摘要:优化喷雾雾化特性是提高矿井喷雾降尘效率的有效方法。为研究矿井水Na+、K+离子浓度对其雾化特性的影响，提高矿井粉尘治理效果，采用表面张力测量仪和激光粒度测试系统表征不同矿井水的表面张力和雾化特性，分析矿井水中Na+、K+离子浓度引起的表面张力差异及其对雾化特性的影响。结果表明: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。在相同喷雾压力下，雾滴粒径与表面张力成正相关，降低矿井水表面张力可提高降尘效率;表面张力减小可延长雾化区分布范围，延长粉尘捕集范围，增加粉尘沉降数量;雾场中各雾滴粒径随表面张力减小而逐渐呈现均一性分布，这有利于提升雾滴对粉尘的润湿能力。研究结果对优化喷雾雾化特性，提高喷雾降尘效率，促进矿井水资源治理具有重要意义。

引言

煤炭作为我国主体能源，其产量一直稳居高位。随着煤开采强度增加，开采过程产生的粉尘量也不断增加。高浓度粉尘不仅会引发尘肺病，还易导致煤矿爆炸事故。喷雾降尘因其操作便捷、经济实用等优点而被广泛应用于煤矿粉尘防治。然而，由于各煤矿降尘用水中Na+、K+浓度分布范围较大，导致喷雾雾化特性差异显著。从实际降尘效果来看，当前喷雾降尘对总粉尘和呼吸性粉尘的降尘率分别低于50%和30%，不足以保障井下一线作业人员的职业健康，矿井粉尘治理问题亟待解决。

喷雾降尘效果与雾化特性密切相关，为提高降尘效率,相关学者对高压喷雾雾化特性进行了大量研究。王鹏飞等对气水喷雾雾化特性进行了理论研究，并绘制出分级效率与供气流量、供水流量及粉尘粒径的关系曲线。王健等选用3种常用喷嘴进行雾化特性研究后得出结论:旋流叶片型的射程和流量均明显大于螺旋型和切向孔型喷嘴，且分散度更均匀。苏建民等研究了直射式喷嘴和离心式喷嘴在不同工况下的雾化特性，认为压力是影响喷雾雾化特性的重要因素。王鹏飞就喷嘴参数对雾化特性的影响进行了试验研究，结果表明:随着喷嘴直径的增加，喷雾粒径和雾化锥角不断增大，而雾流射程基本保持不变。聂文等对4种喷嘴在不同喷雾压力时的雾化特性进行了测定，结果表明:随着喷雾压力的增大，雾滴粒径随距喷嘴轴向距离的增大而增大。综上，研究人员多采用理论分析和试验研究表征喷雾压力和喷嘴结构对雾化特性的影响，而关于矿井水中Na+、K+对其表面张力和雾化特性的影响尚不明确。

鉴于此，本文基于矿井水Na+、K+对其表面张力的影响机制，在理论分析基础上，借助激光粒度测试系统和表面张力测量仪进行试验研究，直观表征不同矿井水的表面张力和雾化特性，分析矿井水中Na+、K+离子浓度对雾化特性的影响，以期为煤矿井下喷雾降尘技术的改进和优化提供理论依据。

1、矿井水Na+、K+离子浓度对表面张力影响机制

雾化特性是决定喷雾降尘效果的重要因素。喷雾雾化程度主要由空气动力和表面张力决定，前者挤压溶液表面使其破碎，后者反抗变形使雾滴保持球状。因此，在空气动力保持不变时，表面张力对喷雾雾化特性至关重要。溶液中Na+、K+等离子对其表面张力的影响不可忽视,在低密度离子条件下,表面张力与Na＋、K＋等离子浓度成正比。由于水中溶解离子的存在,导致溶解离子产生静电力,该力对水中离子产生排斥作用,可导致表面张力增加,从而引起喷雾粒径增大,雾化区范围缩减。Jones-Ray效应表示,在NaCl、KCl浓度较低的溶液中,无机盐离子分布并不均匀,Na＋、Cl－ 、OH－ 等离子会强烈吸附于空气-水界面,这些离子和空气-水界面的小范围相互作用影响了离子在界面上的分布,麦克斯韦-玻尔兹曼准则提出了离子在界面上的分布和吸附势能的关系:

c(x)＝cexp(－W(x)/kT) (１)

式中,c(x)为距离空气-水界面x处的离子浓度;c为水溶液内部离子浓度;W(x)为距离空气-水界面x处的吸附势;k为Boltzmann常数;T为温度,K。由式(1)可知,离子在溶液内的分布情况与自身距空气-水界面的距离相关。当水中离子浓度越大,界面吸附势越小,界面对离子的排斥作用越强,表面张力越大。当不考虑水中离子对吸附过程的屏蔽作用时,界面对离子的吸附量Lambda为:

Λ＝c/(－１＋e－W(x)/kT )dx＝－∞ (２)

此时,吸附势将导致表面张力无限增大。在实际情况中,由于水中各离子的屏蔽作用,吸附势的作用范围得到限制。有学者提出相关理论,电解质离子的屏蔽作用限制静电力吸附的有效范围为1/kappa。

κ２＝(４π/DkT)∑iniei２ (３)

式中,D为水溶液的介电常数;n_i为单位体积内带电荷e_i的离子数量。当水中离子数量增加,静电力吸附有效范围减小,吸附作用随之削弱,界面对离子的排斥作用逐渐大于吸附作用,表面张力逐渐增大。