基于磁、电及其耦合作用的液滴表面张力研究*

2022-04-09贾荞溪荆德吉邓洋波葛少成

现代矿业 2022年3期

贾荞溪荆德吉邓洋波葛少成

（1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院；2.大连海事大学船舶与海洋工程学院；3.太原理工大学安全与应急管理工程学院）

目前，水雾降尘技术作为煤尘防治领域使用最广泛且最普遍的降尘技术，受环境、水质等因素的影响，其降尘效率有待提升。为有效提高水雾降尘效率，文献［1-3］在湿式降尘原理的基础上进行了深入研究。磁化水喷雾［4-8］由于磁化作用使得雾滴的润湿性能增强，并延长了其在空气中的存在时间，在降尘过程中，空气中的尘粒能够与雾滴团簇充分地碰撞、凝并及沉降，从而达到降尘的目的。荷电水雾［9-12］因水雾荷电感应原理使雾滴表面形成偶电层，负电荷被喷嘴电极吸引，雾滴表面带有正电荷，改变了雾滴表面活性，促使煤尘团聚，以达到降尘的效果。磁电耦合喷雾［13］则是在对普通液态水施加一定强度磁场的同时施加一定的荷电电压，其形成的雾滴在磁电吸附力的作用下与尘粒交融、团聚、沉降，以实现降尘净化的效果。磁化、荷电及磁电耦合作用的实质是改变水的表面张力，进而改变尘粒与液滴接触时的润湿性能，从而实现理想的降尘效果。降尘过程是将雾滴的分子团簇变为较小的分子群，或转化为游离的单体水分子、2 个聚合物分子的形式［14］。这种微观的变化使液滴的表面张力得以降低，从而有助于提高其对粉尘的润湿能力，提高降尘效率。

综上，磁化、荷电及磁电耦合作用均能通过改变雾滴的基本性质达到降尘的目的，但3种降尘技术沉降能力的优劣目前尚无定论。基于此，以微观降尘机理为主要切入点，运用交叉实验法进行磁化作用、荷电作用及磁电耦合作用下的液滴表面张力变化情况的对比实验研究，并运用Materials Studio 软件构建水分子模型，进行分子动力学模拟，对本次实验的结果进行验证。

1 液滴表面张力实验

1.1 实验的提出

磁化或荷电作用改变了水的基本性质。但磁化、荷电及磁电耦合作用对于水的基本性质的影响程度及变化规律仍有待深入研究。

基于此，本研究开展基于磁化、荷电及磁电耦合作用对液滴表面张力影响的实验，改变磁场强度与荷电电压，进行交叉实验，对不同磁场强度、荷电电压及两者共同作用下的液滴表面张力进行测量，进而得到磁化、荷电及磁电耦合作用下的液滴表面张力变化规律。

1.2 实验装置

液滴表面张力测量装置由供电系统、测量系统组成。供电系统由负高压静电直流发生器和电极环构成。为保证实验安全，需对负高压静电直流发生器进行接地处理。选用2 mm厚的不锈钢电极环作为本次实验的感应荷电装置。绝缘棒通过电极环两侧的圆孔将其固定在实验装置中，并与负高压静电发生器连接，使电极环带电。测量系统主要由表面张力测量仪和计算机构成，在支架内铅直方向上固定容量为1 mL 的电动注射器，以精确控制毛细管内的液滴量，该系统可对磁化、荷电及磁电耦合作用下的液滴表面张力进行测量。根据磁感应线切割液的工作原理，制备磁化水。采用磁化装置对水进行磁化处理，处理速度为110 次/min。

1.3 实验步骤

实验用水为自来水，水质检测参数如表1所示。系统采用感应荷电方式，即保证毛细管位于电极环中央，并保持电极环的高度与液滴平行。由于实验只使用一个电极环，且保持其位置不变，因此，忽略电极间距与电极环直径的影响，在保证其他实验条件不变的情况下，只考虑磁场强度、荷电电压及两者共同作用对液滴表面张力的影响。首先，制备实验用磁化水，选择磁场强度参数为0，100，300，500，700，1 000 mT。将制备好的磁化水注入电动注射器中，调整电极环位置，保证注射器置于电极环正中央，且注射器毛细管管口产生的液滴与电极环有必要处于同一高度。开启高速数码相机、光源和计算机，利用计算机开始滴液，使电动注射器毛细管管口产生悬垂液滴，每次测量的液滴须处于将要滴落的临界状态。进行同一磁场强度、不同荷电电压下的液滴表面张力测量实验时，荷电电压参数设置为0，3，6，9，12，15，18，21 kV。改变磁场强度，进行交叉实验，记录各参数状态下的液滴表面张力值。液滴初始形态及表面张力如图1所示。

2 实验结果分析

磁化、荷电、磁电耦合作用后的表面张力与未经任何处理时液滴表面张力的差值即为表面张力的相对变化量，据此可知不同作用条件下的表面张力相对变化率。本研究从液滴表面张力变化及表面张力相对变化率两方面对实验结果进行分析。

2.1 磁化作用对液滴表面张力的影响

当荷电电压一定，不考虑其他影响因素时，不同磁场强度对液滴表面张力产生的影响不同，将正相对变化定义为表面张力减小，负相对变化定义为表面张力增大，其变化及相对变化情况如图2所示。

由图2（a）可知，磁场强度由0 mT 增至100 mT时，在0～9 kV 范围内保持荷电电压一定，液滴表面张力减小；在12～21 kV 范围内保持荷电电压一定，液滴表面张力增大。磁场强度由100 mT 增至300 mT 时，在0～15 kV 范围内保持荷电电压一定，液滴表面张力减小，且小于相同荷电电压条件下0 mT 时的表面张力；在18～21 kV 范围内，荷电电压一定，表面张力增大。在0～21 kV 范围内保持荷电电压一定，磁场强度由300 mT 增加增至700 mT 时，液滴表面张力虽不断增大，但幅度不大；磁场强度由700 mT 增至1 000 m时，表面张力增幅明显。

由图2（b）可知，当磁场强度为0～300 mT时，表面张力的相对变化呈现出先正向增大后负向增大的趋势。当磁场强度为0，100，300 mT 时，荷电电压为0～9 kV，表面张力的正相对变化随荷电电压的增加而增大。当磁场强度超过700 mT 时，表面张力均为负相对变化，此时的表面张力均大于初始状态的液滴表面张力；同时，该磁场强度下表面张力相对变化的正负不再受到荷电电压影响。磁场强度为300 mT 时，液滴表面张力具有最大的正相对变化率，即此时液滴表面张力的减幅最大。

2.2 荷电作用对液滴表面张力的影响

当磁场强度一定，在保证实验条件不变的情况下，忽略其他影响因素，不同荷电电压对液滴表面张力产生的影响不同，其变化及相对变化情况如图3所示。

由图3（a）可知，荷电电压由0 kV开始增加，在0～300 mT 范围内保持磁场强度一定，液滴表面张力呈现出先减小后增大的趋势；在磁场强度为500 mT时，磁场强度一定，表面张力出现了先增大后减小再增大的现象；在700 ～1 000 mT 范围内保持磁场强度一定，液滴表面张力随荷电电压的增加而逐渐增大。当荷电电压超过15 kV 时，液滴表面张力呈现出骤然增加的现象，且此时磁化作用对表面张力的影响与荷电作用相比略显微弱。当荷电电压为9 kV、磁场强度为0～500 mT 时，具有各自磁场强度条件下的液滴表面张力最低值。

由图3（b）可知，当荷电电压为0 ～9 kV 时，表面张力的相对变化呈现出先正向增大后正向减小再负向增大的趋势。当荷电电压为0，3，6，9 kV 时，磁场强度在0～300 mT 范围内，表面张力的正相对变化随磁场强度的增加而增大。当荷电电压为12 kV 时，表面张力的相对变化随磁场强度的增加呈现出先负向增大后正向增大再负向增大的变化趋势。当荷电电压超过15 kV 时，表面张力均为负相对变化，此时的表面张力均大于初始状态的液滴表面张力；同时，该荷电电压下表面张力相对变化的正负不再受到磁场强度的影响。荷电电压为9 kV 时，液滴表面张力的正相对变化率最高，即此时具有液滴表面张力的最大降幅。

2.3 磁电耦合作用对液滴表面张力的影响

保持荷电液滴及电极环间距一定，忽略其他影响因素，只考虑荷电电压及磁场强度（即磁电耦合作用下）对液滴表面张力产生的影响，其变化及相对变化特征如图4所示。

由图4（a）可以发现，对液滴进行磁化可以使液滴的表面张力发生改变，同样，对液滴施加外部电场也能有效改变其表面张力。在3～15 kV 范围内保持荷电电压一定，磁场强度由100 mT逐渐增加，液滴表面张力呈现出先减小后增大的趋势。在100～300 mT范围内保持磁场强度一定，荷电电压由3 kV 逐渐增加，液滴表面张力也呈现出先减小后增大的情况。但当荷电电压超过18 kV或磁场强度超过700 mT后，磁、电作用对液滴表面张力的改变具有一定的反作用。由此可见，对磁化后的液滴施加一定的外部电场，液滴表面张力发生改变且小于未磁化未荷电时液滴表面张力的现象，即为磁电耦合现象。

由图4（b）可知，磁电耦合作用下正相对变化存在的参数条件为：荷电电压为3，6，9 kV 时，磁场强度为100 mT 或300 mT；荷电电压为9 kV 时，磁场强度为500 mT；荷电电压为12 kV时，磁场强度为300 mT。其余磁电耦合作用参数条件下的表面张力相对变化均为负方向。当荷电电压为9 kV、磁场强度为300 mT时，正方向的相对变化最大，即此时为磁电耦合作用下的表面张力最小值。

由上述实验结果可知，磁化、荷电及磁电耦合作用可以改变液滴的表面张力。对表面张力的相对变化进行观察可以发现，若需使液滴表面张力减小，可以在一定范围内施加作用力，但该作用力超过合理范围后，则会起反作用。

3 基于MS软件的水分子动力学模拟

3.1 水分子模型的构建

基于MS 软件进行水分子片段模型构建，并将其在Forcite 模块中进行优化，优化前后构型如图5 所示。将优化后的模型构建成水分子循环模型，即完成水分子模型构建。

3.2 水的分子动力学模拟

文献［15-17］表明，当氢键的数量及强度发生变化，水也会产生整体能量的改变，其以亥姆霍兹自由能的改变为主，这也使得水的理化性质发生一系列的改变，例如，接触角或表面张力等发生变化。因此，可通过水分子能量结构中各能量值的大小反映出表面张力的变化情况。

宏观意义的电场与磁场表现为大小和方向均不再受外界影响的稳恒场，而微观角度，分子内或分子间一般以动态的平衡来维持整体的稳定，以实现宏观的稳态。作为自然界最小带电粒子的电子，通过自旋可以产生磁场。电与磁之间存在的某种形式上的相互转化，是电磁感应现象存在的实质。水作为极性分子，在磁场或电场作用中，受电场作用是其主要影响因素。因此，本研究运用Materials Studio 软件中的DMol3 模块，基于密度泛函理论、电场理论及磁场理论，对水分子进行模拟研究。模拟参数设定如表2所示。

3.3 模拟结果分析

模拟得到了水分子的能量构成，具体参数如表3所示。

表3所示的能量值的大小表示做功多少，其正负则表示所做的是正功或负功。因此，可取能量值的绝对值对模拟结果进行比较并得出结论。

静电能的能量值反映了荷电对水分子的作用情况，自旋极化能则反映了磁场对水分子的作用情况，而静电能与自旋极化能在原子能总和中的占比反映了水的磁电耦合作用。对比模拟后水分子能量成分中静电能和自旋极化能的能量值可知，静电能所做的功大于自旋极化能所做的功，即与磁化作用相比，荷电作用在原子能总和中的占比更大，但两者均小于磁电耦合作用。同时，模拟结果与液滴表面张力实验结果相对应，即磁电耦合作用下的液滴表面张力的相对变化大于荷电作用大于磁化作用。