2、矿井水表面张力及雾化特性测试试验

2.1试验材料

总结调研数据可知,中国华北区域矿井水水质状况如图1所示。

根据调研结果配制9组溶液,包括8组Na＋、K＋离子浓度不同的矿井水和1组纯水,溶液配比见表1。配制溶液时,取适量去离子水,向其中投加CaCl２、MgCl２、Ca(HCO３)２ 控制矿井水硬度,向其中投加NaCl、HCl和NaOH控制矿井水的pH为7.5,向水溶液添加其他必需微量离子和杂质,静置2 h待用。

表1矿井水水质参数

2.2试验系统及设备

本文采用的表面张力测量仪和激光粒度测试系统如图2、图3所示。从图2可知,表面张力测试系统主要由光源、样品台、注射单元、采集系统、分析软件5部分组成。光源采用LED冷光设计,发光均匀,图像清晰;注射单元采用高精度微量注射泵进液,由软件定量定速控制,滴液稳定;样品台采用三维手动精调平台,操作灵活、定位精准;采样系统采用黑白进口CCD相机,拍摄稳定;分析软件功能较全面,具备一键式全自动拟合能力,可满足不同形态液滴的拟合。

从图3可知,喷雾粒径测试主要仪器及工具包括激光粒度分析仪、高压喷雾水泵、计算机分析控制系统等。计算机分析控制系统使用PAQXOS 4.1测量软件,该软件可定义、控制整个测量过程,并在试验结束后处理测量的粒度分布数据。

2.3试验内容

2.3.1表面张力测试试验

液体从喷嘴喷出初始阶段，表面张力会对射流雾化产生阻碍作用，所以表面张力对喷雾场雾化性能有重要影响。测量表面张力时，调节样品台和光源在同一高度，在进样器中装入1mL待测矿井水后滴至测量台，待测溶液与测量台接触瞬间，开始捕捉液滴形态。测量完毕后，利用数据处理系统处理试验数据与图像。

2.3.2喷雾雾化特性测试试验

喷雾雾化效果直接影响降尘效率，因此了解各溶液雾化特性和差异对降尘效果有重要意义。测量喷雾粒径时，依次调节喷嘴与激光粒度仪距离为5，10,15,20,25cm,将喷嘴固定于支架上，设置激光粒度仪参数后开启高压水泵，调节水泵压力为4 MPa，测试每组样品在5个测点的粒径分布，测试时间为30s，每组测试3次取平均值，测试结束后对结果进行处理。

3、试验结果与分析

3.1表面张力测试结果与分析

各溶液表面张力测试结果如图4所示。

由图4可知,纯水、矿井水1#至4#、矿井水5#至8#表面张力平均值分别为57.73 mN/m、74.41 mN/m、66.03mN/m,纯水表面张力明显小于矿井水，随着矿井水中Na+、K+数目减少，其表面张力显著减弱。这是由于矿井水中Na+、K+离子浓度减小,静电力吸附有效范围扩大,吸附作用随之增强,直至界面对离子的吸附作用逐渐大于排斥作用,因此表面张力呈现减小趋势。由此可知，低离子浓度条件下，矿井水表面张力与其Na+、K+离子浓度呈正相关。在相同压力条件下，表面张力决定雾滴粒径分布，因此，纯水喷雾雾化特性略优于矿井水。综上，矿井水中Na+、K+等离子浓度通过改变其表面张力间接影响喷雾雾化特性。针对煤矿井下粉尘治理，可将降尘用水进行软化除盐处理后应用于喷雾降尘，以期降低其表面张力，优化喷雾雾化特性。

3.2喷雾雾化特性试验结果及分析

3.2.1喷雾粒径分布

喷雾降尘效果与雾化特性参数密切相关，其中雾滴粒径是影响雾化特性的关键因素。9组溶液在15cm测点处的粒径分布如图5所示。由图5可知，各溶液雾滴粒径主要分布为25~75μm，纯水、矿井水1#至4#和矿井水5#至8#喷雾粒径位于该区间的平均比例分别为80.10%、55.87%、69.73%，矿井水1至8#的粒径累积分布曲线斜率逐渐增加，这说明矿井水雾化效果不断提升。由此可知，矿井水中Na+、K+离子浓度越低，雾滴粒径分布越集中，其雾场更有利于呼吸性粉尘捕集。这是由于矿井水表面张力减小，雾滴破碎程度逐渐提高，致使雾滴细化且粒径集中分布于25~75μm区间，这说明喷雾雾化特性随表面张力减小不断优化，雾滴粒径趋向均匀分布。综上，矿井水中Na+、K+离子浓度差异改变其表面张力，从而影响喷雾粒径分布、雾化百分比等特性。