基于正交实验设计的磁化水喷雾除尘装置的结构优化

《Journal of Cleaner Production》：Structural optimization of a magnetized water spray dust reduction device based on orthogonal experimental design

磁化水装置通过优化磁通密度（269-331 mT）和水流速（1 m/s），降低表面张力5.68%，提升喷雾降尘效率，呼吸性粉尘减少7.28%-10.79%，总粉尘减少4.25%-5.79%，为绿色粉尘控制提供新方法。

　　

吴高高|王鹏飞|李永军|陈勇|李世林

湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湘潭，411201，中国

摘要

本文研究开发了一种磁化水处理装置，并探讨了磁化水喷雾在粉尘控制中的应用，旨在提高喷雾除尘效率，促进工作场所的清洁生产。研究了磁通密度和水流速度对水表面张力的影响。基于这些研究结果，通过正交实验优化了该磁化水处理装置的结构参数。此外，还实验性地考察了该装置对X型旋流喷嘴除尘效果的实际影响。在最佳磁化参数（磁通密度269–331 mT，水流速度1 m/s）下，水的磁化效果最为显著，表面张力相对降低了5.68%。磁化水处理装置的最佳内部结构参数为：挡板长度6 mm，挡板倾角30°，挡板间距20 mm。实验表明，磁化水可使喷雾喷嘴的呼吸性粉尘减排效率提高7.28%-10.79%，总粉尘减排效率提高4.25%-5.79%。研究结果支持将磁化水作为一种清洁安全的粉尘控制方法。

引言

煤炭开采、建筑和隧道掘进等工业过程会产生大量粉尘，由于重型机械的广泛使用，粉尘危害日益严重（Panicker等人，2023；Xie等人，2025；Chen等人，2025a；Liang等人，2025）。长期吸入空气中的粉尘会危害工人健康，同时粉尘积聚还会威胁操作安全，因此有效的粉尘控制对于企业的清洁生产和环境保护至关重要（Moroń和Ferens，2024；Paluchamy和Mishra，2022；Zhao等人，2021）。因此，开发有效的粉尘控制方法和技术措施一直受到关注（Liu等人，2020）。研究人员提出了多种技术措施来减轻粉尘危害，包括通风除尘、封闭式粉尘抑制和喷雾式粉尘减排（Zhou等人，2020；Yu等人，2025；Zinurov等人，2024）。其中，喷雾式粉尘抑制技术因其喷嘴安装方便和运行成本低而受到重视，适用于采矿和隧道施工（Chen等人，2025b；Nie等人，2024；Wang等人，2025）。然而，喷雾式粉尘抑制的效率受到液滴捕捉粉尘颗粒能力有限的影响。这主要是由于普通水的润湿能力较弱以及粉尘本身的疏水性（Wang等人，2021；Han等人，2024）。

现有研究表明，提高水对粉尘的润湿性可以提升喷雾除尘效率。通常会添加表面活性剂来实现这一目标（Bao等人，2023；Zhou等人，2022a）。但表面活性剂存在成本高、生物降解性差和潜在健康风险等问题，可能导致水质污染、运行成本增加和生态环境恶化（Nie等人，2025；Zhang等人，2025）。因此，开发清洁安全的提高水润湿性的方法有助于改善工作条件并促进绿色发展。研究表明，磁处理技术可以改变水的性质，生成磁化水（Douri等人，2022）。Absalan等人（Absalan等人，2021；Mohammadnezhad等人，2022；Lee等人，2013）研究了水分子在磁化作用下的结构变化，发现磁处理会减弱水分子间的作用力，使磁化水的红外吸收增强、表面张力降低。磁化作用会破坏水分子的氢键，形成更小的水团簇，增加活化能，并改变水的物理化学性质（Ghorbani等人，2021；Chen等人，2025c；Dobránszki，2023）。Ding等人（Ding等人，2011；Liu等人，2025）发现磁化处理可提高水的润湿性，降低其表面张力和粘度。磁化后，水的红外吸收率和电导率增加，而热容量降低。Wang等人（Wang等人，2018；Due?as等人，2021）发现磁化水具有更高的蒸发能力和蒸发速率，同时降低比热和沸点，从而提高工业冷却和发电效率。Hosseini等人（Hosseini等人，2019a，2019b；Zhou等人，2021a）发现磁化水在碳酸盐岩石上的接触角小于普通水，磁化作用增强了水对岩石表面的润湿性，减少了表面活性剂的消耗。磁化水喷雾技术具有环保和清洁的优点（Zhou等人，2021b；Zhang等人，2022）。因此，基于先进磁技术的新型磁化水处理装置的开发将促进磁化水在粉尘抑制领域的广泛应用。此外，磁化水还能提高混凝土稳定性（Ghorbani等人，2020），改善砖块的耐久性（Zheng等人，2015），增加土壤湿度并促进农业种植（Khoshravesh等人，2011），以及提高原油回收效率（Esmaeilnezhad等人，2017）。

总之，尽管许多研究人员对磁化水进行了理论和实验研究，但关于磁化水如何提高喷雾除尘效率的机制仍缺乏深入探讨。尽管已经开发出具有强磁性的新型稀土永磁体，但对其对水的影响及其作用原理的研究仍不足。此外，基于新型永磁体的磁化水处理装置开发不足，限制了其在喷雾除尘中的应用。因此，本研究探讨了磁化水的润湿性及其在喷雾除尘中的应用，并采用了新型永磁体。通过正交实验优化了磁化水处理装置的内部结构参数，实现了流体通道内的均匀流速分布和最佳磁通密度，从而开发出一种高效利用磁场的磁化水处理装置。该研究揭示了磁化水改善喷雾除尘效果的机制，并验证了磁化技术的实用性，为磁化水在粉尘控制中的工程应用提供了理论基础。

实验材料

与传统磁体相比，NdFeB稀土永磁体具有高磁能积、强磁强度、良好的耐腐蚀性和易于加工等优点。目前市场上最高级别的钕铁硼（NdFeB）稀土永磁体为N52，但其市场价格约为N48级别的8倍，而磁通密度仅增加了约10 mT。

装置磁化参数的确定

图4(a)显示，在固定流速下，随着磁通密度的逐渐增加，磁化水的表面张力先下降后趋于稳定。当磁通密度在269至331 mT之间时，水的磁化效果最佳。这种现象是由于磁场对水分子的极化和洛伦兹力作用导致水分子结构变形和氢键断裂。

液滴尺寸分布

根据上述测试方案实验测量了喷嘴液滴尺寸，结果如图11所示。随着供压的增大，喷嘴液滴尺寸逐渐减小，磁化水喷雾产生的液滴更加细腻。水磁化后表面张力的降低直接影响了液体的雾化动态行为，促进了液膜的不稳定。

结论

本研究通过磁处理提高水的润湿性，解决了喷雾除尘中水对粉尘润湿性差的问题。该方法无需添加化学添加剂，使磁化水既安全又环保。研究内容包括优化磁化水处理装置设计和喷雾除尘性能评估，系统分析了磁化参数对水表面张力的影响。

数据和材料的可用性

本文中的所有数据和材料均可获取。当前研究使用和分析的数据可向通讯作者索取。

作者贡献声明

吴高高：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据分析。王鹏飞：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。李永军：资源提供。

参与同意

不适用。

发表同意

在提交给期刊之前，所有作者均同意公开其数据。

伦理批准

不适用。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52274197和52474220）和湖南省杰出青年基金（项目编号：2024JJ2032）的支持。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。