基于表面活性理论的黑烟中炭黑颗粒物去除性能及理论的研究

摘要

以煤、石油、天然气和生物质为燃料的电厂锅炉、工业锅炉、陶瓷窑炉和民用炉灶等固定源以及燃用汽油、柴油和压缩天然气的机动车等移动源，造成我国严重的颗粒物污染，并对区域甚至全球的气候产生影响：黑烟中的炭黑(Soot)颗粒物是大气气溶胶主要构成，排放量大。我国2001年排放的炭黑颗粒物的量约为1.1 Tg，2006年排放的炭黑颗粒物的总量就达到了约1.8 Tg，增加了约63.64％。但是，因炭黑颗粒物独特的理化性质而导致常规的干法除尘技术很难奏效，湿法除尘技术则因其疏水性而效率也不高。
　　 本文在深入研究炭黑颗粒物的物理、化学性质的同时，以表面活性技术在自主研发的专利除尘器中进行炭黑颗粒物的脱除实验研究，研究了表面活性溶液的性质及相关理论、表面活性溶液中投加絮凝剂时对炭黑颗粒物的絮凝性能，最后以Fluent模拟研究了炭黑颗粒物在除尘器中的分布特征。
　　 炭黑颗粒物性质的研究表明该炭黑颗粒物是一种具有纳米粒径的颗粒物，其堆密度为0.33 g/cm3、真密度为1.85 g/cm3、安息角48°；炭黑颗粒物单个粒子的粒径多小于100 nm，但这些炭黑颗粒物易于通过聚集而形成较大却松散的大颗粒，聚集后的絮状大颗粒物的平均粒径为3.66μm。同时，炭黑颗粒物中还含有大量的有害物质，如具有致癌性的芳香族化合物和重金属元素，如Pb。但炭黑颗粒物中的元素如C，H，Si，Ca，Pb等多以非结晶态存在。炭黑颗粒物还具有较大的比表面积和孔容。
　　 实验中以阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)及两种非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯(9)醚(AEO－9)和壬基酚聚氧乙烯(10)醚(TX－10)的表面活性溶液为脱除模拟烟气中炭黑颗粒物的吸收液，以自主研发的伞罩型除尘器为炭黑颗粒物脱除装置。研究了表面活性溶液的表面张力性质及其受温度和pH值影响的规律，并分别研究了4种表面活性剂溶液在不同条件下脱除模拟黑烟中炭黑颗粒物的性能。结果表明AEO－9表面活性溶液在研究的4种表面活性溶液中具有最低的表面张力，且其表面张力受温度、pH值得变化影响不大。SDBS、CTAB、AEO－9和TX－10的炭黑脱除效率均随着炭黑颗粒物浓度的升高而降低，但AEO－9在炭黑浓度较高时仍具有较好的脱除炭黑颗粒物的能力，且它们的碳颗粒物脱除效率下降的幅度较小。在实验风速范围内，AEO－9效率始终高于其它三者的炭黑脱除率。在液气比的影响实验中，在实验的起始阶段，AEO-9、TX－10、CTAB和SDBS溶液的炭黑脱除效率由溶液的表面张力决定，表面张力愈小效率则越高；随着液气比的升高，4种溶液的炭黑脱除效率均不断升高，当液气比约为0.55 L/m3时，SDBS溶液的炭黑脱除效率就高于CTAB溶液的。同时，SDBS和CTAB吸收液的炭黑颗粒物脱除效率受溶液浓度变化的影响较大，尤其是SDBS吸收液，随着SDBS吸收液浓度由2 mmol/L升高到8 mmol/L，其炭黑脱除效率则由2 mmol/L的99.50％迅速下降至8 mmol/L的98.07％；CTAB溶液的炭黑脱除率因过多的泡沫的存在影响了其脱除炭黑颗粒物的性能。与此同时，在实验起始阶段AEO－9和TX－10吸收液的炭黑脱除效率要略低于SDBS的。当吸收液浓度变化时，AEO－9和TX－10吸收液的炭黑颗粒物的脱除效率不仅相对较高，而且随着吸收液浓度的增加而略微升高。AEO－9吸收液在4.00 mmol/L时可获得4种表面活性剂溶液中最高的炭黑颗粒物脱除效率，约为99.65％。
　　 其后，分别对AEO－9－SDBS、AEO－9－CTAB、AEO－9－TX－10和SDBS－CTAB四种混合表面活性剂溶液在不同配比条件下配制的表面活性性质进行了对比研究，如这些溶液的表面张力、最佳配比、配比变化时表面活性的变化趋势、各大类混合表面活性剂溶液在最优配比时在溶液表面形成的单分子层中表面活性剂1所占的摩尔分数(x1)及混合溶液中表面活性剂分子间的相互作用参数(B)等；研究了各复配表面活性剂溶液在其CMC浓度位置处脱除炭黑颗粒物的性能；同时对各混合表面活性剂溶液的△Gom与相应的混合表面活性溶液的炭黑颗粒物脱除能力的数学相关性进行了数学拟合和分析。
　　 研究结果表明当AEO－9与SDBS的摩尔比为1:1时，该混合溶液在AEO－9－SDBS系列混合溶液中具有最低的表面张力，在其CMC(0.2 mmol/L)位置处，其表面张力约为35 mN/m。AEO－9－SDBS混合溶液的炭黑颗粒物脱除能力与各混合溶液在其CMC位置处的表面张力密切相关，该混合溶液产生了最高的炭黑颗粒物脱除效率，高达99.81％，这也与混合溶液具有较低的β和较高的x1有关。但是混合溶液的△Gom与该溶液相应的炭黑颗粒物脱除效率的数学相关性不甚理想，其R2仅为0.889。
　　 当AEO－9－CTAB复配溶液中AEO－9：CTAB＝1:1时出现了该系列复配溶液中最低的表面张力，在其CMC(1.00 mmol/L)位置处，其表面张力为38.48 mN/m。随着CTAB在混合溶液中浓度的升高其炭黑颗粒物的脱除效率不断下降。与此同时，AEO－9－CTAB混合溶液的△Gom与该溶液相应的炭黑颗粒物脱除效率具有相对较好的数学相关性，其R2为0.947。
　　 当AEO－9与TX－10溶液相混合时且其摩尔比为1:2时，该系列混合溶液具有最大的β和最小的x1，当该溶液的浓度为0.18 mmol/L(该混合溶液的CMC)时，溶液的表面张力为36.5 mN/m。AEO－9－TX－10混合溶液的炭黑颗粒物脱除效率与混合溶液的表面张力密切相关，在最低的表面张力位置处获得了约99.20％的炭黑颗粒物脱除效率。同时，该类型表面活性剂混合溶液的△Gom与该溶液相应的炭黑颗粒物脱除效率具有非常好的数学相关性，其R2为0.989，在实验研究及工程应用中可直接用于相关的计算和推理。
　　 在SDBS-CTAB混合表面活性溶液中，虽然该混合溶液具有最小的β，但因其x1值相对较小且CTAB在单分子层中占相当高的比例，由于SDBS、CTAB表面活性溶液的表面张力均高于TX-10并远高于AEO-9溶液的表面张力、CTAB的发泡性能会抑制其对炭黑的去除而导致该系列表面活性剂溶液在所研究的四种表面活性剂溶液中的炭黑颗粒物的去除能力最低。研究的系列SDBS-CTAB混合表面活性剂溶液中，当它们的摩尔比为1:1时在其CMC即0.6mmol/L的浓度下获得该系列混合溶液的最低表面张力，约为38.20 mN/m。但是，与AEO-9-CTAB混合溶液类似的是，该混合溶液的炭黑颗粒物的脱除能力并不理想，仅约为98.32％。然而，在研究的几种表面活性溶液中，该混合溶液的△Gom与该溶液相应的炭黑颗粒物脱除效率却具有最好的数学相关性，其R2为0.997，可在实验研究及工程应用中直接用于相关的计算和推理。
　　 本文还研究了无机盐NaCl、Na2SO4.、Na3PO4对CTAB表面活性溶液性质的影响，研究结果表明NaCl、Na2SO4、Na3PO4对CTAB溶液的表面活性有一定的影响，且表现出一定的规律性，CTAB溶液的表面张力与盐溶液浓度间的关系为溶液的表面张力随盐溶液浓度的升高而增大、随CTAB浓度的升高而减小，且NaCl对CTAB溶液的表面活性影响相对较大。为此，后续重点研究了NaCl对AEO-9、SDBS表面活性溶液性质的影响。NaCl对AEO-9表面活性溶液性质的影响很小，溶液的表面活性并没有发生剧烈变化。由于SDBS为离子型表面活性剂，因此，当溶液中加入NaCl后SDBS表面活性溶液的表面张力随溶液中NaCl浓度的增加而不断下降，但下降的趋势随溶液中NaCl浓度的不断升高而逐渐变缓。
　　 对AEO-9-TX-10混合表面活性溶液，NaCl对其表面活性具有较小的影响作用；而对于SDBS-CTAB、AEO-9-SDBS混合表面活性溶液，因其中存在离子型表面活性剂，故当溶液中加入NaCl后导致溶液的表面张力出现了明显的下降，尤其是SDBS-CTAB混合表面活性溶液，其表面张力下降的幅度要略高于AEO-9-SDBS的。
　　 絮凝剂聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)也会对表面活性溶液的性质产生一定的影响。当向AEO-9、SDBS、CTAB表面活性溶液以及AEO-9-TX-10、SDBS-CTAB复配表面活性溶液投加不同浓度的PAC及PAM时，可清楚的发现向溶液中投加PAC基本会由于Al3+的引入而导致除AEO-9和SDBS之外溶液的表面张力出现小幅下降，同样，由于PAM为高分子有机絮凝剂，当其加入到溶液中尤其是离子型表面活性溶液中会导致除AEO-9之外溶液的表面张力略微升高，但降幅和增幅均不大。实验研究还发现当向悬浮有0.1000 g炭黑颗粒物的表面活性溶液中投加200 mg/L的PAC絮凝剂，可获得高达94％的炭黑颗粒物沉降率，这样在以湿法进行黑烟中炭黑颗粒物的净化时，在吸收液循环时可向循环液中投加一定量的PAC以使悬浮于溶液中的炭黑颗粒物发生絮凝和沉降；当溶液中再含有5 mmol/L的NaCl时，悬浮于溶液中的炭黑颗粒物的净化效率更可高达95％。而当向上述表面活性溶液、复配表面活性溶液中加入PAM时，最高仅能获得87.6％的炭黑颗粒物的沉降率。同时，在悬浮于吸收液中的炭黑颗粒物的絮凝及沉降过程中，粒径较大的颗粒则更容易发生絮凝和沉降，絮凝、沉降后上清液中残留炭黑颗粒物的平均粒径随着炭黑颗粒物的沉降效率的上升而下降。
　　 Fluent模拟结果表明，在伞罩型除尘器内，沿除尘器的轴向方向炭黑颗粒物浓度不断减少，且炭黑颗粒物在轴向两侧的分布特征为左右两侧浓度较高但并不对称，中心区域的浓度较低。当入口处炭黑颗粒物浓度不断增加时，右边壁区域炭黑颗粒物的浓度明显高于径向其它位置的浓度，径向中心位置的炭黑颗粒物浓度最低。当入口气速发生变化时，径向位置炭黑颗粒物的浓度开始随气速的增加而减少，且颗粒物的分布沿径向更为均匀；当进入除尘器的炭黑颗粒物的粒径发生变化时，随着炭黑颗粒物粒径的增大颗粒物沿径向分布的浓度则不断下降，虽然沿径向的浓度分布仍然呈现出中间低两端高的情形，但该浓度径向的分布变得较为均匀。而随着除尘器入口风速、炭黑浓度的不断增加，除尘器内的压降也随之增加。当以除尘器的模拟结果与实验结果相对比时，发现模拟的压降值和实验检测的实际值仅存在约6％的误差，除尘器的炭黑颗粒物脱除效率与除尘器炭黑颗粒物的实验脱除效率误差在10％以内。这表明以Fluent数值模拟可以比较准确的对伞罩型除尘器内部炭黑颗粒物的部分特征进行、脱除炭黑颗粒物的性能、伞罩型除尘器运行时的压降等进行预测、评价。