【摘要】：以煤、石油、天然氣和生物質(zhì)為燃料的電廠鍋爐、工業(yè)鍋爐、陶瓷窯爐和民用爐灶等固定源以及燃用汽油、柴油和壓縮天然氣的機(jī)動(dòng)車等移動(dòng)源，造成我國(guó)嚴(yán)重的顆粒物污染，并對(duì)區(qū)域甚至全球的氣候產(chǎn)生影響;黑煙中的炭黑（Soot）顆粒物是大氣氣溶膠主要構(gòu)成，排放量大。我國(guó)2001年排放的炭黑顆粒物的量約為1.1Tg，2006年排放的炭黑顆粒物的總量就達(dá)到了約1.8Tg，增加了約63.64%。但是，因炭黑顆粒物獨(dú)特的理化性質(zhì)而導(dǎo)致常規(guī)的干法除塵技術(shù)很難奏效，濕法除塵技術(shù)則因其疏水性而效率也不高。 本文在深入研究炭黑顆粒物的物理、化學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，以表面活性技術(shù)在自主研發(fā)的專利除塵器中進(jìn)行炭黑顆粒物的脫除實(shí)驗(yàn)研究，研究了表面活性溶液的性質(zhì)及相關(guān)理論、表面活性溶液中投加絮凝劑時(shí)對(duì)炭黑顆粒物的絮凝性能，最后以Fluent模擬研究了炭黑顆粒物在除塵器中的分布特征。 炭黑顆粒物性質(zhì)的研究表明該炭黑顆粒物是一種具有納米粒徑的顆粒物，其堆密度為0.33g/cm~3、真密度為1.85g/cm~3、安息角48°；炭黑顆粒物單個(gè)粒子的粒徑多小于100nm，但這些炭黑顆粒物易于通過(guò)聚集而形成較大卻松散的大顆粒，聚集后的絮狀大顆粒物的平均粒徑為3.66μm。同時(shí)，炭黑顆粒物中還含有大量的有害物質(zhì)，如具有致癌性的芳香族化合物和重金屬元素，如Pb。但炭黑顆粒物中的元素如C，H，Si，Ca，Pb等多以非結(jié)晶態(tài)存在。炭黑顆粒物還具有較大的比表面積和孔容。 實(shí)驗(yàn)中以陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）及兩種非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯（9）醚（AEO-9）和壬基酚聚氧乙烯(10)醚（TX-10）的表面活性溶液為脫除模擬煙氣中炭黑顆粒物的吸收液，以自主研發(fā)的傘罩型除塵器為炭黑顆粒物脫除裝置。研究了表面活性溶液的表面張力性質(zhì)及其受溫度和pH值影響的規(guī)律，并分別研究了4種表面活性劑溶液在不同條件下脫除模擬黑煙中炭黑顆粒物的性能。結(jié)果表明AEO-9表面活性溶液在研究的4種表面活性溶液中具有最低的表面張力，且其表面張力受溫度、pH值得變化影響不大。SDBS、CTAB、AEO-9和TX-10的炭黑脫除效率均隨著炭黑顆粒物濃度的升高而降低，但AEO-9在炭黑濃度較高時(shí)仍具有較好的脫除炭黑顆粒物的能力，且它們的碳顆粒物脫除效率下降的幅度較小。在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，AEO-9效率始終高于其它三者的炭黑脫除率。在液氣比的影響實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)的起始階段，AEO-9、TX-10、CTAB和SDBS溶液的炭黑脫除效率由溶液的表面張力決定，表面張力愈小效率則越高；隨著液氣比的升高，4種溶液的炭黑脫除效率均不斷升高，當(dāng)液氣比約為0.55L/m~3時(shí)，SDBS溶液的炭黑脫除效率就高于CTAB溶液的。同時(shí)，SDBS和CTAB吸收液的炭黑顆粒物脫除效率受溶液濃度變化的影響較大，尤其是SDBS吸收液，隨著SDBS吸收液濃度由2mmol/L升高到8mmol/L，其炭黑脫除效率則由2mmol/L的99.50%迅速下降至8mmol/L的98.07%；CTAB溶液的炭黑脫除率因過(guò)多的泡沫的存在影響了其脫除炭黑顆粒物的性能。與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)起始階段AEO-9和TX-10吸收液的炭黑脫除效率要略低于SDBS的。當(dāng)吸收液濃度變化時(shí)，AEO-9和TX-10吸收液的炭黑顆粒物的脫除效率不僅相對(duì)較高，而且隨著吸收液濃度的增加而略微升高。AEO-9吸收液在4.00mmol/L時(shí)可獲得4種表面活性劑溶液中最高的炭黑顆粒物脫除效率，約為99.65%。 其后，分別對(duì)AEO-9-SDBS、AEO-9-CTAB、AEO-9-TX-10和SDBS-CTAB四種混合表面活性劑溶液在不同配比條件下配制的表面活性性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比研究，如這些溶液的表面張力、最佳配比、配比變化時(shí)表面活性的變化趨勢(shì)、各大類混合表面活性劑溶液在最優(yōu)配比時(shí)在溶液表面形成的單分子層中表面活性劑1所占的摩爾分?jǐn)?shù)(x_1)及混合溶液中表面活性劑分子間的相互作用參數(shù)(β)等；研究了各復(fù)配表面活性劑溶液在其CMC濃度位置處脫除炭黑顆粒物的性能；同時(shí)對(duì)各混合表面活性劑溶液的Δ G_m~0與相應(yīng)的混合表面活性溶液的炭黑顆粒物脫除能力的數(shù)學(xué)相關(guān)性進(jìn)行了數(shù)學(xué)擬合和分析。 研究結(jié)果表明當(dāng)AEO-9與SDBS的摩爾比為1:1時(shí)，該混合溶液在AEO-9-SDBS系列混合溶液中具有最低的表面張力，在其CMC(0.2mmol/L)位置處，其表面張力約為35mN/m。AEO-9-SDBS混合溶液的炭黑顆粒物脫除能力與各混合溶液在其CMC位置處的表面張力密切相關(guān)，該混合溶液產(chǎn)生了最高的炭黑顆粒物脫除效率，高達(dá)99.81%，這也與混合溶液具有較低的β和較高的x_1有關(guān)。但是混合溶液的ΔG_m~0與該溶液相應(yīng)的炭黑顆粒物脫除效率的數(shù)學(xué)相關(guān)性不甚理想，其R~2僅為0.889。 當(dāng)AEO-9-CTAB復(fù)配溶液中AEO-9：CTAB=1:1時(shí)出現(xiàn)了該系列復(fù)配溶液中最低的表面張力，在其CMC (1.00mmol/L)位置處，其表面張力為38.48mN/m。隨著CTAB在混合溶液中濃度的升高其炭黑顆粒物的脫除效率不斷下降。與此同時(shí)，AEO-9-CTAB混合溶液的Δ G_m~0與該溶液相應(yīng)的炭黑顆粒物脫除效率具有相對(duì)較好的數(shù)學(xué)相關(guān)性，其R~2為0.947。 當(dāng)AEO-9與TX-10溶液相混合時(shí)且其摩爾比為1:2時(shí)，該系列混合溶液具有最大的β和最小的x_1，當(dāng)該溶液的濃度為0.18mmol/L(該混合溶液的CMC)時(shí)，溶液的表面張力為36.5mN/m。AEO-9-TX-10混合溶液的炭黑顆粒物脫除效率與混合溶液的表面張力密切相關(guān)，在最低的表面張力位置處獲得了約99.20%的炭黑顆粒物脫除效率。同時(shí)，該類型表面活性劑混合溶液的Δ G_m~0與該溶液相應(yīng)的炭黑顆粒物脫除效率具有非常好的數(shù)學(xué)相關(guān)性，其R~2為0.989，在實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用中可直接用于相關(guān)的計(jì)算和推理。 在SDBS-CTAB混合表面活性溶液中，雖然該混合溶液具有最小的β，但因其x_1值相對(duì)較小且CTAB在單分子層中占相當(dāng)高的比例，由于SDBS、CTAB表面活性溶液的表面張力均高于TX-10并遠(yuǎn)高于AEO-9溶液的表面張力、CTAB的發(fā)泡性能會(huì)抑制其對(duì)炭黑的去除而導(dǎo)致該系列表面活性劑溶液在所研究的四種表面活性劑溶液中的炭黑顆粒物的去除能力最低。研究的系列SDBS-CTAB混合表面活性劑溶液中，當(dāng)它們的摩爾比為1:1時(shí)在其CMC即0.6mmol/L的濃度下獲得該系列混合溶液的最低表面張力，約為38.20mN/m。但是，與AEO-9-CTAB混合溶液類似的是，該混合溶液的炭黑顆粒物的脫除能力并不理想，僅約為98.32%。然而，在研究的幾種表面活性溶液中，該混合溶液的Δ G_m~0與該溶液相應(yīng)的炭黑顆粒物脫除效率卻具有最好的數(shù)學(xué)相關(guān)性，其R~2為0.997，可在實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用中直接用于相關(guān)的計(jì)算和推理。 本文還研究了無(wú)機(jī)鹽NaCl、Na_2SO_4、Na_3PO_4對(duì)CTAB表面活性溶液性質(zhì)的影響，研究結(jié)果表明NaCl、Na_2SO_4、Na_3PO_4對(duì)CTAB溶液的表面活性有一定的影響，且表現(xiàn)出一定的規(guī)律性， CTAB溶液的表面張力與鹽溶液濃度間的關(guān)系為溶液的表面張力隨鹽溶液濃度的升高而增大、隨CTAB濃度的升高而減小，且NaCl對(duì)CTAB溶液的表面活性影響相對(duì)較大。為此，后續(xù)重點(diǎn)研究了NaCl對(duì)AEO-9、SDBS表面活性溶液性質(zhì)的影響。NaCl對(duì)AEO-9表面活性溶液性質(zhì)的影響很小，溶液的表面活性并沒(méi)有發(fā)生劇烈變化。由于SDBS為離子型表面活性劑，因此，當(dāng)溶液中加入NaCl后SDBS表面活性溶液的表面張力隨溶液中NaCl濃度的增加而不斷下降，但下降的趨勢(shì)隨溶液中NaCl濃度的不斷升高而逐漸變緩。 對(duì)AEO-9-TX-10混合表面活性溶液，NaCl對(duì)其表面活性具有較小的影響作用；而對(duì)于SDBS-CTAB、AEO-9-SDBS混合表面活性溶液，因其中存在離子型表面活性劑，故當(dāng)溶液中加入NaCl后導(dǎo)致溶液的表面張力出現(xiàn)了明顯的下降，尤其是SDBS-CTAB混合表面活性溶液，其表面張力下降的幅度要略高于AEO-9-SDBS的。 絮凝劑聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）也會(huì)對(duì)表面活性溶液的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)向AEO-9、SDBS、CTAB表面活性溶液以及AEO-9-TX-10、SDBS-CTAB復(fù)配表面活性溶液投加不同濃度的PAC及PAM時(shí)，可清楚的發(fā)現(xiàn)向溶液中投加PAC基本會(huì)由于Al3+的引入而導(dǎo)致除AEO-9和SDBS之外溶液的表面張力出現(xiàn)小幅下降，同樣，由于PAM為高分子有機(jī)絮凝劑，當(dāng)其加入到溶液中尤其是離子型表面活性溶液中會(huì)導(dǎo)致除AEO-9之外溶液的表面張力略微升高，但降幅和增幅均不大。實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)向懸浮有0.1000g炭黑顆粒物的表面活性溶液中投加200mg/L的PAC絮凝劑，可獲得高達(dá)94%的炭黑顆粒物沉降率，這樣在以濕法進(jìn)行黑煙中炭黑顆粒物的凈化時(shí)，在吸收液循環(huán)時(shí)可向循環(huán)液中投加一定量的PAC以使懸浮于溶液中的炭黑顆粒物發(fā)生絮凝和沉降；當(dāng)溶液中再含有5mmol/L的NaCl時(shí)，懸浮于溶液中的炭黑顆粒物的凈化效率更可高達(dá)95%。而當(dāng)向上述表面活性溶液、復(fù)配表面活性溶液中加入PAM時(shí)，最高僅能獲得87.6%的炭黑顆粒物的沉降率。同時(shí)，在懸浮于吸收液中的炭黑顆粒物的絮凝及沉降過(guò)程中，粒徑較大的顆粒則更容易發(fā)生絮凝和沉降，絮凝、沉降后上清液中殘留炭黑顆粒物的平均粒徑隨著炭黑顆粒物的沉降效率的上升而下降。 Fluent模擬結(jié)果表明，在傘罩型除塵器內(nèi)，沿除塵器的軸向方向炭黑顆粒物濃度不斷減少，且炭黑顆粒物在軸向兩側(cè)的分布特征為左右兩側(cè)濃度較高但并不對(duì)稱，中心區(qū)域的濃度較低。當(dāng)入口處炭黑顆粒物濃度不斷增加時(shí)，右邊壁區(qū)域炭黑顆粒物的濃度明顯高于徑向其它位置的濃度，徑向中心位置的炭黑顆粒物濃度最低。當(dāng)入口氣速發(fā)生變化時(shí)，徑向位置炭黑顆粒物的濃度開(kāi)始隨氣速的增加而減少，且顆粒物的分布沿徑向更為均勻；當(dāng)進(jìn)入除塵器的炭黑顆粒物的粒徑發(fā)生變化時(shí)，隨著炭黑顆粒物粒徑的增大顆粒物沿徑向分布的濃度則不斷下降，雖然沿徑向的濃度分布仍然呈現(xiàn)出中間低兩端高的情形，但該濃度徑向的分布變得較為均勻。而隨著除塵器入口風(fēng)速、炭黑濃度的不斷增加，除塵器內(nèi)的壓降也隨之增加。當(dāng)以除塵器的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)模擬的壓降值和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的實(shí)際值僅存在約6%的誤差，除塵器的炭黑顆粒物脫除效率與除塵器炭黑顆粒物的實(shí)驗(yàn)脫除效率誤差在10%以內(nèi)。這表明以Fluent數(shù)值模擬可以比較準(zhǔn)確的對(duì)傘罩型除塵器內(nèi)部炭黑顆粒物的部分特征進(jìn)行、脫除炭黑顆粒物的性能、傘罩型除塵器運(yùn)行時(shí)的壓降等進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：X513
【圖文】：

化硫排放量(噸) 煙塵排放量(噸)工業(yè) 生活 合計(jì) 工業(yè) 生活工2.24×1070.35×1071.09×1070.86×1072.24×1062.14×1070.33×1070.99×1070.77×1072.16×1061.99×1070.33×1070.90×1070.67×1072.31×1061.87×1070.35×1070.85×1070.60×1072.43×1061.86×1070.32×1070.83×1070.60×1072.26×106有 471 座城市對(duì) SO2、NO2和大氣可吸入顆粒物其中符合空氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市占 3.6%，符合.2%，符合空氣質(zhì)量三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的城市占 15.5%，剩[21]。然而，我國(guó)地級(jí)以上城市中符合空氣質(zhì)量一二級(jí)的占總量的 78.4%，三級(jí)的占總量的 16.5%，此同時(shí)，這些城市中 PM10濃度≥環(huán)境空氣質(zhì)量二于劣三類的為 1.2%[21]。

圖 1.2 2010 年環(huán)境空氣質(zhì)量 SO2污染城市分級(jí)及比例onal distribution of air quality grading in the Cities polluted 圖 1.3 2010 年我國(guó)重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量的分級(jí)及其比例Proportional distribution of air quality grading in key cities o

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 謝旭文;李彩亭;路培;蔡志紅;周楊鑫;;用于濕法凈化黑煙表面活性劑篩選的數(shù)學(xué)模型研究[J];環(huán)境科學(xué);2010年10期

2 周楊鑫;李彩亭;路培;蔡志紅;謝旭文;張巍;;添加劑和濕法除塵主要參數(shù)對(duì)炭黑去除效率的影響[J];環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào);2010年12期

3 李彩亭;蔡志紅;路培;謝旭文;周揚(yáng)鑫;張巍;高宏亮;;傘罩除塵器內(nèi)黑煙顆粒濃度分布特性的數(shù)值分析[J];湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年02期

4 王麗平,李彩亭,曾光明,邢泳;中小型燃煤陶瓷窯爐煙氣治理技術(shù)[J];江蘇環(huán)境科技;2003年01期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 路培;活性炭纖維負(fù)載稀土氧化物催化凈化NO的研究[D];湖南大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2714481