雾化固定剂的初步选取
2016-04-18郭建文
郭建文
(山西晋环科源环境资源科技有限公司,山西 太原 030024)
雾化固定剂的初步选取
郭建文
(山西晋环科源环境资源科技有限公司,山西 太原 030024)
通过分析固定剂抑尘的机理,确定了固定剂选取应测量的参数。通过雾化量、保湿性能和粒径分析3个方面的实验结果,初步选定了丙三醇、果糖和水体积比为1∶2∶7和2∶1∶7这2个配方作为固定剂的初选结果进行下一步实验。
雾化;固定剂;粒径分布
引言
雾化固定剂是放射性气溶胶雾化固定技术实施中的重要因素,它的性质对放射性气溶胶的捕集及固定效果有直接影响。利用雾化发生器,将一定组分的固定剂雾化成非常小的雾滴,输送至待处理区域,捕获空气中悬浮的放射性气溶胶粒子,并最终沉降黏附于地面、墙壁等表面上,也可将存在于表面的松散污染固定,抑制其再悬浮。
1 固定剂抑尘机理
固定剂需要具备2个方面的能力:
1)捕获空气中悬浮的气溶胶粒子;
2)将捕获的粒子或存在于表面的气溶胶粒子固定,防止其再悬浮。
微细雾滴捕尘的一个重要原理是空气动力学捕尘原理,即,通过粉尘粒子与液滴的惯性碰撞、拦截以及凝聚、扩散等作用实现液滴对粉尘的捕集。因而,固定剂需要有较大的雾化量,能为捕获气溶胶粒子提供足量的雾滴。
固定剂抑尘的机理主要是保湿、凝并和固结3种作用[1]。保湿的核心是使抑尘面始终保持一定的水分(4%~10%),即,利用湿润作用使气溶胶粒子密度增大,下降速度加快,抑制气溶胶的产生;凝并防尘机理的技术核心是使表面的粒径分布集中在r>80目(0.177 mm)区间,粉尘沉降速度大;固结的技术核心是使抑尘面具有足够强度,运动物体的动态压力、摩擦剪切作用、拉伸破坏,均不能使其固定后的表面结构受到破坏。
2 实验部分
各种空气动力学捕尘效率公式[2]都表明,随着液滴尺寸的减小,捕尘效率将增大。因而,在保证雾化发生量的条件下,应可能减小雾滴的粒径。
通过上述分析,固定剂配方的初步选取可以从雾化量、保湿性和雾化粒径3个方面来进行。
2.1 实验仪器及设备
雾化发生器,自行设计;空气动力学粒径谱仪,型号:welas-2000,粒径范围0.2 μm~40.0 μm,最大颗粒物检出质量浓度≤2×10-5mg/m3;旋转黏度计;电子台秤,mettler Toledo,型号:TCS300;风速计。
2.2 实验方法
2.2.1 雾化发生量实验
影响雾化发生量的因素较多,如,液体黏度、表面张力、密度、雾化的激发频率以及雾化振子与液面的距离等。初步实验发现,固定剂的发生量受黏度影响较大。如果温度太低,固定剂黏度较大,不容易雾化,而温度过高则雾化振子难以承受。因此,固定剂选择在40℃和50℃ 2个温度下进行雾化量测试。雾化室内液面高度控制在6 cm[3],输送风量调到最大值。固定剂的雾化发生量测定采用雾化发生器开启前的质量和雾化结束后的质量相减的方法。
2.2.2 保湿性能实验
将一密闭的实验箱置于房间内,控制房间温度为20℃。实验箱内分别放置饱和的硫酸氨溶液和饱和氯化钙溶液,控制密闭实验箱内的湿度分别为80%和30%。准确称量一定质量的固定剂于称量皿中,测定固定剂质量与放置时间的变化关系,计算保湿率,见式(1)。
2.2.3 粒径分布测试实验
采用溶胶粒径谱仪测量雾化发生器出口处的粒径分布。其主要由控制器与颗粒测量传感器组成,运用光散射原理实现对气溶胶粒径分布的测量。控制器内有1个真空泵,可吸入被测气体,所测颗粒最后吸附在控制器自带的高效过滤芯上。控制器上装有白光灯泡和光纤,是测量的关键部件。测量时由控制器自带的真空泵定流量(5 L/min)采样,采出的气体进入Welas颗粒测量传感器中,在颗粒通过光学测量空间时,一束从光纤传过来的白光照射在气溶胶上,粒子就会对光产生漫散射,散射信号经另一根光纤传入控制系统,在其中进行信号处理,最后,将处理后的结果传入电脑,经专门软件进行分析整理。
对雾化后的粒子取样采用同轴等速采样的方法,调节雾化发生器出口的风速与采样口的进口风速相同,以达到最大的吸入效率。
3 结果和讨论
3.1 不同配方固定剂的黏度和雾化量
表1~表3给出了不同丙三醇体积分数和20%丙三醇及10%丙三醇条件下不同配方固定剂的黏度和雾化频率为1.7 MHz激发时的雾化量。
从表1~表3可以看出,丙三醇水溶液黏度随丙三醇含量的增加而增大,随温度的升高而减小。相应地,其雾化量随黏度增加而减小,溶液变得难以雾化。在丙三醇体积分数为10%和20%时,溶液黏度随果糖含量的增加而增大,其雾化量随黏度的增加而减小。相比较不同溶液体系的雾化量,如,丙三醇、果糖和水体积比为1∶2∶7和2∶1∶7时,溶液在50℃时两者的黏度相差不大,但前者的雾化量是后者的1.67倍。分析其原因,可能是受表面张力等其他因素影响。
表1 丙三醇体积分数对固定剂黏度和雾化量的影响
表2 20%丙三醇条件下不同配方固定剂的黏度和雾化量
表3 10%丙三醇条件下不同配方固定剂的黏度和雾化量
从实验结果可得,丙三醇、果糖和水体积比为1∶2∶7和2∶1∶7溶液和30%丙三醇溶液在50℃具有较好的雾化能力。
3.2 保湿性
图1和图2是所选几种固定剂的保湿率曲线。
图1 30%湿度时几种配方的保湿率
图2 80%湿度时几种固定剂的保湿率
从保湿率曲线可以看出,相对湿度为30%时,几种配方的水分损失较快,但在7 d测试期内几种固定剂配方均能保持自身的有效成份丙三醇和果糖,使凝并和固结作用在此期间能够得以保持。相对湿度为80%时,几种配方除能保持自身有效成份外,保持水分的能力较相对湿度为30%时有较大提高。如,丙三醇、果糖和水体积比为1∶2∶7和2∶1∶7的配方,在168 h时,保湿率稳定在45%左右,即,除丙三醇和果糖的30%得以保持外,体系中还有近15%的水分被保持,这对于气溶胶粒子的再悬浮具有抑制作用。
3.3 雾滴粒径分布分析
液体超声雾化时形成雾滴的粒径除了受液体多种性质的影响,如,动力黏度,表面张力、液体密度,还与液体被激发的频率相关[4]。式(2)、式(3)为雾滴粒径计算公式。
式中:σ为表面张力,N/m;ρ为液体密度,kg/m3;ω为激发频率;υ为动力黏度,N·s/m2。
式(1)适用于非黏性体系中,式(2)适用于黏性体系中。从式(1)和(2)可以看出,无论是黏性体系还是非黏性体系,在雾化同一液体时,雾滴直径都随激发频率的增大而减小。以V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=2∶1∶7及1∶2∶7体系为例,用粒径谱仪分析其粒径分布,如图3。
图3 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=2∶1∶7体系40℃时雾滴粒径图谱
图4 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=2∶1∶7体系50℃时雾滴粒径图谱
图5 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=1∶2∶7体系40℃时雾滴粒径图谱
图6 V(丙三醇)∶V(果糖)∶V(水)=1∶2∶7体系50℃时雾滴粒径图谱
表4 2∶1∶7体系的平均粒径 μm
表5 1∶2∶7体系的平均粒径 μm
其粒径参数如表4和表5。
从图3~图6以及表4、表5所给出的粒径参数可以看出,在40℃和50℃时,体系雾化产生的雾滴粒径分布峰值随激发频率的增大而逐渐减小,其平均粒径M1,0也随激发频率的增大而减小。而激发相同频率时,温度的变化对粒径影响较小。
根据气溶胶粒子的空气动力学捕获原理,单一雾滴捕获气溶胶粒子截留和惯性综合效率ERI可以用半径为y1的圆面积和雾滴的投影面积之比来规定[5],如第102页图7所示。ERI计算公式如式(4)。
其中,D是雾滴的直径,μm;σ是考虑撞击到雾滴上的粒子反跳到气流中的影响的系数。
由式(4)可得,雾滴的减小对增加空气动力学捕集效率具有较大影响。如当捕获条件相同,雾滴粒径为1.6 μm和1.9 μm时,其空气动力学捕获率之比为:
图7 球体的绕流
即,对相同捕获条件下的气溶胶粒子,1.6 μm的雾滴捕获效率是1.9 μm雾滴捕获效率的1.41倍。
实际中的气溶胶捕获是大量单一雾滴捕获的总和,因此,能在满足产生大量固定剂雾滴的条件下,减小捕获雾滴的粒径,既能减少固定剂使用量,又可以提高气溶胶粒子的总捕获率。
4 结论
雾化固定剂配方是雾化固定技术的关键,选择固定剂应从雾化量、保湿性和粒径并结合固定效果等方面综合考虑。本文考察了几种不同丙三醇、果糖和水配方固定剂的性能,初步确定了丙三醇、果糖和水体积比为1∶2∶7和2∶1∶7这2个配方。
[1] 白向兵.新型抑尘剂的合成与应用研究[D].西安:长安大学,2006.
[2] 张小艳.声波除尘技术研究[D].西安:西安矿业学院,1999.
[3]Donnelly T D,Hogan J.An experimental study of micron-scale droplet aerosols produced via ultrasonic atomization[J].Physics of Fluids,2004,16:2843-2852.
[4]Donnelly T D,Hogan J.Using ultrasonic atomization to produce an arosol of micron-scale particles[J].Review of Scientific Instrrments,2005,76:113301.
[5] 张国权.气溶胶力学——除尘理论净化基础[M].北京:中国环境科学出版社,1987:146-147.
Preliminary selection of atomization fixing agent
GUO Jianwen
(Shanxi Jinhuan Keyuan Environmental Resource Science and Technology Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024,China)
Through the analysis of the mechanism of dust suppression,the parameters that should be measured are determined.Through the atomization quantity,moisturizing properties and particle size analysis of 3 aspects of experimental results,the volume ratio of glycerol,fructose and water is preliminarily selected with 1∶2∶7 and 2∶1∶7.These two formulations can be taken as fixing agents of primary result in next experiment.
atomization;fixing agent;particle size distribution
X701.2
A
1004-7050(2016)06-0036-03
10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.06.11
2016-08-16
郭建文,男,1977年出生,2000年毕业于太原理工大学化工工艺专业,本科,从事环境工程及评价、验收、风险应急等环保工作。