润湿因素对喷雾抑尘效率影响模式的研究

《Journal of Aerosol Science》：Study on the Influence Pattern of Wetting Factors on Spray Dust Suppression Efficiency

粉尘污染是环境恶化及呼吸道疾病的主要诱因，传统喷雾抑尘技术因表面活性剂特性差异导致抑尘效果波动大。本研究通过建立滴液-粉尘动态碰撞动力学模型，揭示湿ting因子对抑尘效率的关键影响机制，发现当湿ting因子从2.23增至17.89时，粉尘逃逸率从28.1%降至6.84%，抑尘效率提升超50%。实验采用CDEA、SDS、JFC、OP-10四类表面活性剂，通过接触角测量系统量化湿ting因子，并基于自主设计的喷雾测试平台验证动力学参数与实际抑尘效果的相关性，为精准选择表面活性剂提供理论支撑。

　　

徐向宇|孙思宇|陈长江|魏建平|谢鹏|高宇

河南省工业职业技术学院，气体地质与气体控制国家重点实验室培育基地，焦作454000，河南，中国

摘要

粉尘污染是人类环境污染和呼吸系统疾病的主要原因之一。传统的喷雾除尘技术受到所添加表面活性剂性质的影响，即使在表面张力相似的条件下，除尘效果也存在显著差异。通过对喷雾液滴与粉尘颗粒之间动态碰撞过程的分析，本研究确定了导致不同溶液除尘效率差异的因素。为此，本文建立了液滴润湿粉尘颗粒的动力学模型，进行了液滴-颗粒碰撞的数值模拟，并使用扩散系数作为评估指标，分析了液滴在不同润湿因素下的扩散行为及其包裹粉尘颗粒的能力。实验选择了四种表面活性剂（CDEA、SDS、JFC、OP-10）的不同浓度溶液。使用全自动接触角测量仪器确定了它们的润湿因子。在自建的喷雾测试系统中验证了润湿因子与除尘效率之间的关系。结果表明，润湿因子是决定液滴润湿速率的关键参数，其值越高，液滴在粉尘颗粒表面的扩散速度越快。当润湿因子从2.23增加到17.89时，粉尘逃逸率从28.1%降至6.84%，与纯水相比，除尘效率提高了50%以上。本文阐明了润湿因子影响喷雾除尘效率的机制，为喷雾除尘技术中表面活性剂的选择提供了理论依据。

引言

"粉尘是环境中有害微生物和真菌孢子传播的主要载体；当与微生物结合时，它会造成一种复合污染，对生态安全、材料保存和人类健康构成重大风险。（Zhao等人，2008；Bidabadi等人，2014）为了有效控制这种复合污染，由于喷雾除尘技术的简单性、成本效益和显著的除尘效果，人们采用了该技术（Fang等人，2020；Cheng等人，2020）。它被广泛用于岩石破碎等多种场景中的粉尘抑制。（Wei等人，2026；Liu等人，2025）。"然而，传统的喷雾技术在处理具有强表面疏水性和小粒径的粉尘颗粒时效果不佳。这主要是因为粉尘表面的疏水性阻碍了液滴的快速扩散和有效润湿，导致无法捕获和固定粉尘颗粒及其附着的微生物（Peng等人，2023；Lin等人，2024；Meng等人，2025）。

为了提高喷雾除尘效率（Wang等人，2016；Ma & Kou，2005），Zhang等人（Zhang & Wu，2008）通过喷雾除尘实验发现，表面活性剂溶液的除尘效率高于纯水；Lin等人（Lin等人，2018）指出，表面活性剂可以通过降低溶液的表面张力来提高粉尘沉降效率。Qin等人（Qin等人，2024）基于接触角测量研究了混合溶液中表面活性剂的优化；Xu等人（Xu等人，2016）通过沉降实验表明，表面活性剂可以促进粉尘颗粒的快速沉降。大量研究表明，表面活性剂溶液可以显著提高喷雾除尘过程中的粉尘颗粒去除效率，表面活性剂的选择主要基于溶液的表面张力大小（Soriamaa & Laaksonen，2006；Zelenvuk等人，2007）。然而，进一步的研究发现，即使表面张力相似的表面活性剂，在除尘效果上也存在显著差异（Wang等人，2022）。Liu等人（Liu等人，2024）提出，液滴对粉尘颗粒的润湿是一个动力学过程。然而，目前表面活性剂的选择并未考虑喷雾液滴与粉尘颗粒之间的动态碰撞过程。为了进一步提高喷雾除尘效率，需要从动力学角度对表面活性剂进行进一步优化。

为了研究喷雾液滴与粉尘颗粒之间的动态碰撞过程对喷雾除尘效果的影响，引入了“润湿因子”（Cheng等人，2016）来表征液滴在粉尘颗粒上的润湿速率。这量化了在不同表面张力条件下不同表面活性剂溶液的润湿效率（Yang等人，2007；Yang等人，2009）。液滴在粉尘颗粒上的覆盖程度由扩散系数表示（Liang等人，2013）。建立了液滴在粉尘颗粒表面动态润湿的理论模型（Yang等人，2023；Kong等人，2020；Zhang等人，2025；Hou等人，2025）；进行了液滴-颗粒碰撞的数值模拟，分析了在不同润湿因素条件下的液滴扩散行为和颗粒包裹能力。通过接触角测量（Zhang等人，2015；Wen等人，2015；Lv等人，2024），确定了各种溶液的初始接触角、平衡接触角和表面张力，并计算了每种溶液的润湿因子。选择了表面张力相似但润湿因子显著不同的溶液。最后，使用自建的喷雾测试系统进行了多组对照实验，以验证润湿因子与粉尘沉降效率之间的关系。通过研究，阐明了润湿因子对喷雾除尘效率的影响，为提高喷雾除尘技术对颗粒物的除尘效率提供了理论指导。

部分内容

数值方法

为了明确构建润湿动力学模型，采用了CLSVOF界面捕捉技术来计算液滴-颗粒碰撞过程。该方法分析了在不同润湿因子条件下的液滴润湿行为和包裹能力，具体控制方程如下。

实验材料

对于本研究中选择的四种表面活性剂，每种表面活性剂溶液建立了四个浓度梯度，如表1所示。这些表面活性剂无污染、成本低廉、易于获取，并且对粉尘颗粒的润湿效果显著，适用于现场除尘应用。所选试剂包括两种常见类型：非离子型和阴离子型。由于它们的分子结构和亲水-疏水性质不同，因此表现出显著的

实验装置和方法

实验材料包括直径小于125 μm的颗粒和从润湿动力学实验中选出的四种表面活性剂溶液，水作为对照组。实验系统是一个自建的环境模拟测试系统，如图6所示。该系统由喷雾装置、环境模拟单元、数据采集设备和通风设备组成。喷雾系统包括水泵、管道和直径为0.8 mm的不锈钢

结论

建立了液滴润湿粉尘颗粒的动力学模型；阐明了表征液滴动态润湿速率的润湿因子K的物理意义和计算方法；并提出了一种综合考虑表面张力和润湿因子的表面活性剂选择方法。通过液滴-颗粒碰撞的数值模拟，确定在表面张力相似的条件下

作者贡献声明

高宇：监督。孙思宇：数据整理、软件编写、初稿撰写。徐向宇：正式分析、概念构思、资金筹集、方法论设计。谢鹏：调查、撰写——审稿与编辑。魏建平：监督、撰写——审稿与编辑。陈长江：资金筹集、资源调配、监督

未引用参考文献

Brackbill, 2016; Sorjamaa and Laaksonen, 2006; Wen and Liu, 2015; Zelenyuk et al., 2007.

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

本研究中的所有数据均可向相应作者索取。

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

本工作得到了国家自然科学基金（52374198、U24A2091）；河南省高等学校重点科研计划（24A440009）；河南省重点研发专项（231111322000）的支持。