2、礦井水表面張力及霧化特性測試試驗

2.1試驗材料

總結調研數據可知,中國華北區域礦井水水質狀況如圖1所示。

根據調研結果配制9組溶液,包括8組Na＋、K＋離子濃度不同的礦井水和1組純水,溶液配比見表1。配制溶液時,取適量去離子水,向其中投加CaCl２、MgCl２、Ca(HCO３)２ 控制礦井水硬度,向其中投加NaCl、HCl和NaOH控制礦井水的pH為7.5,向水溶液添加其他必需微量離子和雜質,靜置2 h待用。

表1礦井水水質參數

2.2試驗系統及設備

本文采用的表面張力測量儀和激光粒度測試系統如圖2、圖3所示。從圖2可知,表面張力測試系統主要由光源、樣品臺、注射單元、采集系統、分析軟件5部分組成。光源采用LED冷光設計,發光均勻,圖像清晰;注射單元采用高精度微量注射泵進液,由軟件定量定速控制,滴液穩定;樣品臺采用三維手動精調平臺,操作靈活、定位精準;采樣系統采用黑白進口CCD相機,拍攝穩定;分析軟件功能較全面,具備一鍵式全自動擬合能力,可滿足不同形態液滴的擬合。

從圖3可知,噴霧粒徑測試主要儀器及工具包括激光粒度分析儀、高壓噴霧水泵、計算機分析控制系統等。計算機分析控制系統使用PAQXOS 4.1測量軟件,該軟件可定義、控制整個測量過程,并在試驗結束后處理測量的粒度分布數據。

2.3試驗內容

2.3.1表面張力測試試驗

液體從噴嘴噴出初始階段，表面張力會對射流霧化產生阻礙作用，所以表面張力對噴霧場霧化性能有重要影響。測量表面張力時，調節樣品臺和光源在同一高度，在進樣器中裝入1mL待測礦井水后滴至測量臺，待測溶液與測量臺接觸瞬間，開始捕捉液滴形態。測量完畢后，利用數據處理系統處理試驗數據與圖像。

2.3.2噴霧霧化特性測試試驗

噴霧霧化效果直接影響降塵效率，因此了解各溶液霧化特性和差異對降塵效果有重要意義。測量噴霧粒徑時，依次調節噴嘴與激光粒度儀距離為5，10,15,20,25cm,將噴嘴固定于支架上，設置激光粒度儀參數后開啟高壓水泵，調節水泵壓力為4 MPa，測試每組樣品在5個測點的粒徑分布，測試時間為30s，每組測試3次取平均值，測試結束后對結果進行處理。

3、試驗結果與分析

3.1表面張力測試結果與分析

各溶液表面張力測試結果如圖4所示。

由圖4可知,純水、礦井水1#至4#、礦井水5#至8#表面張力平均值分別為57.73 mN/m、74.41 mN/m、66.03mN/m,純水表面張力明顯小于礦井水，隨著礦井水中Na+、K+數目減少，其表面張力顯著減弱。這是由于礦井水中Na+、K+離子濃度減小,靜電力吸附有效范圍擴大,吸附作用隨之增強,直至界面對離子的吸附作用逐漸大于排斥作用,因此表面張力呈現減小趨勢。由此可知，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。在相同壓力條件下，表面張力決定霧滴粒徑分布，因此，純水噴霧霧化特性略優于礦井水。綜上，礦井水中Na+、K+等離子濃度通過改變其表面張力間接影響噴霧霧化特性。針對煤礦井下粉塵治理，可將降塵用水進行軟化除鹽處理后應用于噴霧降塵，以期降低其表面張力，優化噴霧霧化特性。

3.2噴霧霧化特性試驗結果及分析

3.2.1噴霧粒徑分布

噴霧降塵效果與霧化特性參數密切相關，其中霧滴粒徑是影響霧化特性的關鍵因素。9組溶液在15cm測點處的粒徑分布如圖5所示。由圖5可知，各溶液霧滴粒徑主要分布為25~75μm，純水、礦井水1#至4#和礦井水5#至8#噴霧粒徑位于該區間的平均比例分別為80.10%、55.87%、69.73%，礦井水1至8#的粒徑累積分布曲線斜率逐漸增加，這說明礦井水霧化效果不斷提升。由此可知，礦井水中Na+、K+離子濃度越低，霧滴粒徑分布越集中，其霧場更有利于呼吸性粉塵捕集。這是由于礦井水表面張力減小，霧滴破碎程度逐漸提高，致使霧滴細化且粒徑集中分布于25~75μm區間，這說明噴霧霧化特性隨表面張力減小不斷優化，霧滴粒徑趨向均勻分布。綜上，礦井水中Na+、K+離子濃度差異改變其表面張力，從而影響噴霧粒徑分布、霧化百分比等特性。