燃烧源PM2.5微粒润湿性能.pdf
第 3 6卷第 5期 2 0 0 6年 9月 东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版 ) J O U R N A L O FS O U T H E A S T U N I V E R S I T Y( N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) V o l 3 6 N o 5 S e p t .2 0 0 6 燃烧源 P M2 5微粒润湿性能 颜金培 杨林军 沈湘林 ( 东南大学洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室,南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要利用 Wa s h b u r n 动态渗透压力法研究了燃煤电厂与垃圾焚烧发电厂 P M2 5微粒的润湿性能 及其与微粒形态和组分的关系, 并考察了添加润湿剂( 十二烷基苯磺酸钠( S D B S ) 、 十二烷基硫 酸钠( S D S ) 、 J F C 、 F S 3 1 0 、 S i l a n o l w 2 2 ) 对水润湿燃烧源 P M2 5的改善作用. 利用扫描电镜和 X 射 线能谱分析了微粒的形态和化学组分. 结果表明 微粒的形态和组分对润湿性能有较大影响, 垃 圾焚烧发电厂 P M2 5微粒的水润湿性能优于燃煤电厂 P M2 5; 不同润湿剂改善燃烧源 P M2 5微粒 润湿性的效果与微粒特性密切相关, S D S , S i l a n o l w 2 2可明显改善燃煤电厂 P M2 5微粒的润湿性 能, 而 F S 3 1 0 , J F C则对垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒有显著改善作用; 研究结果可为利用蒸汽相变提 高燃烧源 P M2 5脱除效果及湿法除尘提供重要基础. 关键词燃烧源 P M2 5;润湿剂;润湿性能 中图分类号X 5 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1- 0 5 0 5 ( 2 0 0 6 ) 0 5 0 7 6 0 0 5 We t t a b i l i t yo f P M2 5f r o m c o mb u s t i o n Y a nJ i n p e i Y a n gL i n j u n S h e nX i a n g l i n ( K e yL a b o r a t o r yo f C l e a nC o a l P o w e r G e n e r a t i o na n dC o m b u s t i o nT e c h n o l o g yo f Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ,C h i n a ) A b s t r a c t AWa s h b u r np e n e t r a t i o np r e s s u r em e t h o dw a s u s e dt od e t e r m i n et h ew e t t a b i l i t yo f P M2 5 f r o mc o a l f i r e da n dm u n i c i p a l s o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o n( MS WI )p o w e r p l a n t b yar a n g eo f w e t t i n g a g e n t s ( S D B S , S D S , J F C ,F S 3 1 0 , S i l a n o l w 2 2 )a n dw a t e r s o l u t i o n .T h er o l eo f p a r t i c l em o r p h o l o g ya n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o nw a s e x p l o r e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y( S E M)a n dX r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y( X P S ) .I t i s c o n c l u d e dt h a t t h ew e t t i n ga b i l i t yo f P M2 5i s i nr e l a t i o nw i t h b o t ht h em o r p h o l o g ya n dc o m p o s i t i o n ,a n dt h eP M2 5f r o mMS WI p o w e r p l a n t i s m o r ew e t t a b l e .I t s e e m s t h a t S D S 、 S i l a n o l w 2 2c a ni m p r o v ec o a l c o m b u s t i o nP M2 5w e t t a b i l i t yo b v i o u s l y ,w h i l eF S 3 1 0 , J F Ca r ei nf a v o r o f MS WI p a r t i c l e s .T h ei m p r o v e m e n t o f P M2 5w e t t a b i l i t yb ya d d i t i o nw e t t i n g a g e n t s r e l a t e s c l o s e l yt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o f P M2 5.T h er e s u l t s a r es i g n i f i c a n t f o r t h es e p a r a t i o no f P M2 5f r o mg a s e s b yh e t e r o g e n e o u s c o n d e n s a t i o no f w a t e r v a p o r a s ap r e c o n d i t i o n i n gt e c h n i q u ea n d w e t p r o c e s s d e d u s t i n g . K e yw o r d s P M2 5f r o mc o m b u s t i o n ;w e t t i n ga g e n t ;w e t t a b i l i t y 收稿日期 2 0 0 6 0 4 2 5 . 基金项目国家重点基础研究发展计划( 9 7 3计划) 资助项目 ( 2 0 0 2 C B 2 1 1 6 0 0 ) 、国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 2 0 5 7 6 0 2 0 ) . 作者简介颜金培( 1 9 8 1 ) , 男, 博士生; 沈湘林( 联系人) , 男,教 授, 博士生导师, x l s h e n @s e u . e d u . c n . P M2 5是指空气动力学直径小于 2 5μ m的微 粒, 由于其能在大气环境中长时间存在, 远距离迁 移, 影响大气的能见度, 造成严重的环境污染和危 害, 其表面通常富集各种重金属元素和多种化学致 癌物质, 对人类健康会造成严重危害[ 13 ], 燃料燃 烧是导致大气中 P M2 5含量增加的重要原因; 因 此, 控制燃烧源 P M2 5排放是迫切需要解决的关键 问题. 目前脱除 P M2 5的主要技术途径是在除尘器 前设置预处理设施, 使其通过物理或化学作用长大 成较大颗粒后加以脱除, 其中利用蒸汽相变促使 P M2 5凝并长大是重要的措施之一, 主要原理是以 P M2 5微粒为凝结核, 通过水蒸气的冷凝作用使微 粒质量增加、 粒度增大, 从而使微粒易受惯性碰撞 而被捕集, 其效果与微粒的润湿性能密切相关; 因 此, 研究燃烧源 P M2 5微粒的润湿性能及其改善是 非常必要的. 润湿是指固体表面上的气体被液体所取代的 过程, 涉及固体和液体的表面性质以及固液分子的 相互作用, 固体表面的化学性质和结构决定了其润 湿性能, 通常添加表面活性剂( 润湿剂) 可改善润 湿性能. 目前有关微粒润湿性的研究主要针对 S i O 2粉末、 碳黑、 硅灰石、 煤尘、 非煤粉尘等, 如 D i g g i n s 等[ 4 ]研究了石英颗粒的润湿性能, 任兰正 等[ 5 ]采用 Wa s h b u r n 动态法研究碳黑粉末润湿性, 但有关燃烧源 P M2 5润湿性能的研究很少. 本文选 用性质相差较大的燃煤电厂和垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒, 并选取几种常用润湿剂, 深入研究了其 对微粒润湿性的影响及其润湿性与微粒形态、 组分 的关系. 1 实验研究 1 1 表面张力的测定 一般, 溶液对微粒的润湿性随溶液表面张力降 低而提高, 应用润湿剂改善微粒的润湿性能主要通 过表面活性物质在微粒表面的吸附、 降低水溶液的 表面张力而实现[ 6 ], 因此, 测试润湿剂溶液的表面 张力是选择性能优良的表面活性物质及其最佳使 用浓度的重要基础. 试剂与仪器 十二烷基苯磺酸钠( S D B S ) 、 十 二烷基硫酸钠( S D S ) 、 渗透剂 J F C 、 高效润湿剂 F S 3 1 0 、 S i l a n o l w 2 2 ; 毛细管、 D P A W 精密数字压力计 ( 南京桑力电子设备厂) . 试验方法 采用最大气泡压力法测试溶液的表 面张力[ 7 ]. 1 2 燃烧源 P M2 5微粒润湿性的测定原理及方法 接触角是衡量微粒润湿性能的最佳标准, 接触 角越小润湿性越好, 目前测试粉体接触角常用的是 Wa s h b u r n 动态法[ 45 , 8 ], 该法系称取一定量粉体装 入下端用微孔隔膜封闭的玻璃测定管内, 然后将测 定管垂直插入待测液, 记录不同时刻 t 液体润湿粉 末的高度 h , 再按 Wa s h b u r n 方程 h 2= ( C Rσ c o s θ t ) / ( 2 η ) 以 h 2对 t 作图, 求得各自直线的斜率及液体 粘度 η 、 表面张力 σ , 并选用一种渗透速度最快的 液体为标准, 假设其在该粉体上的接触角为零, 求 出特征参数 C R值, 依次求出其他液体对指定粉体 的相对接触角, 但由于粉体床层各处堆积密度不尽 相同, 使得床层各处液体渗透速度不一, 液体渗透 高度不易准确测量, 实验误差较大. 本文利用精密 数字压力计通过测量液体在粉体床中上升时管内 压力的变化来测定粉体的接触角, 并将 Wa s h b u r n 方程改写为 P 2=( C ′ Rσ c o s θ t ) / ( 2 η ) , 其中 σ为待 测液的表面张力, 可由表面张力实验测得; η为待 测液的粘度, 因待测液中润湿剂添加量极少, 且实 测发现待测液的粘度与水的粘度非常接近, 因此, 待测液粘度可近似看作为水的粘度; C ′ R为仅与粉 体床及相应的仪器有关的常数; 对于同一粉体, 在 使用的仪器相同时可视为常数, P为某一时刻管内 压力. 试剂与仪器 燃烧源 P M2 5微粒( 北京某燃煤 电厂飞灰和上海某垃圾焚烧发电厂飞灰) 、 十二烷 基苯磺酸钠( S D B S ) 、 十二烷基硫酸钠( S D S ) 、 渗 透剂 J F C 、 F S 3 1 0 、 S i l a n o l w 2 2 、 蒸馏水、 带刻度玻璃 管( Wa s h b u r n管, 内径 0 8c m、 长约 1 5c m) 、 0 4 5 μ m微孔滤膜、 精密电子天平、 D P A W 精密数字压 力计、 秒表、 温度计. 试验装置如图 1所示, 试验步骤如下 ① 精确称取 3~ 4gP M2 5微粒均匀装入下端 用微孔滤膜封闭的 Wa s h b u r n管内, 并将其垂直地 在垫有滤纸的桌面上轻敲, 直至各次实验 P M2 5粉 体床层的堆积密度基本一致; ② 在测定管上端接上精密数字压力计, 当压 力计读数稳定时采零, 然后将测定管垂直插入待测 液中( 约 0 5c m) , 同时按下秒表, 每隔 1m i n记录 一次压力计读数 P , 记录 1 0个数值; ③ 分别做出针对不同 P M2 5微粒或同一微粒 但不同待测液的 P 2~t 关系图, 求得各自的斜率, 选用一种渗透速度最快的液体( 直线斜率最大) 为 标准液, 假设其在该 P M2 5微粒上的接触角为零, 求出 C ′ R值, 然后依次求出其他液体的相对接触 角. 图 1 Wa s h b u r n 渗透压力法测试微粒接触角示意图 1 3 燃烧源 P M2 5微粒形态与组分测试 微粒形态分析采用德国 L E O公司的 1 5 3 0 V P 扫描电子显微镜, 该电镜配有英国 O X F O R D公司 167第 5期颜金培, 等 燃烧源 P M2 5微粒润湿性能 的 I N C A 3 0 0 X型 X 射线能谱分析系统; 扫描电镜 主要性能为 分辨率在高真空模式下为 1 0n m/ 2 0 k V ; 放大倍数为 2 0x~ 9 0 0k x ; 电子枪为电子热场 发射; 样品电流为 4p A~ 1 0n A ; 加速电压为 1 0 0V ~ 3 0k V . 扫描分析开始前, 需将收集到的样品连同收集 盘固定于铜合金样品台上, 飞灰样品无需镀金即可 分析, 样品放入真空腔以后, 密闭抽真空达到规定 的负压值, 即可通过外部控制台和软件系统完成样 品的扫描放大拍摄和能谱分析记录等所有操作. 2 结果与分析 2 1 润湿剂水溶液的表面张力 图 2为 5种润湿剂在不同浓度下的表面张力 测定结果; 可见, 表面张力先随润湿剂浓度的增加 而下降, 但当浓度增加到一定程度时, 表面张力不 再随浓度的增加而持续降低, 而是趋于一个稳定值 或稍微增大, 所试验的 S D B S , S D S , J F C , F S 3 1 0 , S i l a n o l w 2 2等 5种润湿剂均在质量分数为 0 5 0 % 左右时, 降低水表面张力的能力最强, 可分别使表 面张力由 7 2 9 0m N/ m降至 3 1 9 4 , 3 5 1 7 , 3 1 5 7 , 2 6 0 9 , 2 1 5 4m N/ m. 图 2还表明不同润湿剂降低 水溶液表面张力的能力有一定差异, 在所试验的 5 种润湿剂中, S i l a n o l w 2 2性能最好, S i l a n o l w 2 2是 一种特殊活性基团改性的有机硅表面活性剂, 具有 优异的润湿性能, 极佳的渗透性, 易溶于水, 稀释稳 定性好等特点. 鉴于溶液对微粒的润湿性大多随溶 液表面张力的降低而提高, 因此在添加润湿剂改善 微粒润湿性的实验中, 润湿剂浓度均取 0 5 0 %. 图 2 润湿剂浓度与溶液表面张力的关系 2 2 燃烧源 P M2 5微粒润湿性能及润湿剂作用 图 3 ( a ) 、 ( b ) 分别为燃煤电厂 P M2 5微粒、 垃 圾焚烧电厂 P M2 5微粒在水溶液及不同润湿剂溶 液中的 P 2~ t 关系测定结果, 为了消除微粒粒度及 床层孔隙率的影响, 试验时 2种微粒的粒度分布及 床层堆积密度尽可能相同; 可见, 水溶液对垃圾焚 烧电厂 P M2 5微粒的 P 2~ t 直线斜率大于相应的燃 煤电厂 P M2 5微粒, 这表明水在垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒中的渗透速度高于燃煤电厂 P M2 5微粒, 试验还发现相同渗透时间下, 样品的湿润增重也是 垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒较大, 若令水溶液对该 P M2 5微粒的接触角为零, 则燃煤电厂 P M2 5微粒在 水溶液中的相对接触角 θ= 6 7 7 . 上述结果均表 明垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒的润湿性较好, 这与微 粒的形态及组分有关, 垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒呈 多孔结构, 易吸附水分, 同时水溶性物质含量远高 于燃煤电厂 P M2 5微粒, 水分吸收能力强. 图 3 P M2 5微粒对不同润湿剂的 P 2~ t 关系图 表 1是由图 3中各直线斜率及溶液表面张力、 粘度值计算得到的相对接触角. 结合表 1和图 3可 以发现, 十二烷基硫酸钠 S D S , S i l a n o l w 2 2可明显 改善燃煤电厂 P M2 5微粒的润湿性能, 而 F S 3 1 0 、 渗透剂 J F C则对垃圾焚烧发电厂 P M2 5微粒有显 著作用; 试验还表明添加润湿剂的效果与微粒特性 有关, 某润湿剂对燃煤电厂 P M2 5微粒的润湿性起 促进作用, 而对垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒则作用不 明显, 甚至产生抑制作用, 如十二烷基硫酸钠 S D S , 从图 3和表 1可以发现, S D S对燃煤电厂 P M2 5微 粒的润湿性具有明显的促进作用, 而对垃圾焚烧发 电厂 P M2 5微粒的润湿则不明显, 这与文献[ 9 ] 的 结论一致. 从润湿方程 σ s g-σs l=σl gc o s θ 来看, 液 体润湿固体的能力主要取决于其表面张力, 表面张 力越小, 润湿能力越强, 因此, 应该首先选择降低水 表面张力能力最强的表面活性剂作为润湿剂; 同时 还应注意润湿剂在固体表面上的吸附性质, 一般认 267东南大学学报( 自然科学版) 第 3 6卷 为表面活性剂都具有两亲结构, 即亲水的极性基和 亲油的非极性基, 当表面活性剂的非极性基吸附于 微粒表面, 极性基往液相扩展, 形成的吸附层是以 亲水基构成最外层, 润湿性能就提高, 反之则会导 致疏水性增强, 降低润湿性能; 通常形成的吸附层 的结构及最外层的基团不仅与表面活性剂有关, 还 与微粒表面性质如表面 Z e t a 电位、 疏水亲水晶格 结构等有关, 因此, 选择性能优异的润湿剂除能有 效降低表面张力外, 还应注意与燃烧源 P M2 5微粒 的匹配结合. 表 1 水及润湿剂溶液在燃烧源 P M2 5微粒表面的相对接触角( 2 5℃)( ) P M2 5类型 润湿液 S D B SS D SJ F CF S 3 1 0S i l a n o l w 2 2水 燃煤电厂 P M2 5微粒6 9 9 00 0 07 3 9 48 2 1 41 0 2 68 3 0 2 垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒8 4 2 37 5 7 04 3 3 90 0 05 6 3 87 6 1 9 2 3 燃烧源 P M2 5微粒形态与组分分析 图 4是对燃烧源 P M2 5微粒进行扫描电镜形 图 4 燃烧源 P M2 5微粒扫描电镜照片 态分析的结果, 由图 4 ( a ) 可见, 燃煤电厂 P M2 5微 粒多呈规则的球形结构, 粒径分布较为均匀,大多 在 1 0~ 2 5μ m之间, 球体表面光滑无孔. 从燃煤 电厂 P M2 5微粒元素分析结果( 见表 2 ) 和 X 射线 能谱图 5 ( a ) 可知, 该微粒主要元素组分为 O , A l , S i , 占 9 4 5 8 %, 其余为 C a , S , N a , Mg , K , C l 等次要 元素, 从其主要元素的量可推知燃煤电厂 P M2 5微 图 5 燃煤电厂和垃圾焚烧电厂微粒 X 射线能谱 表 2 微粒元素组成% P M2 5类型 w ( O )w ( N a )w ( Mg )w ( A l )w ( S i )w ( S )w ( C l )w ( K )w ( C a ) 燃煤电厂 P M2 5微粒5 6 7 50 5 50 3 91 5 3 82 2 4 51 8 00 5 50 5 41 6 0 垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒3 3 9 13 0 20 0 90 0 80 3 72 6 62 1 7 23 6 63 4 4 8 粒大多为难溶于水且吸湿性较差的硅铝质矿物颗 粒. 与燃煤电厂 P M2 5微粒相比, 垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒的形态要复杂得多( 见图 4 ( b ) ) , 大多为 不规则的多孔结构, 大小不一, 粒径分布较广, 且表 面粗糙, 孔隙率较高, 比表面积较大, 从 X 射线能 谱图 5 ( b ) 和元素分析结果表 2可知垃圾焚烧飞灰 的主要组分是 O , C a , C l , 总质量超过 9 0 %, 此外 N a , K , S的含量也较高, 与燃煤电厂飞灰相比, A l 和 S i 的含量极低. 从该分析结果可以推知垃圾焚 烧飞灰中水溶性的 C a , N a , K的氯化物含量较高; 何品晶等[ 1 0 ]研究发现, 垃圾焚烧飞灰中溶解盐的 含量高达 1 7 9 % ~ 2 2 1 %, 主要为 C a , N a , K的氯 化物. 上述形态及组分特性均有利于吸收水分, 使 其与燃煤电厂飞灰相比, 具有较佳的润湿性能, 同 时较高的水溶性盐含量还可降低水蒸气凝结蒸汽 压, 有利于水蒸气在其表面凝结. 3 结 论 1 )燃烧源 P M2 5微粒的润湿性能与微粒形态 和组分有关, 燃煤电厂微粒大多呈规则的球形结 构, 表面光滑无孔, 主要为难溶于水且吸湿性较差 的硅铝质矿物颗粒, 垃圾焚烧电厂微粒呈现不规则 的多孔结构, 比表面积较大, 水溶性组分含量较高 367第 5期颜金培, 等 燃烧源 P M2 5微粒润湿性能 ( 主要为 C a , N a , K的氯化物) , 使其润湿性能优于 燃煤电厂 P M2 5微粒. 2 )十二烷基硫酸钠 S D S , S i l a n o l w 2 2可明显 改善燃煤电厂 P M2 5微粒的润湿性能, 而 F S 3 1 0 、 渗透剂 J F C则对垃圾焚烧电厂 P M2 5微粒有显著 改善作用. 3 )润湿剂改善燃烧源 P M2 5润湿性的效果与 微粒特性密切相关, 不加选择地应用不能保证润湿 性能的改善, 除了考虑可有效降低表面张力外, 还 应注意其在微粒表面上的吸附性质. 参考文献 ( R e f e r e n c e s ) [ 1 ]S l o s s LL , S m i t hI M. 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