（环境工程专业论文）聚丙烯酰胺复配物用于自激式除尘的试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 湿式除尘器具有结构简单、造价低、同时可去除有害气体等优点， 被广泛应用于电厂、锅炉及矿井等场所的除尘。但湿式除尘器对湿润 性差、粒径小的呼吸性粉尘的去除效率不佳。因此，本文采用聚丙烯 酰胺( p a m ) 复配物溶液作为自激式除尘器的洗涤液，研究p a m 复 配物在提高自激式除尘器对微细粉尘的除尘效率和降低自激式除尘 器的通风阻力方面的性能。 p a m 是一种应用十分广泛的水溶性高分子，具有良好的絮凝、 减阻性能，在各种界面上有很好的吸附作用，实际应用中通常将p a m 和其他表面活性剂复配使用，以提高其性能。本文设计单因素试验和 正交试验，将p a m 和性能优良的湿润剂琥珀酸二辛酯磺酸钠( a o t ) 进行复配，测定p a m 复配物溶液的表面张力、粉尘的沉降时间和粉 尘的接触角，运用层次分析法模型和级差分析方法对试验结果进行对 比分析，得出对粉尘具有最佳湿润效果的p a m 复配物。 将p a m 复配物、a o t 和清水分别应用于自激式除尘器，对比它 们在不同平衡液位下的除尘总效率、分级效率和阻力损失。试验结果 表明，p a m 复配物显著提高了自激式除尘器的除尘效率，特别提高 了对呼吸性粉尘的去除效率。在平衡液位为1 c m 时，自激式除尘器 使用p a m 复配物对粒径小于5 p m 的呼吸性粉尘的去除效率达到 9 5 5 8 ，较使用清水时的8 9 8 8 有了显著的提高。除尘效率随着平 衡液位的增高而增加，当平衡液位超过1 0 c m 后，除尘效率增加幅度 江苏大学硕士学位论文 不大，阻力损失和烟气带液量却明显增大，因而增加了运行费用和烟 气脱水处理的难度，所以平衡液位不易超过1 0 c m 。另外，在相同的 平衡液位下，自激式除尘器使用p a m 复配物比使用a o t 溶液或清水 明显降低了除尘器的阻力损失，减少了除尘器能耗。经济分析结果表 明，自激式除尘器使用p a m 复配物的运行费用较使用清水更为经济， 因此，具有良好的应用前景。 关键词：p a m 复配物，自激式除尘器，层次分析法，除尘，降阻 l l 江苏大学硕士学位论文 肥s t r a c t w e td u s tc a t c h e rh a ss o m ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，c h e a p n e s s a n dt h ea b i l i t yt or e m o v es o m ed e l e t e r i o u sg a s s oi ti sw i d e l yu s e df o r d u s tr e m o v i n gi np o w e rp l a n t , b o i l e ra n dm i n e b u tt h ee f f f i c i e n c yo fw e t d u s tc a t c h e rt or e m o v es o m ed u s tw h i c hc a n tb ew e r e de f f e c t i v e l ya n d r e s p i r a b l ed u s ti sl o w s ot h es e l f - s w a s hd u s tc a t c h e ru s i n gp a mc o m p l e x a si t s w a s h i n gl i q u i dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr e m o v i n gr e s p i r a b l e d u s ta n dr e d u c e i n gt h er e s i s t a n c ew a ss t u d i e d p o l y a c r y l a m i d ei sat y p eo f w a t e r - s o l u b l em a c r o m o l e c u l ew i ms o m e g o o dp r o p e r t i e so ff l o c c u l a b i l i t y , d r a gr e d u c t i o na n da d s o r p t i o nc a p a b i l i t y o ne v e r yt y p eo fi n t e r f a c e ，s oi ti sw i d e l yu s e d i no r d e rt oi m p r o v et h e p r o p e r t yo fp o l y a c r y l a m i d e ，ac o m p l e xo fp o l y a c r y l a m i d ea n do t h e r s u r f a c t a n tw a su s e du s u a l l yi np r a c t i c a l l y s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ta n d o r t h o g o n a lt e s tw a sd e s i g n e dt om a k eac o m p l e xo fp a ma n ds o d i u m d i o c t y l s u l f o s u c c i n a t e ( a o t ) s u r f a c et e n s i o no fp a mc o m p l e xs o l u t i o n ， w e t t i n gt i m eo fd u s ta n dc o n t a c ta n g l ew a st e s t e d t h ep a mc o m p l e xw i t h g o o dw e t t i n ga b i l i t yt od u s tw a sm a d eo u tb ya n a l y s i n gt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sw i t h a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o da n dr a n g ea n a l y s i s m e t h o d t h ed u s tr e m o v i n ge f f i c i e n c y , f r a c t i o n a lc o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n d r e s i s t a n c eo fs e l f - s w a s hd u s tc a t c h e ru s i n gp a m c o m p l e x ，a o ta n dw a t e r i l i 江苏大学硕士学位论文 a td i f f e r e n tb a l a n c e a b l e w a t e rl e v e lw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t d u s tr e m o v i n ge f f i c i e n c ye s p e c i a l l yr e s p i r a b l ed u s tr e m o v i n ge f f i c i e n c y w a s i m p r o v e dr e m a r k a b l e l yb yu s i n g p a mc o m p l e x w h e nt h e b a n a n c e a b l e - w a t e rl e v e li s l c m ，t h ee f f i c i e n c yo fs e l f - d u s tc a t c h e rt o r e m o v et h ed u s tw h o s ed i a m e t e ri sl e s st h a n5 p mi s9 5 5 8 ，c o m p a r e d w i t h8 9 8 8 b yu s i n gw a t e r d u s tr e m o v i n ge f f i c i e n c yw a ss h o tu pw i t h b a l a n c e a b l e - w a t e rl e v e li n c r e a s i n g t h ei m p r o v e m e n to fd u s tr e m o v i n g e f f i c i e n c yw a sl i t t l e ，b u tt h er e s i s t a n c eo fs e l f - s w a s hd u s tc a t c h e ra n d t h e d r o pi nt h eg a si n c r e a s e dal o tw h e n t h eb a l a n c e a b l e w a t e rl e v e le x c e e d e d 10 c m ，w h i c hi n c r e a s e dt h er u n n i n gc o s ta n dd i f f i c u l t yo fr e m o v i n gt h e d r o pi ng a s s ot h eb a l a n c e a b l e w a t e rl e v e l i s n s u i t a b l et oe x c e e d e d 10 c m t h er e s i s t a n c eo fs e l f - s w a s hd u s tc a t c h e ru s i n gp a mc o m p l e xi s m u c hl o w e rt h a nu s i n gw a t e ra tt h es a m eb a l a n c e a b l e w a t e rl e v e l t h e r e s u l to fe c o n o m i ca n a l y s i ss h o w st h a tt h ec o n s u m p t i o no fs e l f - s w a s h d u s tc a t c h e ru s i n gp a mc o m p l e xi sm u c hl o w e rt h a nu s i n gw a t e r , s ot h i s t e c h o n o g y sa p p l i e dp r o s p e c t sa r ev e r yb r o a d k e yw o r d s ：p a mc o m p l e x ，s e l f - s w a s hd u s tc a t c h e r , a n a l y t i ch i e r a r - c l a yp r o c e s sm e t h o d ，d u s tr e m o v i n g ，r e s i s t a n c ed i m i s h i - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密凹。 学位论文作者签名： 年月日 吣 日 擂、 ；出月 名 u l 戳 年 师教 导 借 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章概述 环境、资源、人口问题已被国际社会公认为是影响2 l 世纪可持续发展的三 大问题。随着我国经济的飞速发展，一些行业排出了大量的污染物，恶化了我们 的环境，制约了我国经济的可持续发展。我国政府已将环境保护确定为一项基本 国策，通过制定相关措施，努力实现经济效益、环境效益相统一。 粉尘在大气污染中占有很大的比重，人类的很多活动都会产生细颗粒物质或 粉尘，例如，火力发电厂、供热厂、燃烧炉、采矿场、采石场、水泥厂、石料加 工厂、有色金属和黑色金属冶炼厂、食品加工厂、纺织厂、化工厂、沥青厂等都 是主要的产尘源。另外，我国是以煤炭为主要能源的国家，1 9 9 6 年我国煤炭产 量达1 3 9 7 亿吨，占全国一次能源总产量的7 5 左右，其中绝大部分用于国内消 费，随着我国工业化、城市化进程的加快和人民生活水平的提高，煤炭消费量还 将持续增长。由于我国的经济结构和社会生活建立在国产能源的基础上，而煤炭 又占常规能源探明储量的9 0 ，因此，在今后相当长的时期内，煤炭仍将是我国 的主要能源【l 】。我国的大气污染与以煤为主的能源结构有着直接的联系，中国有 各种燃煤锅炉4 5 万台，其中7 0 以上的为中小锅炉，且分布广泛，利用静电除尘 或袋式除尘等方法单独进行治理的费用较高，另外，难于将这些中小锅炉的废气 进行集中处理，因而，造成了十分严重的大气污染【2 l 。 粉尘污染对人类的影响是多方面的，一方面，粉尘对人体造成毒害和刺激， 一般情况下，l o o t t m p a 上的粉尘很容易完全沉降下来。从卫生方面来看，人的鼻 子可以从含尘空气中滤掉几乎全部粒径大于l o g m 的粉尘( 单位密度球体) 和大 约9 5 的粒径大于5 t a n 的粉尘。被人吸进去的粉尘，大多沉积在呼吸道中，随着 粒径的减小，达到肺部的逐渐增多，并且大部分沉积在肺部，但粉尘粒径小到一 定程度后，又能避免沉积而被呼出。直径很小的粉尘粒子的分子扩散作用( 布朗 运动) 变得重要时，沉积的粉尘再次增加。在每分钟1 5 次的呼吸系统中，大约0 4 9 m 的粒子沉积最少。此外，5 t u n 以下的粉尘粒子能够从肺部进入血液，并可到达淋 巴系统。另一方面，粉尘降低能见度，引起设备磨损腐蚀，对农作物、草原造成 江苏大学硕士学位论文 危害，对环境卫生影响也十分突出。由于1 0 1 m a 以上的粉尘较易被捕集，对人体 的危害也不大，1 0 t m 以下的粉尘，特别是l l m a 以下的亚微米粉尘的去除是除尘 的主要研究范创那。 粉尘的性质具有多样性，其污染往往又具有开放性和随机性的特点。因此， 在许多情况下，粉尘污染的控制非常困难和昂贵。多年来，控制粉尘危害是国内、 国际劳动安全卫生工作中的主要研究领域，粉尘的防治技术也一直得到不断的研 究和发展。目前，国内外已成功研制出多种除尘技术和除尘设备。根据所利用的 除尘机理不同，除尘器可分为机械除尘器( 机械力) 和电除尘器( 电力) 两大类。 在机械力中有重力、惯性力、离心力、冲击、粉尘与水滴碰撞等。过滤也是机械 力作用的一种形式。根据在除尘过程中是否采用液体进行除尘或清灰，又可分为 干式除尘器和湿式除尘器。 不同类型除尘器的性能不一样，很多研究者对旋风、多管除尘器在增效、降 阻方面做了大量工作，但无质的突破，处理含尘烟气尚难有把握达标排放。除少 数场合外，这些除尘器更多的用作预除尘。对粒径大于5 0 i n n 的粗尘，各种类型 的除尘器都有很好的去除效果；对粒径小于5 1 u n 的粉尘，袋式除尘器，电除尘 器和文丘里除尘器等高效除尘器都能得到满意的效净化效果，而这些除尘器中有 的设备昂贵又不防爆( 如静电除尘器) 、有的设备阻力损失太高( 如文丘里除尘 器) ，几乎没有一种除尘器既能实现对粒径小于5 l u n 的粉尘的高效捕集，同时又 没有上述局限性。 湿式除尘器具有结构简单、造价低、同时可去除有害气体等优点，被广泛应 用于电厂、锅炉及矿井等场所的除尘。湿式除尘器对烟尘的捕集效率高且运行稳 定，比其他高效除尘器，如：静电除尘器、布袋除尘器等的投资和运行费用都低， 适用于湿度较大、含有粘性粉尘气体的净化，且能同时进行烟气冷却和增湿，特 别适用于处理高温、高湿和有爆炸危险的气体，此外，在操作时它不会使捕集到 粉尘的再次飞扬，并对有害气体有一定的净化作用，因而为较多的工业锅炉用户 选用。而且湿式除尘器在工业锅炉上的应用正在逐步扩大，这主要是因为：首先， 凡是采用湿式除尘器的工业锅炉，其粉尘的去除效果相当显著，绝大多数锅炉的 烟尘排放浓度可以达到一类地区( 1 0 0 m g n m 3 ) 和二类地区( 2 5 0 m g n m 3 ) 的排 放标准，其周围环境均不会因烟尘污染而受到影响。其次，湿式除尘器对细颗粒 2 江苏大学硕士学位论文 的捕集十分有效，一般旋风除尘器的分割粒径d c 5 0 在5 1 5 微米之间，而湿式 除尘器的分割粒径d c s 0 的范围可在1 5 微米之间。因此，对于烟尘浓度大， 细颗粒多的抛煤机炉、煤粉炉和沸腾炉，在配用湿式除尘器或者对沸腾炉和煤粉 炉在前置一级中效旋风除尘器后可以达到二类地区的排放标准。再次，湿式除尘 器具有一定的脱硫作用。由于水是一种极好的溶剂，当文丘里离心水膜除尘器在 使用清水介质时，也可有1 0 左右的脱硫效率，在使用碱性水时脱硫效率还会提 高【4 一。 综合我国的能源结构、燃烧现状以及湿式除尘特有的优点，使得湿式除尘技 术在国内得到广泛的应用。因此，湿式除尘技术被认为是一种有效的控制大气污 染的方法，也是一项适合我国国情的实用性技术，目前尚难以其它设备、方法替 代。 1 2 国内外湿式除尘技术的发展及现状 湿式除尘器也称洗涤器，它是利用液体来净化含尘气体的装置，水与含尘气 流的接触方式大致有水滴、水膜和气泡三种形式。 国外湿式除尘器的应用研究和发展如下： 1 8 9 2 年g z s e h o h e 取得一种湿法网格式除尘器的专利权，虽然这种除尘器是 很原始的设计，但在当时是最有效的粉尘分离设备。2 0 世纪5 0 年代，国外也研制 并应用了形式多样、构造原理不尽相同的多种矿用湿式除尘器，并得到了广泛的 应用，主要有文丘里洗涤器、旋流除尘器等 6 1 。在6 0 年代末研制出湿润层除尘器， 7 0 代后这类除尘器有了较快的发展，主要有如下几种：美国( j o y ) m i e r o d y m e 湿 润层除尘器、美国矿业局( u s b m ) 的湿式除尘器、英国采矿研究院研制的m r d e 湿式过滤除尘器、前苏联研制的旋转湿润层除尘器等，这类除尘器或因体积较大、 重量较重、或因维护工作量较大、管理不善、过滤层易被粉尘阻塞等原因，至今 还不能完全满足要求。美国矿业局于1 9 7 2 年曾对湿式除尘风机与湿式旋流除尘器 在内的四种矿用湿式除尘器进行了测试。结果表明，这些除尘器虽可捕集到9 0 的呼吸性粉尘，但仍难以使矿尘浓度达到规定的标准 7 1 。 六、七十年代布袋除尘及电除尘发展较快，湿式除尘的应用相对减少，近十 几年来随着环保要求的提高，特别是对微粒控制技术的高度重视，曾一度因污水 江苏大学硕士学位论文 粉灰二次污染问题而低落的湿式除尘器，再一次因其效率高，特别是不会产生二 次扬尘而在国外重新受到关注。美国在7 0 年代曾对各种湿式除尘器提出一个1 0 年研究计划，研究经费增加9 0 0 万美元。据美国专利局1 9 7 7 年度统计，向美国专 利局提出的各种空气污染控制设备及仪器专利总数达4 0 0 多件，其中袋滤式除尘 器占1 l ，电除尘器占7 ，机械除尘器占6 ，湿式除尘器占2 3 ，特别是湿式 除尘器总数达8 0 余件，而1 9 6 2 1 9 7 2 年总数为1 5 0 件，每年平均1 5 件，可见，即 使工业发达的国家，湿式除尘器在各类除尘器的发展中仍占有重要的地位。目前， 国外研究主要集中于低能耗、高效的微粒捕集控制系统： ( 1 ) 对普通湿式除尘器，强化其对微粒的捕集能力。如e n t o l e t 洗涤器是采用 固定导向叶片，使气体及喷雾切线进入洗涤器内，增加二者的离心除尘作用，对 粒径大于3 4 1 m a 的粉尘，除尘效率在9 9 以上。 ( 2 ) 在泡沫除尘器中添加表面活性剂( 化学起泡剂) ，靠粘性使粉尘沉降， 因而提高其对微粒捕集能力，效率可达9 5 9 7 。 ( 3 ) 使用湿润剂，降低水的表面张力，提高对疏水性粉尘的捕集效率。 ( 4 ) 在湿式除尘器中加入电场作用，如带电水滴洗涤器采用二级喷淋，粉尘 随气流经过电晕电场荷电，而水由喷嘴喷出，经蒸汽加热( 或利用工艺余热加热) 的高温水( 1 5 0 4 c 2 0 0 c ) 离开喷嘴时，部分形成细水滴( 平均直径 0 1 时，采用经验式( 2 - 3 ) 计算惯性捕集效率： 州寿) 2 ( 2 - 3 ) ( 2 ) 直接拦截 有些细微颗粒的惯性很小，基本上可以跟随流线而运动。在流体绕流过捕集 体时，若颗粒半径大于或等于该流线与捕集体表面之间的距离，则颗粒便可被直 接拦截。在势流条件下，对于球状液滴，其拦截捕集效率为： r = ( 1 + r ) 2 一击 ( 2 - 4 ) 式中，胄= d d , 。 ( 3 ) 扩散 对粒径在0 2 9 r n 以下的粉尘，扩散作用是一个很重要的捕集因素。此时，在 气体分子的撞击下，微粒像气体分子一样，做复杂的布朗运动，在运动过程中， 尘粒和水滴接触而被捕集，如图2 3 ( c ) 所示。因布朗运动而引起的尘粒去除效率 为准数0 的函数。 ， 口：孕( 2 - 5 ) 髓x d | 式中，q 扩散系数，o m 2 s 。 当微细尘粒受气流的夹带作用向水滴趋近时，它们会由于作布朗运动而沉积 在水滴上，这种效应称为布郎扩散，如图2 3 ( c ) 所示。尘粒越小，布郎扩散效应 越强烈。在分析粒径d 。 2 3 0 0 ) 。在层流中，流体阻力主要是由于相邻各层之间的动量 交换引起的，在湍流流动中，速度趋于平均化，流动阻力主要是由于湍流漩涡与 壁之间的动量传递和尺寸大小不一的漩涡之间的动量传递而导致的。 “7 由上面的反应式( 2 1 1 ) 可以看出，p a m 复配物分子是链式分子聚合体， 它具有p a m 作为优良减阻剂的特点，其水溶液为富有粘弹性的非牛顿流体。将 p a m 复配物加入到自激式除尘器中，p a m 复配物分子能随流体弯曲、伸缩而随 流体一起流动，具有强剪应力。含尘气体冲击液面后，p a m 复配物聚合体分子 与流动方向呈平行排列，流体微元的作用力作用在p a m 复配物微元上，使其发 生扭曲、旋转变形。抵抗上述作用力的复配物分子问引力反作用于流体微元，改 变了流体微元的作用力的大小和方向，使一部分径向力转变为顺流向的轴向力， 阻碍了与流体主流垂直方向的动量传递，使得粘性底层变厚、摩擦阻力变小，从 而抑制了摩擦耗散的能量，减少了无用功的消耗，对湍流脉动动能具有吸收和缓 冲作用，使湍流强度减弱，最终大大降低了含尘气体冲击液面的阻力及气、固、 液三相湍流流动的阻力 3 1 - 3 3 】 ( 2 ) 粘弹性降阻机理 粘弹性减阻，首先要实现除尘器壁的光滑减阻；就要改变层流边界层和湍流 边界层中层流附面层的内部结构：1 ) 减少层流边界层和层流附面层贴近边界处的 流速梯度值和流体对边界的剪力，减小通过粘性直接发散的能量值，达到减阻。 2 1 增大层流边界层和层流附面层的厚度，从而达到减阻。 n i k u r a s e r e i c h a r d t 流速分布图将边界层区划分为三个区域： 清层流阻力区：y + 5 层流湍流阻力区：5 3 0 0 万；另外，m e t i e r 等研究了线形、星形和梳形p s 在甲苯溶液中的减阻效率，试 验结果表明分子链的支化大大减低了分子的减阻效率，p a m 复配物分子的主链 为直链，电解质的加入使其保持呈线型，因而保持了p a m 复配物良好的减阻效 应。 ( 3 ) 表面活性剂减阻 高分子化合物溶于水后，在适当的温度及浓度下可形成链式分子聚合体，这 样的分子聚合体可以弯曲、伸缩而随流体一起流动，对湍流脉动动能具有吸收和 缓冲作用，从而使得湍流强度大大降低，减少能耗 s s 3 6 。但是，由于受到外力 的作用下，高分子聚合物的长链会断裂而使减阻效果逐步丧失，这将使系统的阻 力特性很不稳定且难以控制。2 0 世纪8 0 年代以来，人们发现表面活性剂加入水 中也具有减低湍流阻力的特性，而且稳定性高，经长时间后仍可保持其减阻的特 性【鲫。李沛文、川i1 2 1 靖夫等研究了表面活性剂c t a c 降低湍流阻力损失的性能， 江苏大学硕士学位论文 结果表明，c t a c 溶液的摩擦阻力系数较清水下降了约6 0 7 0 ，阻力损失大 大降低。 表面活性剂种类繁多，是否具有降低湍流阻力的能力，还要看表面活性剂分 子在溶液中能否聚集形成一种纤维状的聚合结构，表面活性剂的这种聚集体易变 形、有弹性、可使整个溶液具有粘弹性，从而为非牛顿流体。在垂直于主流高度 的方向上，湍流脉动大幅度削弱，表明湍流涡扩散受到强烈的抑制，亦即湍流脉 动引起的动能消耗被抑制，因此流动的摩擦损失被大大减低【3 8 1 。 p a m 复配物是一种高分子表面活性剂，它的分子为链式聚合体，因而从这 个层面上讲，p a m 复配物也能够减少溶液的湍流阻力。 2 4 本章小结 ( 1 ) 本章对自激式除尘机理和化学抑尘机理进行了详细的阐述。 ( 2 ) 由于微细粉尘难于被水湿润，而且水面上的微细粉尘易于被气流再次吹 起，从而导致传统的自激式除尘器对该类粉尘的去除效率很低。因而考虑使用 p a m 复配物作为自激式除尘器的洗涤液，来增加自激式除尘器对该类粉尘的去 除效率和降低自激式除尘器的阻力损失。本章对高分子表面活性剂聚丙烯酰胺 ( p a m ) 和湿润剂琥珀酸二辛酯磺酸钠( a o t ) 的复配原理进行了实验分析，并对形 成的p a m 复配物增加对粉尘的湿润效果的理论和减阻理论进行了分析。 2 4 江苏大学硕士学位论文 第三章p a m 复配试验及结果分析 由上面的理论分析我们可以看到，p a m 复配物可以显著降低水的表面张力， 对粉尘具有良好的湿润效果，同时还具有优良的减阻效果，但具体的复配方案还 不清楚。为了找出对微细粉尘具有最佳湿润效果的p a m 复配物的复配方案，现 设计实验如下： 3 1 试验目的、内容及方法 3 1 1 试验目的 ( 1 ) 掌握p a m 复配物各组分对粉尘具有最佳湿润效果的浓度范围。 ( 2 ) 确定复配物各组分对考察指标的影响权重；确定对粉尘具有最佳湿润效 果的p a m 复配物的复配方案。 3 1 2 试验内容 ( 1 ) 设计单因素试验，测定复配物各组分溶液的表面张力，和粉尘在溶液表 面的沉降时间t ，从而得出p a m 复配物各组分对粉尘具有最佳湿润效果的浓度 范围。 ( 2 ) 复配物各组分在对粉尘具有最佳湿润效果的浓度范围内，设计正交试验 考察各复配组分的不同浓度水平对粉尘湿润效果的影响权重，研究p a m 复配物 的最佳浓度配比，以及各复配因素对考察指标的影响趋势。 ( 3 ) 为了验证所得p a m 复配物对微细粉尘的湿润效果，设计验证试验考察 p a m 复配物溶液的表面张力y 及粉尘在p a m 复配物溶液中的沉降时间t ，验证 p a m 复配物对微细粉尘的湿润效果。 3 1 3 实验方法 测定湿润剂对粉尘湿润效果常用的方法有：毛细管反向渗透法、沉降法、测 量湿润角法和测量z 电位势法，本实验研究主要采用了沉降实验法和测定粉尘 江苏大学硕士学位论文 湿润角法进行研究。 3 1 3 1 粉尘沉降实验 沉降实验采用纺织工业使用d r a v e s 实验方法1 3 9 4 0 。w o l k e l 首先把它用于煤 尘湿润性的测定，即为后来的经典烧杯试验法，具体的实验步骤就是称取o 2 9 粉尘，用粉煤筛均匀的撒在5 0 m l 的溶液表面，记录下粉尘完全沉降到液面以下 经过的时间 4 4 3 1 ，见图3 1 。 3 1 3 2 湿润角测定 开始沉降沉降完毕 图3 1 沉降过程图 f i 9 3 - 1s e d i m e n t a t i o np r o c c s s 液体在平面固体表面的接触角的测量很方便，但对固体粉末来说，由于颗粒 细，表面不光滑，液体在固体粉末上的接触角测量起来往往比较困难，主要原因 是：( 1 ) 液体表面易被污染上杂质，因而改变了；( 2 ) 固体表面的粗糙、不 均匀性，以及易被微量杂质污染，均能引起接触角很大变化；( 3 ) 滞后现象，即 液体在干燥固体表面上展铺时和在潮湿固体表面上收缩时的p 值不同，其原因目 前仍不清楚。液体在固体粉末上的接触角在实践中十分有用，但测定接触角准确 数值的意义不大，实际应用中一般测量相对湿润接触角，目前常用的测量方法有 压片法和渗透法。压片法就是将需测接触角的粉尘压制成片，在用平面固体上的 接触角测量的方法测定；渗透法是将粉尘装在一内径均匀的空心管中压实，通过 测定液体在压实分体床中的渗透速度来测定其接触角。渗透法需要一种作参比的 完美湿润液，规定完美湿润液对粉尘的接触角为0 。 江苏大学硕士学位论文 本试验采用j f 9 9 a 粉体接触角测量仪测量溶液对试验粉尘的接触角，j f 9 9 a 粉体接触角测量仪利用渗透法原理测量粉体接触角，它是根据w a s h b u r n 法来测 量液体在压实粉体床中的渗透速度从而测出粉体接触角的。根据w a s h b u r n 方程 可知，若液体由于毛细作用渗入半径为r 的毛细管中，液体渗透过程中压缩粉 体床中的气体而引起的压力差的平方( p ) 2 是时间，的函数，其方程为： ( ：型r( 3 1 ) r 式中：，一液体的表面张力； 一与粉体床本身的性质有关的参数； 玎- 液体的粘度； 口接触角。 作出( 2 t 关系图，将得到一条近似的线性直线，求出斜率k ，得到： 从而可得： k ：p r c o s e ( 3 2 ) r 肚一s c 旁 ( 3 3 ) 式中r l y 仅与液体的性质有关，分别测得液体的粘度叩和表面张力，求出 7 1 7 ，k 值由计算机可以直接得出，关键是确定值。一般用一种对粉尘的湿润 角为零度的液体，即用完美湿润液体( 湿润性最好的液体，其相应的c o s 0 = l ，0 = 0 。) 进行试验，得到相应的值，由它便可以测定在同等试验条件下其他液体与 该粉尘的接触角。但在实际中，往往找不到使粉尘完全湿润的液体，口值就很难 确定。因此，一般采用测量相对湿润角。令样品在液体l 和湿润性更好的液体厶 中的接触角分别为口和岛，测得( p ) 2 f 近似直线的斜率分别为足和，同一样 品在三和l o 中的相同，o o o ，令o o = o 。，则由( 3 2 ) 式可知：p = r o ， 从而可得相对接触角口： 江苏大学硕士学位论文 力。 9 = 一s ( 急) = 一o s ( c 每其中c = 等 。舢 式中节和，与r 。和分别为液体三和湿润性更好的液体厶的粘度和表面张 3 2 仪器及药品 3 2 1 试验仪器 l o o m l 烧杯，玻璃棒，滴管，1 0 0 毫升量筒，秒表，上海雷勃微量移液管( 取 液量程：l o l o o 岬1 1 ) ，粉煤筛，r o s s - 8 1 0 2 型p h 电极，电子天平，d z p m 一2 型 表面张力仪，n d j 7 9 型旋转粘度计，i f 9 9 a 粉体接触角测量仪。 3 2 2 试验药品 浓度为4 0 0 , 6 的琥珀酸二辛酯磺酸钠( 阴离子型) ，有效成分为8 5 、分子量大 于3 0 0 万的聚丙烯酰胺( 非离子型) ，n a 2 s 0 4 ，浓度为l m o l l 的盐酸溶液，浓 度为l m o l l 的氢氧化钠溶液，蒸馏水，实验粉尘选自某电厂第三级电除尘器捕 集下来的粉尘，粉尘粒径分布见表3 - 1 。 表3 - 1 粉尘粒径分布 t a b l e3 】d i a m e t e rd i s t r i b u t i o no f d u s t 粒径范 訇o m 粒径分布 2 05 6 7 3 3 复配物各组分对粉尘湿润性能的影响 为了掌握p a m 复配物各组分对粉尘具有最佳湿润效果的浓度范围，确定对 粉尘具有最佳湿润效果的p a m 复配物各组分的最佳浓度水平，考察沉降时间t 、 江苏大学硕士学位论文 表面张力，和粉体接触角护等指标。其中沉降时间，为主要考察指标，因为沉降 试验的作用机理、试验条件和自激式除尘过程中粉尘穿透水的机理和条件相似。 3 3 1a o t 浓度对粉尘湿润性能的影响 ( 1 ) 取五个烧杯，分别编号为l ，2 ，3 ，4 ，5 ，然后用微量移液管分别取0 0 7 m l ， 0 1 3 6 m l ，0 2 7 m l ，o 5 4 m l ，o 8 2 m l 的a o t 投加到五个烧杯中，加入蒸馏水至5 0 m l ， 分别配成浓度为0 0 5 ，o 1 ，o 2 ，o 4 ，o 6 的溶液； ( 2 ) 利用d z p m 2 型表面张力仪测得3 3 1 ( 1 ) 中各浓度的a o t 溶液的表面 张力，探究a o t 浓度与表面张力，之间的关系，结果见图3 - 2 ； ( 3 ) 用电子天平分别称取五份0 2 9 的粉尘，用粉煤筛分别均匀的撒在3 3 1 ( 1 ) 中五个烧杯的溶液表面，用秒表记录下粉尘完全沉降的时间，实验结果见 图3 - 2 。 从图3 - 2 中可以看出，a o t 溶液的浓度从0 0 增加到o 1 的过程中，表面 张力r ：a7 1 1 8 r a n m 1 下降到3 0 7 8 m n m 1 ，y 随浓度的增加而急剧的减小。表面 张力随a o t 浓度的变化曲线在a o t 浓度为o 1 时发生转折，该浓度即为临界 胶束浓度( c m c ) 。此时，许多a o t 单个分子或离子开始缔合形成胶团，之后，继 续增加a o t 溶液的浓度，也不能使单个分子或离子的浓度有显著的增加，而是 形成更多的胶团，a o t 分子在溶液表面的吸附也达到饱和，不再增加。因此， 溶液的表面张力在c m c 以上不再有显著的下降，从式( 3 5 ) 中可以清楚的看出： 一d y 2 r t = r d l n c ( 3 5 ) 式中：，溶液的表面张力，m n m ； 足摩尔气体常数； r 热力学温度，k ； 掣一a o t 分子单位表面上的过剩； c - a o t 分子的体积摩尔浓度，m o l l 。 当a o t 浓度达到c m c 以上后，掣为零，代入式( 3 5 ) 得：d y l d l n c = 0 ， 表示表面张力随浓度的变化率为零，从图3 2 可知，d r d l n c 为曲线某点切线 2 9 江苏大学硕士学位论文 的斜率，当a o t 浓度达到c m c 后，曲线各点切线与横轴平行，斜率为零，说明 表面张力不再随a o t 浓度的增大而变化。所以，起湿润作用的a o t 溶液的最 佳浓度在1 左右，继续增大浓度，表面张力下降甚微，而药品消耗量却迅速增 加，很不经济。 图3 3 表示了a o t 溶液浓度与粉尘沉降时间r 的关系，从图中我们可以看出， 随着a o t 浓度从o o 开始增加，粉尘的沉降时间，越来越短，说明溶液对粉尘 的湿润效果随a o t 浓度的增加越来越好，当a o t 浓度增加到o 2 左右时，f 达 ，8 0 藕 僻2 t ； 2 5 0 2 0 0 0 厘1 5 世1 0 0 0 鳝5 0 o 0 2 嚣( ) 0 4 0 50 6 o 0 , 2 浓踟o 6 0 8 浓度( ) 浓度 图3 - 2 a o t 浓度与表面张力的关系 图3 - 3 a o t 浓度对粉尘沉降时间的影响 f i 9 3 - 2r e l a t i o n s h i pb c t w e , e nc o n c e n t r a t i o nf i 9 3 3e f f e c to f c o n c e n t r a t i o no f a o t0 1 1w o f a o ta n d $ 1 1 r f a c , et e n t i o n 枷n g t i m eo f d u s t 最小值，约为4 3 0 s 。之后，继续增加a o t 浓度，t 逐渐增大，a o t 溶液对粉尘 的湿润效果开始变差。本实验研究选用的粉尘的表面自由能在1 l o j m - 2 以上， 粉尘表面为高能表面，即粉尘属于易湿润粉尘。根据湿润的条件，见式( 2 - 8 ) 、 ( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ，高能表面的表面自由能，。比较大，那么体系的表面自由能g 大大下降，湿润过程能自发进行，一般的液体在高能表面是可以展开的。 实验粉尘在a o t 溶液中的沉降时间之所以存在最小值，这还得要从a o t 分子在粉尘表面的吸附来说。粉尘的表面由疏水和亲水晶格组成，且该实验粉尘 的亲水晶格数超过疏水晶格数。在没有添加n a 2 s 0 4 的情况下，当a o t 溶液浓度 较低时，根据相似相吸的原理，部分a o t 分子的疏水基被吸附在粉尘表面的疏 水晶格，在范德华力的作用下，有部分a o t 分子的疏水基也吸附在粉尘表面的 亲水晶格，这对粉尘的湿润有利，另外，也有部分a o t 分子的亲水基吸附在粉 尘表面亲水基所吸附的正离子层上。这时疏水基朝向液相，不利于粉尘的湿润， 但总的效果是提高了溶液对粉尘的湿润性能。随着a o t 浓度的增加，粉尘上少 数的疏水晶格几乎被亲水晶格吸附的a o t 分子所覆盖，疏水晶格对a o t 分子 江苏大学硕士学位论文 的吸附逐渐达到饱和，此时，吸附作用不断进行。由于a o t 分子在亲水晶格上 的反向吸附，见图2 _ 6 的c ，吸附的后期开始在粉尘的表面产生疏水特性。当溶 液中a o t 的浓度值为o 2 左右时，在粉尘表面上的吸附开始从倾向于亲水面吸 附到产生疏水性的转折。之后，随着a o t 浓度的增大，a o t 分子在粉尘表面亲 水晶格上的进一步反向吸附使得疏水作用更加明显。继续增大a o t 溶液的浓度 会导致湿润能力的进一步恶化。 对于易湿润粉尘而言，在高的表面活性剂浓度下，可湿润性不会复原导致在 易湿润粉尘表面不会形成半胶束。因而，随着浓度的增加，a o t 分子在粉尘表 面亲水晶格的逆向吸附造成的疏水性得不到改善。 对比图3 - 2 和图3 3 ，可以发现a o t 溶液的表面张力和沉降时间的相关性很 差。i | 缶界表面张力以是衡量粉尘表面湿润难易程度的一个重要的经验指标，若 液体的大于固体以，则液体不能载固体表面自动展铺，水的表面张力较高， 一般在低能表面上不能自动展铺，最方便的方法就是在水中加入表面活性剂( 湿 润剂) ，使液体的九低于固体的临界表面张力儿，向水溶液中添加湿润剂a o t 来改善对粉尘的湿润能力不仅仅是降低水的表面张力，因为a o t 很容易使水的 表面张力降低到粉尘的临界表面张力值( 约4 0 m n m - 1 ) 。所以，提高清水对粉尘 的湿润性能没有必要一味追求低表面张力而向水中加入更多的湿润剂，这样提高 湿润性能的效果不明显且极为不经济【3 删。 通过对试验结果的分析，得出了a o t 溶液对试验粉尘最佳湿润效果时的浓 度范围是：0 0 5 o 4 。 3 3 2p a m 浓度对粉尘湿润性能影响 ( 1 ) 称取0 0 5 8 8 9 聚丙烯藏胺，将其加入5 0 m l 的温水中配成浓度为0 1 的 p a m 溶液； ( 2 ) 用移液管分别取3 3 2 步( 1 ) 中的p a m 溶液0 5 m l ，4 m l ，5 m l ，1 0 m l ， 2 5 m i 到编号为1 5 的五个烧杯中，加入蒸馏水定容至5 0 m l ，配成质量浓度分别 为0 0 0 1 ，0 0 0 8 ，0 0 1 ，0 0 2 ，o 0 5 的聚丙烯酰胺溶液。 ( 3 ) 利用d z p m - 2 型表面张力仪测得3 3 2 ( 2 ) 中各浓度