摘要:優化噴霧霧化特性是提高礦井噴霧降塵效率的有效方法。為研究礦井水Na+、K+離子濃度對其霧化特性的影響，提高礦井粉塵治理效果，采用表麵張力測量儀和激光粒度測試係統表征不同礦井水的表麵張力和霧化特性，分析礦井水中Na+、K+離子濃度引起的表麵張力差異及其對霧化特性的影響。結果表明:低離子濃度條件下，礦井水表麵張力與其Na+、K+離子濃度呈正相關。在相同噴霧壓力下，霧滴粒徑與表麵張力成正相關，降低礦井水表麵張力可提高降塵效率;表麵張力減小可延長霧化區分布範圍，延長粉塵捕集範圍，增加粉塵沉降數量;霧場中各霧滴粒徑隨表麵張力減小而逐漸呈現均一性分布，這有利於提升霧滴對粉塵的潤濕能力。研究結果對優化噴霧霧化特性，提高噴霧降塵效率，促進礦井水資源治理具有重要意義。

引言

煤炭作為我國主體能源，其產量一直穩居高位。隨著煤開采強度增加，開采過程產生的粉塵量也不斷增加。高濃度粉塵不僅會引發塵肺病，還易導致煤礦爆炸事故。噴霧降塵因其操作便捷、經濟實用等優點而被廣泛應用於煤礦粉塵防治。然而，由於各煤礦降塵用水中Na+、K+濃度分布範圍較大，導致噴霧霧化特性差異顯著。從實際降塵效果來看，當前噴霧降塵對總粉塵和呼吸性粉塵的降塵率分別低於50%和30%，不足以保障井下一線作業人員的職業健康，礦井粉塵治理問題亟待解決。

噴霧降塵效果與霧化特性密切相關，為提高降塵效率,相關學者對高壓噴霧霧化特性進行了大量研究。王鵬飛等對氣水噴霧霧化特性進行了理論研究，並繪製出分級效率與供氣流量、供水流量及粉塵粒徑的關係曲線。王健等選用3種常用噴嘴進行霧化特性研究後得出結論:旋流葉片型的射程和流量均明顯大於螺旋型和切向孔型噴嘴，且分散度更均勻。蘇建民等研究了直射式噴嘴和離心式噴嘴在不同工況下的霧化特性，認為壓力是影響噴霧霧化特性的重要因素。王鵬飛就噴嘴參數對霧化特性的影響進行了試驗研究，結果表明:隨著噴嘴直徑的增加，噴霧粒徑和霧化錐角不斷增大，而霧流射程基本保持不變。聶文等對4種噴嘴在不同噴霧壓力時的霧化特性進行了測定，結果表明:隨著噴霧壓力的增大，霧滴粒徑隨距噴嘴軸向距離的增大而增大。綜上，研究人員多采用理論分析和試驗研究表征噴霧壓力和噴嘴結構對霧化特性的影響，而關於礦井水中Na+、K+對其表麵張力和霧化特性的影響尚不明確。

鑒於此，本文基於礦井水Na+、K+對其表麵張力的影響機製，在理論分析基礎上，借助激光粒度測試係統和表麵張力測量儀進行試驗研究，直觀表征不同礦井水的表麵張力和霧化特性，分析礦井水中Na+、K+離子濃度對霧化特性的影響，以期為煤礦井下噴霧降塵技術的改進和優化提供理論依據。

1、礦井水Na+、K+離子濃度對表麵張力影響機製

霧化特性是決定噴霧降塵效果的重要因素。噴霧霧化程度主要由空氣動力和表麵張力決定，前者擠壓溶液表麵使其破碎，後者反抗變形使霧滴保持球狀。因此，在空氣動力保持不變時，表麵張力對噴霧霧化特性至關重要。溶液中Na+、K+等離子對其表麵張力的影響不可忽視,在低密度離子條件下,表麵張力與Na＋、K＋等離子濃度成正比。由於水中溶解離子的存在,導致溶解離子產生靜電力,該力對水中離子產生排斥作用,可導致表麵張力增加,從而引起噴霧粒徑增大,霧化區範圍縮減。Jones-Ray效應表示,在NaCl、KCl濃度較低的溶液中,無機鹽離子分布並不均勻,Na＋、Cl－ 、OH－ 等離子會強烈吸附於空氣-水界麵,這些離子和空氣-水界麵的小範圍相互作用影響了離子在界麵上的分布,麥克斯韋-玻爾茲曼準則提出了離子在界麵上的分布和吸附勢能的關係:

c(x)＝cexp(－W(x)/kT) (１)

式中,c(x)為距離空氣-水界麵x處的離子濃度;c為水溶液內部離子濃度;W(x)為距離空氣-水界麵x處的吸附勢;k為Boltzmann常數;T為溫度,K。由式(1)可知,離子在溶液內的分布情況與自身距空氣-水界麵的距離相關。當水中離子濃度越大,界麵吸附勢越小,界麵對離子的排斥作用越強,表麵張力越大。當不考慮水中離子對吸附過程的屏蔽作用時,界麵對離子的吸附量Lambda為:

Λ＝c/(－１＋e－W(x)/kT )dx＝－∞ (２)

此時,吸附勢將導致表麵張力無限增大。在實際情況中,由於水中各離子的屏蔽作用,吸附勢的作用範圍得到限製。有學者提出相關理論,電解質離子的屏蔽作用限製靜電力吸附的有效範圍為1/kappa。

κ２＝(４π/DkT)∑iniei２ (３)

式中,D為水溶液的介電常數;n_i為單位體積內帶電荷e_i的離子數量。當水中離子數量增加,靜電力吸附有效範圍減小,吸附作用隨之削弱,界麵對離子的排斥作用逐漸大於吸附作用,表麵張力逐漸增大。