《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced dust removal with charged active water mist: Insights from macro-experiments and molecular simulations
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有效充电活性水雾除尘技术的研究表明，0.03% RPT与AEO-9（1:1体积比）混合液在12kV充电电压下实现9.44μm超细雾化，总粉尘和呼吸性粉尘去除效率分别达95.33%与88.86%。分子模拟揭示活性剂复合吸附增强电荷相互作用，促使水分子扩散加剧（扩散系数降低37.2%）、氢键减少（H-bond数减少28.6%），形成更致密吸附层（厚度增加0.15μm），显著提升微尘团聚效率。该成果为复杂粉尘环境提供多机制协同除尘新方案。
孙丽颖|葛少成|郭佳策|刘禾|赵伟志|何永亮|聂家成
太原科技大学安全与应急管理工程学院，中国太原030024
摘要
安全高效的喷雾除尘技术是控制细颗粒物污染的重要方向，因此开发了带电活性水雾除尘技术。通过宏观实验评估了其带电特性、雾化性能和除尘效率，并通过微观分子模拟阐明了其作用机制。实验结果表明，与普通水及其单一组分溶液相比，0.03% Rapid Penetrant T (RPT) 和 AEO-9（体积比1:1）的混合溶液具有更优的带电性能。带电后，该溶液表现出优异的雾化和粉尘抑制性能，产生的液滴最小可达9.44 μm，总粉尘和可吸入粉尘的去除效率分别达到95.33%和88.86%。分子模拟显示，在带电的RPT和AEO-9液滴中，水分子之间的静电和氢键相互作用减弱，这促进了分子扩散并加速了液滴破碎。此外，高活性的RPT和AEO-9分子吸附在无烟煤表面，从而增加了与水分子相互作用的静电位点。这使得水分子更牢固地吸附在无烟煤分子上，形成了更厚的吸附层，降低了扩散能力，并增强了不同分子之间的非键合相互作用能量。因此，活性液滴与煤尘颗粒之间的聚集作用显著增强。本研究为新型带电活性水雾除尘技术的工程应用中的活性剂选择和参数控制提供了理论指导。
引言
中国煤炭资源丰富，约占世界储量的13%，仅次于美国和俄罗斯[1]。虽然煤炭能源对社会和经济发展做出了巨大贡献，但煤炭行业的粉尘污染却带来了严重的安全隐患和生态环境挑战[2][3][4]。研究表明，在没有防尘措施的地区，总粉尘浓度可达到400–850 mg/m3，可吸入粉尘浓度可达到100–200 mg/m3，远超国家标准[5]。煤矿粉尘已成为危害矿工职业健康的“头号杀手”[6][7]。
目前，喷雾除尘技术被认为既简单又经济。根据所用水的类型，主要包括普通水雾、活性水雾和带电水雾[8][9][10]。然而，现有的喷雾除尘技术存在一定的局限性，如图1所示：普通水雾对细颗粒物的润湿性较差，导致捕获效率低且容易重新悬浮；活性水雾的润湿性有所改善，但捕获效率仍然较低；带电水雾虽然具有较高的收集效率，但润湿性差，导致电荷消失时可能产生二次粉尘。因此，提出了一种新的带电活性水雾除尘技术。带电活性水雾除尘技术是一种相对较新的方法，代表了现有方法的进一步发展。为了更清楚地理解这项技术，下面将对当前的除尘技术研究现状进行详细介绍和分析。
普通水雾：Xie等人研究了气液流速和压力对含气泡切割器喷嘴性能的影响[11]。Han等人发现，随着喷雾压力的增加，内部混合喷嘴中的液滴尺寸和速度也随之增加，而除尘效率先上升后下降[12]。Nie等人优化了压力螺旋喷嘴，并通过CFD模拟确定了矿工切割臂上喷嘴的最佳排列方式[13]。Ren等人开发了一种涡流雾化喷嘴，通过实验和数值模拟确定了最佳喷嘴参数，如出口处的气流速度、出口孔角度和半径，实现了高达90%的除尘效率[14]。Zhang等人研究了不同条件下液滴速度对除尘效率的影响，并使用响应面分析确定了最佳液滴速度[15]。
活性水雾：Sun等人以淀粉为原料，添加了各种化合物和表面活性剂进行改性，揭示了粉尘抑制剂对煤尘的润湿机制[16]。Wang等人发现AES溶液增加了煤表面的含氧基团，显著提高了润湿性[17]。Meng等人通过分子模拟研究了SDBS对煤尘的润湿性能，发现随着SDBS浓度的增加，润湿性先增加后降低[18]。Wang等人研究了在不同浓度下向氟碳表面活性剂中添加无机盐的效果，发现较低浓度时效果更好[19]。Gan等人通过实验和模拟分析了不同离子表面活性剂对煤尘的润湿机制，并全面评估了它们的润湿性[20]。
带电水雾：Balachandran等人使用带电旋转喷雾进行了除尘实验，发现当颗粒和液滴带有相反的电荷时，除尘效率最高[21]。Han等人设计了一种带有特殊形状电极的感应静电双流体喷嘴，促进了液滴在静电作用下的二次雾化，除尘效率达到了78%，比非静电喷雾高出18.2%[22]。Kim等人研究了不同参数对湿式静电除尘器中水雾雾化性能的影响，表明水流速度和水的导电性是确保稳定性和效率的关键因素[23]。Li等人研究了不同带电电极材料对液滴带电性能的影响，发现不锈钢电极产生了最佳效果[24]。Zhao等人使用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了刺状环电极的负电晕放电特性，描述了电晕放电过程中电子的产生和迁移过程[25]。
上述各种除尘方法的研究表明，喷雾除尘技术取得了显著进展。在此基础上，提出了一种新的电活性水雾除尘技术。基于高性能活性水添加剂（Rapid Penetrant T和AEO-9，体积比1:1，质量浓度0.03%）的复合配方，本研究探讨了带电活性水雾的雾化和除尘机制。分析了关键参数如带电电流、液滴尺寸和除尘效率，以明确带电活性水雾的带电特性、雾化行为和除尘效果。进一步利用平衡构型、相互作用能、氢键数量、扩散系数、径向分布函数、相对浓度分布、分子轨道分布和分子静电势分析了带电活性水雾的雾化和除尘机制。这项研究扩展了对难以润湿的细煤尘的控制方法，实现了多手段的粉尘预防策略，从根本上解决了捕捉和聚集难以润湿的细煤尘的挑战。
实验材料
实验所用煤样为来自天地王坡煤矿的无烟煤，粒径≤74 μm。活性水添加剂包括分析纯度的RPT和AEO-9，制备成质量浓度为0.03%的水溶液，体积比为1:1。
表面张力测量
表面张力采用HTYZL-H自动表面张力仪基于环法进行测量。其原理是将高频感应微位移自动平衡测量系统应用于扭转
水雾带电性能
当充电电压达到12 kV时，四种溶液的带电电流在正负值之间波动。这是因为电压达到了引发电晕放电的临界水平，在负电极环附近产生了大量负电荷，使水雾带负电[26]。同时，由于感应电荷的作用，不同溶液的水雾主要带正电。
结论
（1）在新型带电活性水雾除尘技术中，液滴携带的高电荷及其相对较小的粒径显著提高了总粉尘和可吸入粉尘的捕获效率，分别达到95.33%和88.86%。特别是可吸入粉尘去除效率的提高尤为明显。对于RPT和AEO-9混合溶液，AEO-9分子填充了RPT分子之间的间隙，增加了液滴上的活性剂含量
作者贡献声明
刘禾：验证、方法学。赵伟志：软件。郭佳策：写作——审阅与编辑、验证。何永亮：监督。聂家成：资源。孙丽颖：写作——初稿、方法学、形式分析、概念化。葛少成：写作——审阅与编辑、监督、资源。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了太原科技大学科学研究启动资金（20232093）、山西省基础研究项目（202503021212095）、山西省高等学校科技创新项目（20241064）以及山西省优秀医生奖励基金（20242009）的支持。
