及鋁粉，表1給出了上述材料部分物性參數(shù)．由于空氣濕度原因，顆粒物間會(huì)存在毛細(xì)力，引起部分顆粒物形成軟團(tuán)聚.為獲得液滴的表面圖像以及吸附過(guò)程中細(xì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，試驗(yàn)分別采用2種光源，布置方式如圖2所示．圖2a為側(cè)面照射，可獲得液滴的表面圖像．圖2b為正面照射，可獲得顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡圖．

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顆粒物的受力分析固定荷電液滴捕集靜止顆粒物的過(guò)程如圖3所示．在捕集顆粒物過(guò)程中，液滴可吸附大量顆粒物，顆粒物會(huì)受到靜電力、質(zhì)量力和黏性力等作用．靜電力克服質(zhì)量力及黏性力，牽引顆粒物到達(dá)液滴表面，完成捕集過(guò)程．這些力的相互耦合對(duì)顆粒物的運(yùn)動(dòng)有重要影響．通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行比較能夠更加深入地了解荷電液滴捕集顆粒物的作用機(jī)理．荷電液滴電勢(shì)如圖4所示，由試驗(yàn)圖片與模擬結(jié)果合成得出，在液滴正下方離液滴越近，電勢(shì)線(xiàn)越密，電場(chǎng)強(qiáng)度越大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax≥1×103kV•m－1．從表2可以看出:液滴荷電后，PM10顆粒受到黏性力影響，但運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)因黏性流產(chǎn)生畸變，靜電力依然起主導(dǎo)作用．由式(1)，(2)，(4)發(fā)現(xiàn):質(zhì)量力與r3、靜電力與r2有關(guān)，而物體所受的黏性力與r成比例．因此，隨著顆粒物的粒徑減小，黏性力的影響將逐漸增大，顆粒物對(duì)流體的跟隨性將增強(qiáng)．2.2顆粒物的沉積現(xiàn)象顆粒物在荷電液滴表面的沉積如圖5所示．不同的顆粒物均黏附在液滴表面，未通過(guò)氣液交界面進(jìn)入液滴內(nèi)部．在多數(shù)工況下，顆粒在靜電力作用下產(chǎn)生的動(dòng)能不足以克服液滴的表面張力能而通過(guò)氣液交界面在液滴內(nèi)部進(jìn)行沉積．因此，顆粒物會(huì)集中黏附在液滴表面．在靜電噴霧除塵中，破碎掉落液滴吸附顆粒物的靜電力比試驗(yàn)中靜止液滴吸附顆粒物的靜電力小．所以在靜電噴霧除塵過(guò)程中，絕大部分不可溶顆粒物會(huì)黏附在液滴表面．當(dāng)在水中加入表面活性劑后可有效提高大空間的除塵效率，可能是由于加入表面活性劑使液滴的表面能降低，顆粒物可以通過(guò)氣液交界面進(jìn)入到液滴內(nèi)部．

2.3顆粒物的吸附反彈現(xiàn)象在荷電液滴吸附顆粒物的過(guò)程中，顆粒物會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，如圖6，7所示，部分顆粒物遠(yuǎn)離液滴，這些反彈顆粒物都來(lái)自顆粒微團(tuán)．顆粒物的反彈現(xiàn)象可分為2種情況:①顆粒微團(tuán)飛向液滴時(shí)破碎，部分顆粒物遠(yuǎn)離液滴;②顆粒微團(tuán)撞擊液滴后破碎，部分顆粒物被排斥．顆粒微團(tuán)飛向液滴及破碎后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，其中，▲為顆粒物在某一時(shí)刻的位置，×為微團(tuán)破碎位置．微團(tuán)在靠近液滴的過(guò)程中發(fā)生破碎，靠近液滴一側(cè)的顆粒物加速飛向液滴，而遠(yuǎn)離液滴側(cè)的顆粒物背向液滴運(yùn)動(dòng)．從0.334ms到0.734ms，破碎后的顆粒物加速遠(yuǎn)離液滴，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似垂直于液滴表面，說(shuō)明此時(shí)顆粒物已經(jīng)荷負(fù)電．由于液滴所產(chǎn)生的電場(chǎng)為非均勻電場(chǎng)，微團(tuán)在該電場(chǎng)中會(huì)受到梯度力的作用．梯度力與場(chǎng)強(qiáng)的梯度成正比，顆粒微團(tuán)上不同位置處的場(chǎng)強(qiáng)不同，因此微團(tuán)上各處所受的梯度力不同．當(dāng)微團(tuán)內(nèi)顆粒物間的凝聚力小于梯度力之差時(shí)，微團(tuán)破碎．微團(tuán)破碎時(shí)間非常短，遠(yuǎn)小于顆粒物的荷電弛豫時(shí)間，微團(tuán)破碎瞬間其內(nèi)部電荷無(wú)法及時(shí)分布，靠近液滴側(cè)的顆粒物帶上正電荷，另一側(cè)顆粒物則帶負(fù)電荷．由于庫(kù)侖力決定顆粒物的運(yùn)動(dòng)，因此靠近液滴側(cè)顆粒物加速駛向液滴，另一側(cè)顆粒物則沿近似垂直液滴表面方向遠(yuǎn)離液滴．圖7為顆粒微團(tuán)撞擊液滴表面破碎后部分顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡．微團(tuán)在撞擊液滴的過(guò)程中破碎，與液滴接觸的部分被液滴吸附，其余部分則被排斥遠(yuǎn)離液滴，被排斥顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡近似垂直于液滴表面．這是因?yàn)轭w粒物及其微團(tuán)無(wú)法克服液滴的表面能，難以通過(guò)氣液交界面進(jìn)入到液滴內(nèi)部，顆粒物的荷電弛豫時(shí)間小于其運(yùn)動(dòng)特征時(shí)間，微團(tuán)與氣液交界面接觸后交界面上的負(fù)電荷迅速分布到微團(tuán)上，當(dāng)斥力大于顆粒物間的團(tuán)聚力時(shí)，微團(tuán)破碎，從而使未與液滴接觸的部分沿近似垂直液滴表面的方向遠(yuǎn)離液滴．雖然靜電噴霧除塵存在靜電力的作用會(huì)明顯提高對(duì)細(xì)小顆粒物的捕集效率，但靜電力的作用也可以使部分已經(jīng)團(tuán)聚的顆粒物破碎變成更小的微團(tuán)，引起排斥飛散．

3結(jié)論

1)在液滴捕集顆粒物的過(guò)程中，顆粒物受到靜電力、質(zhì)量力以及黏性力等力的作用．當(dāng)顆粒物粒徑較大時(shí)(如PM10)，靜電力起主導(dǎo)作用．當(dāng)顆粒物粒徑較小時(shí)，黏性力會(huì)對(duì)顆粒物的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響．當(dāng)顆粒物的粒徑更小時(shí)，顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)因黏性流而產(chǎn)生畸變．2)在靜電噴霧除塵過(guò)程中，由于顆粒物難以克服液滴的表面能，顆粒物無(wú)法通過(guò)氣液交界面進(jìn)入到液滴內(nèi)部，這將會(huì)影響到除塵的效率．3)液滴荷電后，額外靜電力的作用明顯增強(qiáng)液滴對(duì)顆粒物的捕集效果，但梯度力的存在可能會(huì)引起微團(tuán)破碎，進(jìn)而造成排斥飛散．顆粒微團(tuán)撞擊氣液交界面后，庫(kù)侖力使微團(tuán)破碎，未與液滴接觸的部分偏離液滴，影響捕集效率．

作者：王軍鋒 許榮斌 左子文 孫成仁 單位：江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院