王鹏飞，邬高高，袁新虎，江玖鸿，陈世强，李石林

(1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害治理安全生产实验室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201)

依据卫健委发布的数据，2021年全国共报告各类职业病新病例15 407例。其中，职业性尘肺病11 809例，占比76.66%。尘肺病患者主要分布于煤炭和有色金属矿开采行业[1-2]。因此，煤炭开采过程中粉尘依旧是重要的职业危害因素[3]。降低作业场所粉尘质量浓度的措施有多种，喷雾降尘因其操作简单、安装方便等特点广泛应用于煤矿现场[4-5]。传统的喷雾降尘技术以水为润湿粉尘的介质[6]。由于水的表面张力大及煤的表面疏水性高，导致水润湿、黏附煤粉的效果差，喷雾降尘效果不理想[7-9]。

近年来，如何增强水润湿煤粉的性能，进而提高喷雾降尘效率成为研究的热点。常用的方法是在水中添加表面活性剂，改变水溶液的物理化学性质[10-12]。表面活性剂种类繁多、价格偏高，且可能导致生产场所二次污染等问题[13]。同时，水中添加表面活性剂会大幅增加降尘成本，部分表面活性剂有腐蚀作用，易引发机械设备故障[14]。因此，水中添加表面活性剂虽然能提高喷雾降尘效率，但其适用场所有限。笔者查阅到环保领域的新兴技术(微纳米气泡技术)可与喷雾降尘技术相结合[15-17]。微纳米气泡通过微纳米气泡发生器产生，是指直径小于100 μm的气泡[18]。大量的微纳米气泡增加了空气与水的接触面积，且注入的小气泡改变了原来水分子的形态，使水和微纳米气泡水的物理界面性质不同[19-20]。目前，微纳米气泡技术主要用于污水处理[21]、表面清洗[22]、矿物浮选[23]、废气治理[24]等领域，与粉尘防治相关的研究鲜有报道，但学者研究表明微纳米气泡可改善溶液的润湿性能[25-27]。TAKAHIRO Ishizaki等[28]对比了去离子水和微纳米气泡水在玻璃面上的接触角，得出去离子水中加入微纳米气泡后接触角从57.9°降低至49.5°，微纳米气泡能有效的改善溶液的润湿性能。邢耀文等[29]研究发现纳米级的气泡非常稳定，能吸附于颗粒物表面，微纳米气泡桥接的毛细管力有利于颗粒物的凝结。

上述研究表明微纳米气泡的特性有助于喷雾降尘，微纳米气泡对环境无污染，适用于喷雾降尘技术。生产微纳米气泡的材料仅为空气和水，无需增加降尘材料成本。因此，笔者通过实验研究微纳米气泡水的物理化学性质及其对焦煤的润湿性能。在此基础上，通过自行设计的喷雾降尘实验平台，研究微纳米气泡强化喷雾降尘的机理。

1 实验样品及仪器

实验所用焦煤煤样取自山西万峰煤矿，煤样的空气干燥基挥发分大于10%，煤样挥发分物质较多，且难以被液体润湿。实验煤尘样品的工业分析和特征粒径见表1。

表1 煤尘样品的工业分析及特征粒径Table 1 Industrial index and characteristic particlesize of coal dust samples

生产微纳米气泡的仪器为ZJC-NM-02型微纳米气泡发生器，测量微纳米气泡微观特性及其润湿性能所使用的实验仪器如图1所示。LS13320激光衍射粒度分析仪型可选择干法或湿法分析样品，是高分辨率的纳米、微米粒度分析仪；Zetasizer Nano ZS90型纳米粒径电位分析仪具有一系列选件及附件，采用激光多普勒微量电泳法可用于测量Zeta电位；CA100B接触角测量仪可对采集图片二值化处理，全自动计算接触角；YP-24粉末压片机是手动粉末压片机，压力范围0～34 MPa；K20表面张力仪测量表面张力的半自动仪器，测量表面张力是基于测量配件的润湿作用力；KEC 900+Ⅱ智能空气负氧离子检测仪测量空气中的负离子，可测量2亿个/cm3范围内负氧离子浓度。喷雾降尘实验平台如图2所示，平台主要由模型巷道、供水系统及图示的仪器设备组成。巷道模型主体段长度为30 m，其中喷雾段长度为10 m，巷道断面为矩形，规格为60 cm×60 cm。实验平台喷雾降尘部分由透明有机玻璃加工而成，透明有机玻璃便于喷嘴喷雾效果观测及雾滴粒度的测量，其他部分均由不锈钢板材制作。发生器发尘量为13 g/min，固定巷道风速1 m/s。采用X形旋流压力喷嘴展开微纳米气泡强化喷雾降尘研究。图3为X形旋流压力喷嘴，喷嘴出口直径为1.2 mm。其中，喷嘴供水水箱外接微纳米气泡发生器，如图4所示。

图1 微纳米气泡水微观特性实验仪器Fig.1 Micro-nano bubble water micro-characteristics experimental instrument

图2 喷雾降尘实验平台Fig.2 Experimental platform for spray dust reduction

图3 X形旋流压力喷嘴Fig.3 X-shaped swirl pressure nozzle

图4 微纳米气泡水Fig.4 Micro-nano bubble water

2 实验方案

测量微纳米气泡水的气泡粒径分布、Zeta电位、表面张力和接触角，判定气泡对煤尘的吸附能力及增强溶液的润湿性能。依据学者的研究，负氧离子能吸附、聚集和沉降空气中的污染物，具有净化空气的作用[30]。因此，测定微纳米气泡水产生负氧离子数、雾滴粒径及降尘效率。

第1组实验：采用LS13320 型激光衍射粒度分析仪测量微纳米气泡发生器充分发泡后不同时间间隔水中气泡的粒径分布，得出不同粒径的气泡在水中的存在时间。Zeta电位是一个表征分散体系稳定性的重要指标，微纳米气泡表面能附着大量的氢氧根离子，对Zeta电位影响很大[31]。使用超纯水作为溶剂润洗微纳米气泡发生器，开启微纳米气泡发生器待其稳定后，立刻制备气泡水样品，采用纳米粒径电位分析仪测量样品电位。制备10个气泡水样品，且各测量3次。

第2组实验：采用表面张力仪，使用吊片法，设置空调房温度为25 ℃，待微纳米气泡发生器充分发泡后，分别测量1，4，7，10，13 min后微纳米气泡水溶液的表面张力。通过接触角测量仪测量微纳米气泡水与实验煤片的接触角，分别在0，5，10，15，25，35，45 min后进行拍照记录，测量不同时间间隔的接触角，并在同一时刻设置自来水对照组。

第3组实验：设置供水压力pL为2，3，4 MPa，分别使用自来水和微米气泡水作为喷雾介质，使用空气负氧离子仪测量喷雾的负氧离子数目。每10 s记1个平均值，测量3 min内雾场周围负氧离子个数，研究微米气泡水对雾场周围环境的影响。设置X形旋流压力喷嘴供水压力为1，2，3，4，5 MPa，使用马尔文实时高速喷雾粒度分析仪测量2种雾介质喷嘴雾滴粒径。设置X形旋流压力喷嘴供水压力为0.5，1，2 MPa，用滤膜称重法，获取2种喷雾介质喷嘴降尘效率。采用LS13320 型激光粒度分析测量呼吸性粉尘占比，以此计算呼吸粉尘降尘效率。

3 实验结果及分析

3.1 微纳米气泡水微观特性

3.1.1 微纳米气泡粒径分布

根据雷艳[32]研究表明气泡粒径能影响气泡吸附细微颗粒物的能力，微纳米气泡能促进水捕获细颗粒物。图5为微纳米气泡水随时间的变化。微纳米气泡水从乳白色，逐渐澄清。大量的微米气泡使水呈乳白色，气泡逐渐上浮至水面破裂。随着微纳米气泡水静置时间增加，水中微米级的气泡逐渐破灭。

图5 微纳米气泡水随时间的变化Fig.5 Change of micro-nano bubble water with time

纳米级的气泡肉眼无法观察，可通过丁达尔效应检验气泡的存在。如图6所示，当激光通过澄清的微纳米气泡水显现出一条特别明显的光通路，而自来水却未出现。激光通过不均匀媒质，气泡粒径小于入射光波长导致光的散射，部分光束被分散传播，形成光通路。因此，可确定纳米级的气泡能长时间存在于水中。

图6 微纳米气泡水的丁达尔效应Fig.6 Micro-nano bubble water tyndall effect

静态条件下，用Stokes定律[33]来描述气泡的上升速度，上升速度vp、气泡直径dp、气体密度ρt、液体密度ρl和黏度μ的关系如式(1)所示:

(1)

式中，g为重力加速度。

图7为微纳米气泡水静置前后气泡的粒径分布。对比图7发现静置一段时间后，微纳米气泡水中微米级的气泡基本破灭，基本符合Stokes定律，气溶胶粒子在液体中的运动速度与其粒径成正比。因此，直径小的微米气泡上浮至水面的时间比宏观气泡长，在水中停留的时间较长；直径更小的纳米气泡体积小，则在水中做布朗运动，不上升至水面。实验结果符合图5和图6，表明微纳米气泡能存在于水溶液中，可用于喷雾降尘。

图7 气泡的粒径分布Fig.7 Size distribution of bubbles

3.1.2 微纳米气泡水Zeta电位

静电双电层在颗粒与气泡、颗粒与颗粒之间的相互作用有关键作用，煤颗粒的Zeta电位绝对值越小则越易团聚，反之则易分散。图8为超纯水和微纳米气泡水的Zeta电位。从图8可知，超纯水的Zeta电位介于-2.40～-5.81 mV，微纳米气泡水的Zeta电位介于-14.3～16.4 mV，表明微纳米气泡使水的电位发生改变。由于分散粒子表面带有电荷能吸引周围的异性离子，这些异性离子在两相界面呈扩散状态分布，进而形成扩散双电层。气泡外积聚大量的氢氧根离子，外层扩散氢离子及其他正号离子，有较强的活性。喷雾降尘过程中，微纳米气泡吸附于粉尘上，可减小煤颗粒的Zeta电位，使煤粒易于团聚。

图8 超纯水和微纳米气泡水的Zeta电位Fig.8 Zeta potential of pure water and micro-nano bubbled water

3.1.3 微纳米气泡水接触角及表面张力

一般用接触角来评价粉尘的润湿性，不同类型的煤尘物理化学性质不同，破碎后表面的特性不同。图9为自来水和微纳米气泡水表面张力及接触角。自来水经过微纳米气泡发生器发泡为微纳米气泡水，表面张力从71.8 mN/m降至66.3 mN/m，降低了5.5 mN/m；与煤尘样品的接触角从87.38°降至82.80°，降低了4.58°。表明微纳米气泡水相对自来水更有利于润湿煤尘，微纳米气泡水的润湿性能较自来水强。

图9 表面张力和接触角Fig.9 Surface tension and contact angle

图10为自来水和微纳米气泡水表面张力随时间的变化规律。自来水经过仪器发泡成为微纳米气泡水，表面张力明显下降。随着时间的推移，微纳米气泡水的表面张力逐渐接近原水的表面张力。表明气泡水是个非稳态体系，静置时间逐渐增加，表面张力升高是紊乱的过程。根据图7静置前后气泡粒径分布，表明影响微纳米气泡水表面张力的主要因素是缓慢消失的微米级气泡。随着微米级气泡的消失，表面张力逐渐恢复。

图10 表面张力随时间的变化Fig.10 Variation of contact angle with time

影响液滴接触角的因素有液滴沾湿固体物质向两边扩散的能力、液滴浸润固体向固体内部渗透的能力及液滴因热力学抗蒸发的能力。图11为自来水和微纳米气泡水的接触角随时间变化规律。随接触时间增加，微纳米气泡水的接触角和自来水的接触角均不断减小。相同时刻，微纳米气泡水的接触角均比自来水的接触角小，且减小的速率更大。液滴与煤片接触瞬间的接触角主要受液

图11 接触角随时间的变化Fig.11 Contact angle changes with time

3.2 微纳米气泡微水喷雾特性

3.2.1 微纳米气泡水负氧离子浓度

负氧离子是空气中含氧负离子与若干个水分子结合形成的原子团。空气湿度较低的环境负氧离子浓度较低，一般每cm3空气中只有几百个。在喷雾降尘场所，空气中弥漫着大量水分子，喷雾后雾场周围负氧离子浓度显著提升。图12为不同工况下自来水和微纳米气泡水喷雾周围的负氧离子浓度变化，MB表示微纳米气泡水，TW表示自来水。从图12可知，随着喷嘴供水压力增加，自来水和微纳米气泡水周围空气中负氧离子浓度不断上升。供水压力相同，微米气泡水产生的负氧离子浓度更高。由于随着供水压力增加，喷雾雾化程度更高，导致空气相对湿度提升。同时，微纳米气泡爆破产生的能量冲击雾滴使其失去电子，进而雾滴主动捕捉周围电子成为负离子。因此，加入微纳米气泡可提高雾场周围空气的负氧离子浓度，有利于雾滴捕获细小粉尘。

图12 负氧离子浓度的变化 Fig.12 Changes in the concentration of negative oxygen ions

3.2.2 微纳米气泡水雾滴粒径

表2为微纳米气泡水和自来水作为喷雾介质对X形旋流压力喷嘴雾滴粒径的影响。由表2可知，X形旋流下微纳米气泡水的雾化效果明显优于自来水的雾化效果。供水压力为2 MPa时，自来水喷雾D[3,2]为101.2 μm，微纳米气泡水喷雾D[3,2]减小至94.5 μm。微纳米气泡降低了水的表面张力，使水更易雾化，导致喷嘴雾滴粒径减小。

表2 不同喷雾介质的雾滴粒径Table 2 Droplet size of different spray media

3.2.3 微纳米气泡水喷雾降尘

图13为不同工况下微纳米气泡水和自来水的全尘和呼吸粉尘降尘效率。从图13(a)中可知，供水压力0.5 MPa时，微纳米气泡水作为喷雾介质的降尘效率为52.56%，自来水作为喷雾介质的降尘效率为47.9%，降尘效率提高了4.66%。微纳米气泡水的表面张力更小，改善了粉尘表面的亲水性能，导致降尘效率增大。随着喷嘴供水压力增加，自来水和微纳米气泡水的降尘效率均增大。供水压力增大，雾滴粒径减小，水流量增大，导致降尘效率提高。供水压力0.5 MPa降尘效率的增量大于1 MPa降尘效率的增量，供水压力小而降尘效率的增量大。原因是供水压力变化对X形旋流压力喷嘴的雾化角、射程差影响较小。同时，喷嘴压力过大，导致微纳米气泡提前破裂，影响气泡扩散。供水压力2 MPa，水流量增多，水蒸气分压增大，在气泡破裂、静电力和吸附等共同作用下，降尘效率相对增长率为8.81%。

图13 全尘和呼吸性粉尘降尘效率Fig.13 Total dust and respiratory dust efficiency

图13(b)表明微纳米气泡水的呼吸性粉尘降尘效率相对增长率为11.92%～16.05%，呼吸性粉尘的降尘效率提升较明显。比较2类水体，雾滴粒径小，有利于捕获呼吸性粉尘，但其雾滴粒径差异不大。因此，微纳米气泡水喷雾呼吸性粉尘的降尘效率提升较明显的原因有微纳米气泡水增大了环境的润湿程度，吸附和静电力等的作用，空气中的负氧离子等作用力。由图13(b)可知，随着供水压力增加，2类水体呼吸性粉尘降尘效率的增长率逐渐增大。供水压力2 MPa时，与自来水相比微纳米气泡水降尘效率的相对增长率为16.05%。随着供水压力增加，喷嘴流量不断增大，单位时间内喷出微纳米气泡增多，增大了粉尘和雾滴的接触表面积。微纳米气泡能有效地粘附、静电力吸附或包裹呼尘并沉降。同时，随着供水压力增大，空气中的负氧离子逐渐增多，有利于沉降细小颗粒物。微纳米气泡水沉降呼吸性粉尘更有效，沉降小颗粒物的效果优于大颗粒物。

4 结 论

(1)微纳米气泡水呈乳白色，微米级的气泡能短暂存在于水中，纳米级的气泡能长期存在于水中。微纳米气泡水的Zeta电位介于-14.3～-16.4 mV，比超纯水的Zeta电位高。

(2)微纳米气泡水比自来水润湿能力更强，且更易蒸发。微纳米气泡水的表面张力比自来水低5.5 mN/m，表面张力随着微米级的气泡破裂而逐渐增大。微纳米气泡水对焦煤颗粒的接触角比自来水低4.58°。

(3)相对于自来水作为喷雾介质，微纳米气泡水作为喷雾介质提高了喷雾周围负氧离子浓度。随着供水压力增加，2类水体的雾滴粒径均减小，微纳米气泡水喷雾的雾滴粒径比自来水小。与自来水相比，微纳米气泡水的全尘降尘效率相对增长率为6.44%～9.73%，呼吸性粉尘降尘效率相对增长率为11.92%～16.05%，微纳米气泡强化呼吸性粉尘降尘更加明显。