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。在相同噴霧壓力下，霧滴粒徑與表面張力成正相關，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。研究結果對優(yōu)化噴霧霧化特性，提高噴霧降塵效率，促進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，還易導致煤礦爆炸事故。噴霧降塵因其操作便捷、經(jīng)濟實用等優(yōu)點而被廣泛應用于煤礦粉塵防治。然而，由于各煤礦降塵用水中Na+、K+濃度分布范圍較大，導致噴霧霧化特性差異顯著。從實際降塵效果來看，當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，為提高降塵效率,相關學者對高壓噴霧霧化特性進行了大量研究。王鵬飛等對氣水噴霧霧化特性進行了理論研究，并繪制出分級效率與供氣流量、供水流量及粉塵粒徑的關系曲線。王健等選用3種常用噴嘴進行霧化特性研究后得出結論: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行了試驗研究，結果表明: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行了測定，結果表明: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構對霧化特性的影響，而關于礦井水中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制，在理論分析基礎上，借助激光粒度測試系統(tǒng)和表面張力測量儀進行試驗研究，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的改進和優(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效應表示,在NaCl、KCl濃度較低的溶液中,無機鹽離子分布并不均勻,Na＋、Cl－ 、OH－ 等離子會強烈吸附于空氣-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-玻爾茲曼準則提出了離子在界面上的分布和吸附勢能的關系:

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。當水中離子濃度越大,界面吸附勢越小,界面對離子的排斥作用越強,表面張力越大。當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。有學者提出相關理論,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。