磁化水对燃煤PM2.5润湿性的影响 [PDF全文]
(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)

为了研究磁化水对燃煤PM2.5润湿性的改善效果,测定了不同磁感应强度和磁化时间下4种水溶液的表面张力及其对4种典型燃煤PM2.5的接触角大小,计算了燃煤PM2.5的临界表面张力,并进行了水磁化后细颗粒物的水汽凝结长大实验.结果表明:在实验条件范围内,磁化作用能够降低水的表面张力及其对细颗粒物的接触角,并与磁感应强度成多极值增减变化关系,与磁化时间成负相关; 在磁感应强度700 mT、磁化时间60 min时,磁化水对颗粒润湿性改善效果最佳; 燃煤PM2.5典型成分Al2O3、CaSO4、SiO2和Fe2O3的临界表面张力范围分别为52.7~56.3、48.6~55.7、42.2~48.9和50.1~54.2 mN/m; 磁化水可有效提高燃煤PM2.5在低过饱和水汽环境中的核化长大效果.

Effect of magnetized water on wettability of coal-fired PM2.5
Zhang Yuanyuan,Zhang Jun,Yin Jie,Lü Li
(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to study the effect of magnetized water on improving the wettability of PM2.5 in coal combustion, the surface tension of four aqueous solutions under different magnetic intensities and magnetization time and the contact angles of the water to typical coal-fired PM2.5 were measured, and the critical surface tension of coal-fired PM2.5 was calculated. The water vapor condensation growth experiment of fine particles after water magnetization was carried out. Experimental and calculation results show that the surface tension of water and its contact angle to fine particles can be reduced by magnetization under the experimental conditions, which varies with the magnetic intensity in multi-extreme values and is negatively correlated with magnetization time; the effect of magnetized water on the fine particle wettability is best when the magnetic intensity is 700 mT and the magnetization time is 60 min; the ranges of critical surface tension of Al2O3, CaSO4, SiO2 and Fe2O3 are 52.7 to 56.3,48.6 to 55.7,42.2 to 48.4, and 50.1 to 54.2 mN/m, respectively. Magnetized water helps to effectively improve the nucleation growth effect of coal-fired PM2.5 in a low supersaturated water vapor environment.

引言

将水汽相变颗粒预处理技术与传统除尘技术相结合可提高细颗粒物的脱除效率[1],即细颗粒进入过饱和水汽环境长大后再进入传统除尘设备.已有研究表明[2],改善燃煤细颗粒表面的润湿性可以促进细颗粒物在水汽条件下长大.水对细颗粒物的润湿性与其表面张力大小有关[3].对同一种颗粒物而言,水的表面张力越小,对其润湿性越好.但普通水的表面张力相对较大,不利于颗粒的水汽相变长大.因此,研究如何降低水的表面张力,从而改善细颗粒物的润湿性,有利于提高燃煤细颗粒的水汽相变长大效果和脱除效率.

水在磁场作用下其表面张力会降低[4-5],对固体的接触角减小[6],其他性质包括pH值、挥发性、电导率、黏度等也会发生改变[7-8].例如,Moosa等[5]采用表面张力测量装置和毛细管法测定了300和500 mT磁感应强度作用后水的表面张力,结果显示磁化5 min后水的表面张力就出现了迅速下降.国内外众多学者均研究表明磁化作用能有效降低水的表面张力,并研究利用磁化水来增强降尘效果[9-10].在生产实践中,相对于添加表面活性剂,水磁化技术过程简单、易于实现,对水体无污染,运行和维护成本低,是一种值得推广的绿色清洁技术.

但从目前研究结果来看,如何根据燃煤电厂实际情况选择磁场条件,磁化水表面张力的变化规律及其对燃煤PM2.5接触角的影响等问题都没有明确结论.为此,本文通过改变磁场磁感应强度和磁化时间研究了不同性质的水磁化后表面张力的变化规律及其对燃煤PM2.5表面接触角的影响,计算了磁化水作用下燃煤PM2.5的临界表面张力,并开展了水磁化后细颗粒物的水汽凝结长大对比实验,为利用磁化水改善燃煤PM2.5润湿性,从而提高其脱除效率提供科学依据.

1 实验材料与方法1.1 实验材料

结合国内燃煤电厂脱硫废水主要特征[11],本文选用4种不同性质的水(自来水、去离子水、酸性水、含盐水)作为实验水样.其中,酸性水pH为5.0,通过添加硫酸调制; 含盐水的主要成分及质量浓度见表1.通过分析国内燃煤电厂排放的细颗粒物主要组分[12],本文选取4种燃煤PM2.5典型成分SiO2、Al2O3、CaSO4、Fe2O3作为实验材料,颗粒物由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供,颗粒平均粒径在1 μm以下.

表1 含盐水成分及质量浓度

表1 含盐水成分及质量浓度

1.2 实验装置与方法

实验装置分为磁化装置、表面张力测量装置、接触角测量装置和水汽相变生长管实验平台4部分.

1)磁化装置由长春英普磁电生产的WD-100型电磁铁、直流稳流电源和高斯计组成,电磁铁磁场方向平行于地面,极柱直径100 mm,磁场气隙可调范围0~80 mm,磁感应强度B可调范围0~1 500 mT.取2 L水置于水槽中,连接水管使水流方向垂直通过磁感线.调整直流电源电压与电流,直到高斯计读数为一定值.打开水泵循环磁化一定时间,流量为20 L/h,磁化结束即取样测定表面张力和接触角.

2)表面张力测量装置选用淄博本创仪器BCZ-800全自动界面张力仪,测量原理为圆环法.通过测量将浸入液面的水平圆环拉离液面过程中所施的最大力来推算液体表面张力,测定范围为2~100 mN/m,精确度为0.1 mN/m.每组实验进行3次,并取平均值.

3)接触角测量装置选用上海中晨JC2000D型接触角测量仪,测量范围0~180°,分析方法为五点拟合法,精确度为0.1°.接触角测量之前,先使用千斤顶压片机将干燥好的细颗粒物压成直径15 mm、厚度约3 mm的圆片状固体.每种材料分别压制3个样品,样品表面平整密实,样品点通常取10个以上进行平均.

4)水汽相变生长管实验平台(见图1)由气溶胶发生系统、温湿度调节系统、磁化系统、颗粒长大系统(生长管)和粒径分布测量系统等部分组成.首先,细颗粒物经过气溶胶发生器被吹散为气溶胶状态,经低温冷却至露点温度后进入生长管中,在热水构建的水汽过饱和环境中长大,后经激光粒度分析仪在线测定其粒径分布,并计算其几何平均粒径.实验系统的水汽环境过饱和度为1.08,颗粒数量浓度为1.7×106 cm-3,颗粒在生长管内的长大时间为2.12 s.

图1 水汽相变生长管实验平台

图1 水汽相变生长管实验平台

2 实验结果及分析2.1 磁化水表面张力变化规律

液体表面张力是表征液体性质的一个重要参数,不同液体的表面张力大小受浓度、温度、pH等影响.表2给出了本文所用4种不同水样的原始表面张力,其中含盐水表面张力最大,其次是自来水、酸性水,去离子水表面张力最低.造成此差异的原因是,实验水样中所含的无机盐或硫酸等成分在水溶液中主要以离子的形式存在,这些离子对水分子有吸引作用而趋向于把水分子拖入溶液内部,此时在增加单位表面积所做的功中还包括了克服静电引力消耗的功,因此其表面张力大于去离子水.另外,随着溶液离子浓度增大,离子对于水分子的吸引力增强,表面张力也随之增大[13].

表2 不同水样的原始表面张力(20 ℃)mN/m

表2 不同水样的原始表面张力(20 ℃)mN/m

分别对上述4种水进行不同磁感应强度(0、300、500、700、900 mT)以及不同磁化时间(0、10、20、30、60 min)的磁化处理,表面张力测定结果如图2图3所示.

图2 磁化水表面张力随磁感应强度的变化曲线(磁化时间30 min, 环境温度20 ℃)

图2 磁化水表面张力随磁感应强度的变化曲线(磁化时间30 min, 环境温度20 ℃)

图3 磁化水表面张力随磁化时间的变化曲线(磁感应强度700 mT, 环境温度20 ℃)

图3 磁化水表面张力随磁化时间的变化曲线(磁感应强度700 mT, 环境温度20 ℃)

图2可知,经过不同磁感应强度的处理后,4种水样的表面张力均出现了不同程度的降低,降低幅度为3.3~8.9 mN/m,远大于仪器的误差范围(±0.1 mN/m).可见在实验条件范围内,磁场对水表面张力的降低有明显的促进作用.但从图2中亦可看到,表面张力随磁感应强度增加表现出波动的变化.这一现象也被Huo等[9]发现,目前的解释是水分子在磁场作用下获得能量的同时,电子云的空间分布及其磁矩的取向均发生变化,在磁感应强度取不同值时分别满足水中氢键形成和断裂的条件,从而发生氢键形成和断裂,导致水的表面张力随磁感应强度呈现多极值增减变化.

另外,随磁感应强度的增加,不同水表面张力的变化规律并不相同.其中,去离子水的表面张力在500 mT前缓慢下降,700 mT时迅速下降到最小值后略有回升,最小值为66.1 mN/m; 酸性水和自来水的表面张力变化呈现多极值状态,分别当磁感应强度为300和700 mT时表面张力达到极小值; 含盐水表面张力的反复波动不明显.

相关研究认为[14-15],液态水中不仅存在自由水分子,还存在由许多极化水分子通过不同数目内部氢键组成的团簇结构,因此液态水中始终存在瞬间的氢键结合与断裂.在外加磁场作用时,水团簇结构内部的氢键断裂或者重组,产生单个水分子,引起了水的性质改变,例如表面张力的降低.但对于水溶液而言,还存在离子水化的影响[16].自来水、酸性水和含盐水中所含的SO2-4、Mg2+、Ca2+、K+、Cl-等离子具有强烈的与水分子结合的特点[17],会与水分子结合形成水合离子,消耗溶液中的自由水分子.对于经过磁场处理的离子水溶液,溶剂水的团簇结构被打破,水团簇变小,生成更多的单分子水,并转化为水合离子,使得溶液表面张力降低.蔡然等[18]研究了磁场对CaCl2溶液中水分子结构的影响,也认为水中离子种类及离子浓度对磁化过程有重要影响.因此,不同水样磁化效果差异的原因可能是水中的离子种类及浓度的不同.

图3可看出,在700 mT磁感应强度下,4种水样的表面张力在60 min内随磁化时间增加而减小,降低范围为8.1~12.5 mN/m.但不同水样受时间变化的影响程度不同,其中酸性水表面张力最低为60.8 mN/m,降低了16.8%; 其次是自来水,最低为62.6 mN/m; 含盐水和去离子水最低表面张力分别为66.2、64.7 mN/m,且在30 min后降低不明显.这种差异可能与不同性质水在磁场作用下溶液中分子的有序性变化有关[19].当溶液中没有多余离子时,磁场只作用于自由水分子和氢键; 并且随着磁化时间增加,单个水分子数量不断增加并稳定在最大值,表现为表面张力先降低后趋于稳定.而当溶液中离子浓度较高时,磁场作用下的离子水化作用占据主导地位[17],溶液中水团簇结构减小,较多的离子与有限的单个水分子结合生成一定数量的水合离子,最后达到相对稳定状态,表面张力未能继续下降[5].当溶液中离子较少时,磁场同时对水分子和氢键以及离子水化产生作用.随着磁化时间的增加,单个水分子数量不断增加,并生成水合离子,进一步促进溶液表面张力的降低,在60 min内未达到相对稳定状态.但从目前研究来看,离子种类与磁化处理对表面张力的作用机理还没有得到很好的解释,有待进一步探索.

2.2 磁化水对燃煤PM2.5接触角的影响

接触角是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性,反映的是润湿性与颗粒组成的关系.一般来说,水和颗粒之间的接触角越小,其润湿性越好.表3是不同水样对4种典型燃煤PM2.5的原始接触角大小.可看出,CaSO4表现出较高的亲水性,接触角在20°~23°之间; Fe2O3润湿性较差,接触角都在52°以上; SiO2和Al2O3的润湿性处于中等水平,接触角均处于30°~40°之间.

表3 未磁化水样对燃煤PM2.5的接触角

表3 未磁化水样对燃煤PM2.5的接触角

在不同磁感应强度下,磁化水对Al2O3、CaSO4、SiO2、Fe2O3的接触角大小如图4所示.可看出,磁化处理确实降低了4种水样对燃煤PM2.5的接触角,因磁感应强度不同改善效果在7%~ 28%之间.不同的是,磁化水对CaSO4润湿性的改善程度不及其他3种颗粒,这可能和CaSO4本身润湿性较好有关,颗粒本身性质弱化了磁化水的润湿性; 而磁化水对Fe2O3润湿性的改善效果明显,并且磁感应强度不同,改善效果差异相对较大,其中含盐水对Fe2O3的接触角在500 mT达到最小值42.2°,降低了15.0°,Al2O3和SiO2的接触角随磁感应强度降低了3°~9°.

图5给出了不同磁化时间的磁化水对燃煤PM2.5的接触角大小.由图可见,磁化水对4种颗粒的接触角随磁化时间增加呈不同程度的降低,其中酸性水和自来水对颗粒润湿性的改善效果随时间逐步提升,而含盐水和去离子水的改善效果在30 min后变化不大.在最大磁化时间60 min时,4种水对燃煤PM2.5的润湿性改善效果达到实验最佳状态.

图4 磁化水对燃煤PM2.5接触角随磁感应强度的变化曲线(磁化时间30 min,环境温度20 ℃)

图4 磁化水对燃煤PM2.5接触角随磁感应强度的变化曲线(磁化时间30 min,环境温度20 ℃)

通过对比分析,可看出不同磁化水对颗粒的接触角变化趋势与其表面张力变化趋势相一致,即磁化水表面张力最小时,其对应的接触角也最小,这符合现有的研究结果[19].水经磁场处理后,由于分子间成键和团聚状态的改变以及极性的增强,使其表面张力减小,相应接触角也会降低.另外,由于颗粒表面性质的不同,在与不同磁化水相接触时,所表现出来的润湿性改善效果也有所差异.例如,磁

图5 磁化水对燃煤PM2.5接触角随磁化时间的变化曲线(磁感应强度700 mT,环境温度20 ℃)

图5 磁化水对燃煤PM2.5接触角随磁化时间的变化曲线(磁感应强度700 mT,环境温度20 ℃)

化后的含盐水在500 mT时对SiO2和Fe2O3润湿性改善效果明显,而对Al2O3和CaSO4的改善效果与其他3种水样相差不大.但目前相关研究较少,微观机理还需要更多实验发现.

3 磁化水的临界表面张力计算

临界表面张力是用于表征固体表面润湿性的特征参数,Zisman[20]研究表明,同系物液体与同一固体表面的平衡接触角θ和液体表面张力γL有关,关系式如下:

cosθ=a-bγL

式中,a,b为润湿常数.当θ=0,即cosθ=1时,可以得到临界表面张力γc,即液体可在固体表面完全铺展的最大表面张力.对于同系物液体,若表面张力大于γc,则无法在相应固体表面上完全铺展; 表面张力小于γc的液体则可以在固体表面上完全铺展,润湿效果最佳.

利用最小二乘法拟合出4种磁化水的表面张力与4种细颗粒物接触角余弦值的线性回归直线,如图6所示.然后对拟合结果进行分析,令cosθ=1,计算得到所对应的临界表面张力,结果见表4.

图6表4可知,磁化水表面张力与细颗粒物接触角余弦值呈负相关,线性关系显著.细颗粒物种类不同时,同种磁化水的临界表面张力存在差异; 细颗粒物相同时,不同磁化水的临界表面张力也有一定差距.分析其原因,可能是由于不同颗粒物的表面性质、溶液中离子的种类及浓度等存在差异.综合来看,在磁化水作用下,细颗粒物Al2O3、CaSO4、SiO2和Fe2O3的临界表面张力范围分别为52.7~56.3、48.6~55.7、42.2~48.9、50.1~54.2 mN/m.由Zisman理论可知,当液体表面张力大于临界表面张力时,其值越接近临界表面张力,液体越容易在固体表面铺展,即润湿效果越好.根据表面张力和接触角随磁场条件的变化情况可知,与其他3种磁化水相比,酸性水在磁感应强度700 mT、磁化时间60 min时表面张力降低至60.8 mN/m,更接近计算所得的临界表面张力,相应接触角也明显减小,具有更好改善颗粒物润湿性的能力.此外,将磁化水的表面张力降低至临界表面张力以下会有助于液体在颗粒表面完全铺展,达到最佳润湿效果.

4 磁化水促进燃煤PM2.5水汽凝结长大效果

基于水汽相变生长管实验平台,使用上述4种燃煤PM2.5为实验材料,进行了自来水磁化前后低过饱和度水汽环境中的单成分颗粒长大对比实验,磁化水作用前后燃煤PM2.5的长大效果如图7所示.

图7可看出,在由磁化水构建的低过饱和环境中,4种颗粒中的小粒径颗粒的比例明显减少,而粒径大于1 μm的颗粒占比有所増加,表明磁化水有助于水汽环境中的纳米级颗粒长大至微米级.

图6 磁化水对燃煤PM2.5的表面张力与cosθ的线性回归关系

图6 磁化水对燃煤PM2.5的表面张力与cosθ的线性回归关系

表4 磁化水对燃煤PM2.5的表面张力与cosθ的线性回归方程及临界表面张力

表4 磁化水对燃煤PM2.5的表面张力与cosθ的线性回归方程及临界表面张力

受磁化水影响,不同成分颗粒长大后粒径分布的变化程度不同.可明显看出,润湿性较差的Fe2O3颗粒受磁化水影响最显著,与未磁化时相比,小粒径颗粒的波峰由0.06 μm向右移动到0.09 μm,微米级颗粒有明显增加.

对上述工况下的4种颗粒长大前后的几何平均粒径及长大倍数进行了计算,结果见表5.由表可知:磁化水对Fe2O3颗粒长大的促进效果最明显,与未磁化相比长大了2.55倍; 磁化水对润湿性较好的CaSO4长大的促进效果相对较小,在相同实验条件下仅长大了1.47倍.这与磁化水对颗粒润湿性影响的研究结果相一致,表明磁化作用可通过降低水的表面张力而增加颗粒的润湿性能,从而促进水汽在颗粒表面凝结和颗粒粒径增大.

5 结论

1)磁化处理能明显降低水的表面张力.含盐水的表面张力受磁感应强度影响最大,然后依次为酸

图7 水磁化前后燃煤PM2.5长大后粒径分布(自来水,磁化时间30 min)

图7 水磁化前后燃煤PM2.5长大后粒径分布(自来水,磁化时间30 min)

表5 燃煤PM2.5长大后几何平均粒径及长大倍数

表5 燃煤PM2.5长大后几何平均粒径及长大倍数

性水、自来水和去离子水.磁化时间60 min时,含盐水、酸性水、自来水和去离子水的表面张力分别降低了12.0%、16.8%、15.1%和11.1%.含盐水和去离子水的表面张力在30 min后受时间的影响较小.

2)磁化水表面张力的值越小,与颗粒物的接触角也越小.在磁感应强度700 mT、磁化时间60 min时,磁化水对颗粒润湿性改善效果最佳; 颗粒润湿性改善效果与颗粒物表面性质有关,润湿性较差的Fe2O3受影响程度较大,而CaSO4较低.

3)磁化水作用下,Al2O3、CaSO4、SiO2和Fe2O3的临界表面张力范围分别为52.7~56.3、48.6~55.7、42.2~48.9和50.1~54.2 mN/m.

4)水磁化有助于促进燃煤PM2.5在低过饱和水汽环境中凝结长大.在相同实验条件下,Fe2O3的几何平均粒径增长了2.55倍,长大效果最好; 其次是SiO2和Al2O3,CaSO4长大倍数最小.

参考文献