3.2濕潤性對塵—霧附著特性的影響

為研究濕潤特性對塵—霧附著效果的影響，筆者按表6所列工況條件開展了數(shù)值模擬計算，圖10a和圖10b展示了顆粒直徑分別為125μm和5μm時塵—霧碰撞速度及濕潤特性對塵—霧附著效果的影響。對于粒徑為125μm的強疏水性顆粒(α=168.4°,β=91.4°)，在低速碰撞時會發(fā)生“反彈(A)”行為，此時ψV=0。隨著固體表面疏水度降低，可觀察到“反彈(A)”行為在低速碰撞時不再發(fā)生。因此，通過向水中添加表面活性劑是防止反彈行為發(fā)生的有效手段。對于粒徑為5μm的顆粒，由于霧滴黏性力作用顯著強于粒徑為125μm的情況，即使固體顆粒高度疏水，也未觀察到反彈現(xiàn)象。相關(guān)原因已于3.1節(jié)進行了分析和解釋。

當塵—霧碰撞速度很大時，在液滴在顆粒表面鋪展的階段，慣性力對液滴形變過程的影響遠大于表面張力，不論前進角α是否小于90°，“膜狀飛濺(D)”行為均會在液滴包裹顆粒前發(fā)生。當機械能在鋪展過程中逐漸轉(zhuǎn)化為熱能和表面能，慣性力與表面張力逐漸趨于平衡。此時，在顆粒表面的液滴進入收縮階段，部分液膜在慣性力作用下有逐漸變薄并脫離顆粒的趨勢。在此階段，后退角β越小，液滴越傾向于包裹顆粒，越有利于液膜抵抗慣性力，從而更容易附著在顆粒表面。因此，ψV主要受后退角β影響，而前進角α與ψV之間卻無明顯的規(guī)律性關(guān)系。如圖10a所示，后退角β越小，在相同的碰撞速度下的液滴附著比例ψV越大。

圖10μ=1.04 mPa·s時不同潤濕性下顆粒表面液體附著比例

值得注意的是，隨著液滴表面張力和接觸角的減小，“完整聚并(B)”與“包裹后撕裂(C)”2種碰撞行為之間的臨界速度減小。這意味著在中等碰撞速度范圍內(nèi)，降低表面張力和接觸角反而不利于塵—霧附著效果的提升。降低液滴表面張力、提高顆粒的親水性可導(dǎo)致固—液碰撞后液滴被穿透、顆粒上附著的液體減少，這表明本研究發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象確實存在。造成此現(xiàn)象的原因有2方面。一方面，當前進接觸角α降低時，液滴在顆粒表面的鋪展過程所受阻力下降，“包裹”現(xiàn)象傾向于在較低的碰撞速度下發(fā)生。另一方面，在相同的碰撞速度下，降低表面張力，會增大奧內(nèi)佐格數(shù)(Oh)和韋伯數(shù)(We)，從而導(dǎo)致表面張力對“液滴撕裂”現(xiàn)象的阻礙能力減弱。因此，在部分碰撞條件下，降低霧滴表面張力和接觸角，反而不利于塵—霧附著效果提升。

3.3固—液連續(xù)碰撞后附著狀態(tài)

將R1001增稠劑添加到水中，可以觀察到液滴表面張力和接觸角略微降低，而液滴黏度的顯著增加。由于增稠劑溶液是非牛頓流體，它們的黏度可以使用表3中提供的方程來描述。向水中添加CTAB后使接觸角和液滴表面張力急劇下降，而液滴與蒸餾水的黏度保持相似。

圖11a對比了液滴連續(xù)碰撞疏水顆粒前后顆粒表面的液體附著狀態(tài)。由于在實驗中無法直接測量顆粒上附著液體的三維體積，因此筆者通過測量每次碰撞后基于二維實驗圖像的液滴面積的變化來進行定量對比。圖11b對比了附著在顆粒上的測量的液體面積比例隨碰撞次數(shù)增加而發(fā)生的變化。對比實驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當蒸餾水滴與高疏水性顆粒反復(fù)碰撞時，保留在顆粒上的液體面積不超過5%。然而，當增稠劑被添加到水中時，在每次碰撞之后，附著在顆粒上的液體迅速增加。增稠劑濃度越高，附著在顆粒上面的液體比例增長速度越快。相反，當CTAB加入水中時，附著液體比例的增長速度比蒸餾水略快，但比增稠劑溶液明顯更慢。這一結(jié)果表明，在提高疏水粉塵治理效果方面，增加液滴黏度比降低液滴表面張力更有效。此實驗結(jié)果與之前的數(shù)值模擬結(jié)果相符，因此調(diào)控水霧流變特性是進一步提升其降塵效果的新思路，有望突破水霧降塵率瓶頸。

圖11固—液連續(xù)碰撞后液體附著在顆粒上的現(xiàn)象

4.結(jié)論

總結(jié)了霧滴—塵粒碰撞過程會發(fā)生的“反彈”、“完整聚并”、“包裹后撕裂”、“膜狀飛濺”4種行為類型，并發(fā)現(xiàn)碰撞后顆粒表面的液體附著比例變化曲線的轉(zhuǎn)折點與相應(yīng)的碰撞行為密切相關(guān)。

1)當粒徑大于25μm的霧滴與疏水粉塵以低于5 m/s的速度碰撞時，“反彈”現(xiàn)象發(fā)生的概率較大，塵粒表面液體附著量接近0。對于塵、霧粒徑均不超過5μm的情況，“反彈”現(xiàn)象幾乎不會發(fā)生。因此，降低霧滴粒徑有利于提高塵粒表面的液體附著量。

2)“完整聚并”行為發(fā)生時，霧滴完全附著在塵粒表面，此時降塵效果最佳；“包裹后撕裂”行為發(fā)生時，液體附著量隨碰撞速度增大而迅速下降；“膜狀飛濺”碰撞行為發(fā)生時，塵粒表面液體附著量隨碰撞速度增大而緩慢減少，筆者得出了預(yù)測液體附著量的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?

3)通過向水中添加表面活性劑的方法降低霧滴表面張力和接觸角雖然有利于避免“反彈”行為發(fā)生，也有利于在“膜狀飛濺”行為發(fā)生時增大塵粒表面的液體附著量，但是降低了霧滴發(fā)生破裂的臨界碰撞速度，導(dǎo)致發(fā)生“完整聚并”行為速度范圍縮小，對降塵效果有不利影響。

4)降低霧滴粒徑和增大霧滴黏度均有利于增大塵—霧碰撞過程中黏性摩擦損失，從而抑制“反彈”行為和霧滴破裂現(xiàn)象發(fā)生。含0.329%質(zhì)量分數(shù)高分子成分R1001的液滴連續(xù)碰撞固體顆粒時，顆粒表面液體殘留量比純水液滴碰撞的情況可提高至少10倍，所以在水中添加增稠成分可顯著提升粉塵增重、沉降效果。