荷电液滴吸附颗粒物的试验范文

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《江苏大学学报》2016年第三期

摘要:

液滴荷电可增强其对颗粒物的吸附能力，有效提高其除尘效率．建立了荷电单液滴吸附颗粒物的试验系统，采用高速摄像技术结合显微放大图像处理技术对颗粒物的运动特性进行了可视化研究，捕捉了荷电液滴在吸附过程中颗粒物的运动轨迹．通过分析颗粒物在静电力、质量力以及黏性力等作用下的运动特性，发现颗粒物的粒径是影响其运动的主要因素．结果表明:荷电液滴比未荷电液滴更易于吸附颗粒物;颗粒物在到达液滴表面后无法克服液滴的表面张力能，会黏附在液滴表面;部分颗粒物及其微团在飞向荷电液滴的运动过程中会出现奇特的排斥飞散现象;粘黏沉积及排斥飞散现象都会影响荷电液滴捕集颗粒物的效率．

关键词:

荷电单液滴;颗粒物;吸附过程;运动特性;排斥飞散

随着工业快速发展，大气中烟尘及有害气体的排放急剧增加．大量伴随其中的颗粒物能够长时间漂浮，持续影响环境质量，对公共健康造成严重危害［1－4］．如何高效去除空气中的颗粒物成为环保领域的重要研究课题．当前广泛应用的除尘技术有布袋除尘、旋风除尘和水膜除尘等．这些技术可有效去除大颗粒粉尘，但对于颗粒物脱除的效果有限，且颗粒物粒径越小脱除效率越低［5］．近年来国内外的研究发现，静电喷雾除尘技术可以有效地去除颗粒物［6－11］．雾滴荷电后，其周围的颗粒物受到额外静电力的作用，使得颗粒物更容易被雾滴吸附沉降．

早在1944年文献［12］就提出荷电液滴吸附颗粒物的应用，尽管人们很早就发现静电对颗粒物的吸附有增强作用，但是静电喷雾除尘技术的研究才刚刚起步．近年来很多学者研究静电喷雾除尘技术，如:文献［8－9］试验比较单喷嘴及多喷嘴荷电与未荷电的喷雾除尘效率，其发现荷电后颗粒物的脱除效率有显著提升;文献［13］数值模拟荷电单液滴及荷电液滴群吸附悬浮颗粒物;文献［14－15］基于牛顿运动定律及拉格朗日法推导出颗粒物在荷电喷雾除尘过程中的运动轨迹方程，并试验研究了荷电水雾除尘器的捕集效率;文献［16］探讨液滴荷电与否对空气中颗粒物的脱除效率的影响，采用空气微粒计数器测量空气中微粒的浓度，结果表明荷电液滴可有效降低空气中颗粒物的浓度;文献［17］对荷电液滴去除密闭空间中烟气的效率进行试验，发现液滴荷负电荷时可有效提高烟气的去除效率．目前主要集中在对荷电单液滴吸附颗粒物的数值模拟或试验研究宏观喷雾对颗粒物脱除效果的影响，对颗粒物在荷电液滴吸附作用下运动特性的试验研究较少．笔者建立荷电单液滴吸附颗粒物的试验系统，采用高速摄像技术结合显微放大图像处理技术对颗粒物的运动特性进行可视化研究．

1试验方法及装置

试验采用悬挂液滴吸附静止颗粒物．试验装置如图1所示，由注射器、金属毛细管、螺旋测微头、高压静电发生器、金属铜板和粉尘板等组成．毛细管为钢制平口针头，内径为0.21mm，外径为0.51mm，用于悬挂液滴．螺旋测微头用于控制产生液滴的大小．粉尘板含有深0.50mm的凹面用于铺放颗粒物．毛细管通过导线与高压静电发生器相连．毛细管管口与粉尘板相距1.80mm．粉尘板下衬金属板，金属板接地．虚线圈内为拍摄区域．试验液滴当量直径为0.80～1.30mm．试验电压为1kV．试验所选用颗粒物为玻璃球、铁粉以及铝粉，表1给出了上述材料部分物性参数．由于空气湿度原因，颗粒物间会存在毛细力，引起部分颗粒物形成软团聚.为获得液滴的表面图像以及吸附过程中细颗粒的运动轨迹，试验分别采用2种光源，布置方式如图2所示．图2a为侧面照射，可获得液滴的表面图像．图2b为正面照射，可获得颗粒物的运动轨迹图．

2试验结果与分析

2.1颗粒物的受力分析固定荷电液滴捕集静止颗粒物的过程如图3所示．在捕集颗粒物过程中，液滴可吸附大量颗粒物，颗粒物会受到静电力、质量力和黏性力等作用．静电力克服质量力及黏性力，牵引颗粒物到达液滴表面，完成捕集过程．这些力的相互耦合对颗粒物的运动有重要影响．通过对它们进行比较能够更加深入地了解荷电液滴捕集颗粒物的作用机理．荷电液滴电势如图4所示，由试验图片与模拟结果合成得出，在液滴正下方离液滴越近，电势线越密，电场强度越大，最大电场强度Emax≥1×103kV•m－1．从表2可以看出:液滴荷电后，PM10颗粒受到黏性力影响，但运动轨迹不会因黏性流产生畸变，静电力依然起主导作用．由式(1)，(2)，(4)发现:质量力与r3、静电力与r2有关，而物体所受的黏性力与r成比例．因此，随着颗粒物的粒径减小，黏性力的影响将逐渐增大，颗粒物对流体的跟随性将增强．2.2颗粒物的沉积现象颗粒物在荷电液滴表面的沉积如图5所示．不同的颗粒物均黏附在液滴表面，未通过气液交界面进入液滴内部．在多数工况下，颗粒在静电力作用下产生的动能不足以克服液滴的表面张力能而通过气液交界面在液滴内部进行沉积．因此，颗粒物会集中黏附在液滴表面．在静电喷雾除尘中，破碎掉落液滴吸附颗粒物的静电力比试验中静止液滴吸附颗粒物的静电力小．所以在静电喷雾除尘过程中，绝大部分不可溶颗粒物会黏附在液滴表面．当在水中加入表面活性剂后可有效提高大空间的除尘效率，可能是由于加入表面活性剂使液滴的表面能降低，颗粒物可以通过气液交界面进入到液滴内部．

2.3颗粒物的吸附反弹现象在荷电液滴吸附颗粒物的过程中，颗粒物会出现反弹现象，如图6，7所示，部分颗粒物远离液滴，这些反弹颗粒物都来自颗粒微团．颗粒物的反弹现象可分为2种情况:①颗粒微团飞向液滴时破碎，部分颗粒物远离液滴;②颗粒微团撞击液滴后破碎，部分颗粒物被排斥．颗粒微团飞向液滴及破碎后的运动轨迹如图6所示，其中，▲为颗粒物在某一时刻的位置，×为微团破碎位置．微团在靠近液滴的过程中发生破碎，靠近液滴一侧的颗粒物加速飞向液滴，而远离液滴侧的颗粒物背向液滴运动．从0.334ms到0.734ms，破碎后的颗粒物加速远离液滴，其运动轨迹近似垂直于液滴表面，说明此时颗粒物已经荷负电．由于液滴所产生的电场为非均匀电场，微团在该电场中会受到梯度力的作用．梯度力与场强的梯度成正比，颗粒微团上不同位置处的场强不同，因此微团上各处所受的梯度力不同．当微团内颗粒物间的凝聚力小于梯度力之差时，微团破碎．微团破碎时间非常短，远小于颗粒物的荷电弛豫时间，微团破碎瞬间其内部电荷无法及时分布，靠近液滴侧的颗粒物带上正电荷，另一侧颗粒物则带负电荷．由于库仑力决定颗粒物的运动，因此靠近液滴侧颗粒物加速驶向液滴，另一侧颗粒物则沿近似垂直液滴表面方向远离液滴．图7为颗粒微团撞击液滴表面破碎后部分颗粒的运动轨迹．微团在撞击液滴的过程中破碎，与液滴接触的部分被液滴吸附，其余部分则被排斥远离液滴，被排斥颗粒物的运动轨迹近似垂直于液滴表面．这是因为颗粒物及其微团无法克服液滴的表面能，难以通过气液交界面进入到液滴内部，颗粒物的荷电弛豫时间小于其运动特征时间，微团与气液交界面接触后交界面上的负电荷迅速分布到微团上，当斥力大于颗粒物间的团聚力时，微团破碎，从而使未与液滴接触的部分沿近似垂直液滴表面的方向远离液滴．虽然静电喷雾除尘存在静电力的作用会明显提高对细小颗粒物的捕集效率，但静电力的作用也可以使部分已经团聚的颗粒物破碎变成更小的微团，引起排斥飞散．

3结论

1)在液滴捕集颗粒物的过程中，颗粒物受到静电力、质量力以及黏性力等力的作用．当颗粒物粒径较大时(如PM10)，静电力起主导作用．当颗粒物粒径较小时，黏性力会对颗粒物的运动产生影响．当颗粒物的粒径更小时，颗粒物的运动轨迹会因黏性流而产生畸变．2)在静电喷雾除尘过程中，由于颗粒物难以克服液滴的表面能，颗粒物无法通过气液交界面进入到液滴内部，这将会影响到除尘的效率．3)液滴荷电后，额外静电力的作用明显增强液滴对颗粒物的捕集效果，但梯度力的存在可能会引起微团破碎，进而造成排斥飞散．颗粒微团撞击气液交界面后，库仑力使微团破碎，未与液滴接触的部分偏离液滴，影响捕集效率．

作者：王军锋 许荣斌 左子文 孙成仁 单位：江苏大学 能源与动力工程学院