何 淼，劉勝強(qiáng)，曾毅夫，葉明強(qiáng)

（“建筑節(jié)能與環(huán)境控制關(guān)鍵技術(shù)”協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410100）

近年來，我國城市霧霾天氣越來越嚴(yán)重，對公眾健康和生活造成了嚴(yán)重的影響，PM2.5含量過高是導(dǎo)致霧霾天氣的主要原因。PM2.5污染已成為城市突出的大氣環(huán)境問題，城市PM2.5治理刻不容緩。

然而長期以來，如何有效治理PM2.5，一直是防塵領(lǐng)域的一大難題。在現(xiàn)有的各項(xiàng)防塵、降塵措施中，通常采用的降塵方式可歸納為兩大類：干法降塵和濕法降塵。干法降塵多采用集塵方式工作，且只能應(yīng)用于特定環(huán)境中，應(yīng)用受到很大限制。而濕法除塵在適用環(huán)境、成本費(fèi)用、安裝操作等方面有明顯優(yōu)勢，較為通用[1]。但一般的濕法噴霧除塵技術(shù)是采用普通自來水且水壓較低，嚴(yán)重影響了噴霧降塵效果，總降塵效率僅為50%～60%，對PM2.5的降塵效率更低，只有20%～30%。因而如何提高對PM2.5的捕集效率，對于治理城市PM2.5污染具有十分重要的意義。本文提出的一種利用磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)，能夠達(dá)到有效治理PM2.5的目的。

1 磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)原理

1.1 磁化水技術(shù)

水是抗磁性物質(zhì)，當(dāng)對水施加一種外磁場時(shí)，水就會產(chǎn)生一個(gè)附加磁場，其方向與外磁場方向相反，由于外磁場與分子力的相互作用，削弱了分子間的內(nèi)聚力，改變了水分子的氫鍵聯(lián)系，迫使水的黏性下降，從而改變水的表面張力，同時(shí)水中存在的雜質(zhì)在流經(jīng)磁場時(shí)也會被磁化，其中含電解質(zhì)的離子磁化后產(chǎn)生的附加磁場的方向與外磁場方向相同，而非電解質(zhì)的分子產(chǎn)生的附加磁場的方向與外磁場方向相反，這些磁力的相互作用最終促使水分子的內(nèi)聚力下降，黏滯力減弱，從而不同程度地改變了水的基本結(jié)構(gòu)，成為磁化水[2]。

1.2 高壓噴霧技術(shù)

高壓噴霧降塵技術(shù)是一種新型降塵技術(shù)。其原理是利用高壓泵，經(jīng)高壓管路將水送至高壓噴嘴霧化，形成飄飛的水霧，由于水霧顆粒是微米級的，極其細(xì)小，能夠吸附空氣中的雜質(zhì)，達(dá)到降塵、加濕等多重功效，營造良好清新的空氣。高壓噴霧除塵系統(tǒng)的造價(jià)低，運(yùn)行維護(hù)成本也低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并可實(shí)現(xiàn)自動控制[3]。

1.3 磁化水高壓噴霧技術(shù)

磁化水高壓噴霧技術(shù)是針對磁化水和高壓噴霧技術(shù)特點(diǎn)，優(yōu)化組合兩種技術(shù)而成。磁化水相比普通水，黏度、表面張力降低，吸附、溶解能力增強(qiáng)，致使霧化程度得到提高；高壓噴霧技術(shù)相比低壓噴霧技術(shù)，霧化粒徑減小，霧滴分布均勻，霧滴荷質(zhì)比增大，因此磁化水高壓噴霧技術(shù)可以顯著提高對粉塵尤其是PM2.5的捕集效率。

2 磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)特點(diǎn)

磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)綜合了磁化水以及高壓噴霧的優(yōu)點(diǎn)，具有普通水噴霧技術(shù)所沒有的優(yōu)勢[4-6]。

（1）磁化水降低水的表面張力

粉塵有疏水性和親水性之分，噴霧降塵的效果跟粉塵的這種特性有很大關(guān)系。在噴霧過程中，由于粉塵粒子與水霧粒子之間的接觸時(shí)間極短，因此噴霧水粒對粉塵粒子的濕潤能力跟霧化水的表面張力直接相關(guān)。水經(jīng)磁化處理，水分子鏈（團(tuán)）的氫鍵發(fā)生畸變、斷裂，使液體分子間的平衡距離變大，引力常數(shù)變小，導(dǎo)致水體表面張力降低，改善水對粉塵的濕潤性能，更容易把粉塵顆粒包裹，使粉塵更容易沉降。

（2）磁化水減小了水的黏度

水的黏度變化會直接影響噴霧效果，黏度小噴出的霧粒就小，霧粒分布均勻。研究表明，經(jīng)磁化處理后水的黏度系數(shù)有下降的趨勢。磁場強(qiáng)度越高，水的黏度下降越明顯。

（3）磁化水增強(qiáng)了水霧的極性

水經(jīng)過磁化后，水中活性水分子增多，磁化水霧作為捕塵體具有很強(qiáng)的極性，容易與其它物質(zhì)形成物理鍵而發(fā)生吸附，這種吸附由經(jīng)極化而加強(qiáng)的色散力、偶極子力等作用而形成，因此這種吸附不易解脫。同時(shí)粉塵在磁場作用下同樣可能導(dǎo)致極性加強(qiáng)，且粉塵由表往里往往呈現(xiàn)出多層次結(jié)構(gòu)。這些因素導(dǎo)致水體與粉塵更容易發(fā)生相互吸附而除去粉塵。

（4）磁化水噴霧提高粉塵親水性能

由于塵粒內(nèi)部分子所受力不對稱，因此塵粒表面存在過剩能量——表面自由能，這種表面自由能導(dǎo)致塵粒會吸附空氣中的氣體和液體，導(dǎo)致塵粒表面形成一層阻礙水霧潤濕的氣體薄膜。塵粒越小，表面自由能越大，吸附氣體的活性越強(qiáng)，所形成的氣體薄膜越牢固，因此微細(xì)粉塵難以被水霧捕獲。破壞塵粒的氣體薄膜，可以提高噴霧除塵的效果，水蒸氣是一種最能被吸附在塵粒表面的氣體，并且當(dāng)塵粒吸附水蒸氣形成薄膜時(shí)，塵粒變?yōu)橛H水性，有利于提高噴霧降塵效果，特別是對微細(xì)塵粒。

研究表明，水經(jīng)磁化處理后，在磁性保持時(shí)間內(nèi)，蒸發(fā)率明顯高于非磁化水，而去磁后，蒸發(fā)率卻低于非磁化水，并逐漸與非磁化水趨于一致。盡管磁化水和非磁化水的蒸發(fā)率受環(huán)境條件影響，但是，磁化水的蒸發(fā)率總是遠(yuǎn)高于非磁化水。蒸發(fā)率的提高，不僅能顯著提高噴霧降塵局部中水蒸氣含量，同時(shí)也能增加噴霧降塵局部環(huán)境空氣中的濕度，有利于塵粒吸附水蒸氣形成薄膜，改善粉塵親水性，提高降塵效果。

（5）磁化水延長了水霧在空氣中的存留時(shí)間

研究表明，減小水滴粒徑可以提高噴霧降塵效果，但隨著水滴粒徑的減小，水滴極易蒸發(fā)，在未捕獲粉塵之前已汽化被氣流帶走。提高水滴在空氣中的存在時(shí)間，可以增加水滴與塵粒之間的碰撞機(jī)率，提高噴霧降塵效果。而水霧在空氣的存留時(shí)間隨相對濕度的增大以及空氣溫度的降低而大大增加，磁化水的蒸發(fā)率高有利于吸收空氣中的熱量，降低噴霧局部溫度，提高局部濕度，形成有利于水霧離子在空氣中存留的客觀環(huán)境條件。同時(shí)當(dāng)磁化水霧去磁后，其蒸發(fā)率又大大降低。因此，在磁化水噴出形成水霧的過程中，首先是磁化水霧由較粗顆粒蒸發(fā)為較細(xì)顆粒，此時(shí)蒸發(fā)率高，降低了噴霧局部溫度，提高濕度，當(dāng)水霧形成較細(xì)水粒后，此時(shí)磁性去除，蒸發(fā)率大幅度降低，水霧在空氣中又能夠保持較長的時(shí)間，從而提高了噴霧除塵的效果。

（6）高壓噴霧增強(qiáng)了水霧霧化效果

通過高壓以及精細(xì)噴嘴，高壓噴霧產(chǎn)生的水霧微粒非常細(xì)小，表面張力很小，這些微小霧化顆粒能長時(shí)間漂浮在空氣中與周圍的空氣融合，能迅速吸附空氣中的各種大小灰塵顆粒，從而有效控塵，營造良好清新的空氣環(huán)境，達(dá)到降塵、加濕等多重功效，對大型開闊范圍的控塵降塵有很好的效果。同時(shí)這種效果完全是一種霧化效果，絕不會產(chǎn)生水滴和潮濕。

（7）高壓噴霧沒有霧流衰減

普通低壓噴霧時(shí)，最初水流緊密，之后由于空氣的阻力就分散成霧粒，這些霧粒沿平行于霧流軸的方向運(yùn)行。當(dāng)霧粒距噴嘴一定距離而處于衰減區(qū)時(shí)，運(yùn)動速度減慢并開始沉降。而高壓噴霧的霧流與之不同，從高壓噴嘴噴出的高速水流，在很短的距離上就分散成霧粒，并在霧粒后形成一種氣流，沒有低壓噴霧明顯的霧流衰減區(qū)。水流變成霧流的長度由噴霧壓力決定，壓力在2.5M～3MPa時(shí)，霧流的形式為實(shí)心圓錐形，隨著壓力的增加，霧流圓錐形部分的長度可明顯縮短，霧流變成圓柱形，并有強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動，壓力越高，圓柱長度越大，降塵效果越好。

（8）高壓噴霧水霧分布均勻

噴霧降塵好的一個(gè)主要條件是：水在整個(gè)霧流長度上都平均分布。普通噴霧時(shí)，實(shí)心圓錐形霧流能滿足要求，但這種霧流不能保證水的均勻分布，霧流中心水大，向外依次減小。而高壓噴霧在水壓力和氣流擾動力的共同作用下，水分分布均勻，除塵效好。

（9）高壓噴霧可提高水霧荷質(zhì)比

相關(guān)研究表明，PM2.5除塵效率隨著水霧荷質(zhì)比的提高而呈直線上升。可見，提高水霧荷質(zhì)比是提高PM2.5降塵效率的重要途徑。高壓噴霧過程中，由于水霧荷電效應(yīng)，使水霧粒子帶上了較高的電荷。研究表明，水霧電荷值在水壓力為7.5M～12.5MPa范圍內(nèi)，隨著水壓力的提高而顯著上升。因此，提高水壓力是提高水霧電荷值，即提高水霧荷質(zhì)比的重要途徑，從而也是提高噴霧對PM2.5降塵效率的重要途徑，這也是高壓噴霧對PM2.5具有顯著降塵效果的原因。

3 影響磁化水高壓噴霧除塵的因素

從磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)機(jī)理的分析可以看出，磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)的降塵效果優(yōu)于普通噴霧的原因主要是經(jīng)過磁化后水的物理化學(xué)性質(zhì)的變化，使得噴霧霧化程度提高，同時(shí)經(jīng)過高壓噴霧，霧化效果相應(yīng)也得到提高。因此，影響水的基本性質(zhì)變化和霧化效果都能影響磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)的降塵效率[7-8]。

（1）水的流向和流速

流向：將水以一定的速度通過一個(gè)或多個(gè)磁路間隙，水流方向與磁力線成一定的角度，均可得到磁化水。而且當(dāng)磁場與水流方向垂直時(shí)，磁作用最強(qiáng)、效果也最好。

流速：由于許多離子的抗磁性要強(qiáng)于水，水流切割磁力線時(shí)應(yīng)有足夠的速度。要達(dá)到較佳的處理效果，磁化水流速應(yīng)在一定范圍內(nèi)，此范圍可通過具體實(shí)驗(yàn)獲得。

（2）磁場強(qiáng)度

研究表明，磁場強(qiáng)度在磁化水處理中起著非常重要的作用。根據(jù)大量有關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)300mT時(shí)，磁化水的物理化學(xué)性能（包括表面張力等）有明顯改變，但磁感應(yīng)強(qiáng)度與水的物理化學(xué)性能改變并非呈線性關(guān)系，需通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定最佳的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

（3）磁化方式

按磁場形成的方式可將磁水器分為永磁式和電磁式兩種；按磁場位置又可將磁水器分為內(nèi)磁式和外磁式兩種。永磁式和電磁式磁水器在間隙磁場強(qiáng)度相同的情況下效果相同，但各有特點(diǎn)。

永磁式磁水器的最大優(yōu)點(diǎn)是不需能源，且結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便，但其磁場強(qiáng)度受磁性材料和充磁技術(shù)的限制，并存在隨時(shí)間的延長或水溫的提高而退磁的現(xiàn)象。

電磁式磁水器的優(yōu)點(diǎn)是磁場強(qiáng)度容易調(diào)節(jié)，而且可達(dá)到很高的磁場強(qiáng)度，同時(shí)磁場強(qiáng)度不受時(shí)間和溫度的影響，穩(wěn)定性好，但其需要外界提供激磁電源。與內(nèi)磁式磁水器相比，外磁式磁水器可能具有更大的優(yōu)越性，其主要的優(yōu)點(diǎn)是檢修時(shí)不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路現(xiàn)象。

（4）水中可溶性雜質(zhì)

一般水中都有雜質(zhì)，水中的雜質(zhì)以不同形式影響水的結(jié)構(gòu)，乃至水的物理化學(xué)性質(zhì)。水中的雜質(zhì)可分為兩類：呈離子狀態(tài)存在于水中的電解質(zhì)和呈分子形式存在于水中的非電解質(zhì)。水中的非電解質(zhì)越多，水的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，越不易磁化，相反，水中的電解質(zhì)越多，水越易被磁化。

（5）霧滴粒度

水霧滴的粒徑根據(jù)噴霧除塵的要求確定。一般情況下，水霧滴的粒徑越小在空氣中分布的密度越大，與粉塵的接觸機(jī)會越多，降塵效果越好。當(dāng)霧粒過大時(shí)，動量大，其質(zhì)量也大，不易與粉塵相碰撞；霧粒過小時(shí)，易蒸發(fā)，即使粉塵與霧粒相碰撞，粉塵還沒落地，水分就已經(jīng)蒸發(fā)，起不到作用。由理論和實(shí)踐可知，霧滴粒徑在10～200μm時(shí)，降塵效果較好。

（6）霧粒速度

霧粒速度決定著與粉塵的接觸效果。如果相對速度大，兩者碰撞時(shí)的動量大，有利于克服水的表面張力，易將粉塵濕潤捕獲。霧粒速度快時(shí)，其動量大，與塵粒碰撞后迅速降落，減少了粉塵在空中的停留時(shí)間，并可有效防止水在空氣中蒸發(fā)。有資料表明，當(dāng)霧粒達(dá)到0.1mm、水粒的速度提高到30m/s時(shí)，對2μm塵粒的降塵率可提高約50%。據(jù)觀測，霧粒速度一般應(yīng)大于20m/s。

（7）噴霧密度

噴霧的密度是指在單位時(shí)間內(nèi)單位水霧流的截面的水耗量，噴霧的密度越大降塵效果越好。適當(dāng)加大供水流量，可提高霧粒的運(yùn)動速度與分布密度，增加霧粒與粉塵碰撞捕塵的機(jī)會。但流量達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增加流量，對降塵效果的影響不明顯。一般在有效射程內(nèi)，噴霧密度平均在104～105粒/cm3的供水量比較適宜。同時(shí)，供水壓力增大，水霧粒徑小，霧化程度高，分布密度大。

（8）噴霧的覆蓋半徑

噴霧的覆蓋半徑對降塵效果的影響也非常大，噴霧的覆蓋半徑大時(shí)能增加霧滴同塵粒的碰撞機(jī)會，提高降塵效果。此外，粉塵濃度、粒徑、帶電性對捕塵效果也有影響。對于實(shí)際的降塵問題，粉塵中既有質(zhì)量又有大小，慣性和截留的效應(yīng)同時(shí)并存。

4 磁化水高壓噴霧技術(shù)展望

當(dāng)前，我國環(huán)境狀況總體惡化的趨勢尚未得到根本遏制，環(huán)境矛盾日益凸顯，環(huán)保壓力持續(xù)加大。部分區(qū)域和城市大氣霧霾現(xiàn)象突出，許多地區(qū)的主要污染物排放量超過了環(huán)境容量，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，威脅了人民群眾身體健康。預(yù)計(jì)在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，國家將會陸續(xù)出臺更多的政策措施，下大力氣治理P M2.5[9]。

磁化水高壓噴霧除塵技術(shù)將高壓噴霧除塵和水磁化技術(shù)相結(jié)合，具有設(shè)備簡單、安裝容易、性能可靠、成本低、一次性投入長期有效，以及對粉塵的捕塵性能好，能明顯提高普通噴霧對粉塵的去除效率等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景和良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)的應(yīng)用對于治理城市PM2.5污染、減少霧霾具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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