近年来，伴随着快速的城市化和工业化进程，中国大部分地区雾霾天气频发，大气颗粒物污染与日益增多的心血管、肺癌和呼吸道疾病甚至死亡的关系显著[1]。燃煤电厂排放的细颗粒物是环境空气中细颗粒物的主要来源之一。随着中国对煤电节能减排升级与改造行动计划的不断推进，燃煤电厂颗粒物排放标准已降低至10 mg/m3以下，但王润芳等研究表明[2]，粒径2.5 μm以下的颗粒物仍难以被现有设备有效去除，其数量浓度不容忽视。针对现有除尘设备对细颗粒脱除效率低的问题，解决的思路之一是采用颗粒预处理技术与常规除尘设备结合，即通过预处理手段使细颗粒物长大到较大的尺寸，然后再进入除尘设备进行脱除。目前研发的颗粒预处理技术主要有声团聚，电凝并，化学团聚和水汽相变等[3-7]。
水汽相变技术[8]是指在过饱和环境氛围下，水汽在细颗粒表面发生异质凝结，从而使细颗粒发生长大。谭厚章等[9]将湿式相变凝聚除尘与湿式静电除尘两者结合，强化了微细颗粒之间的团聚与长大，增强了系统对0.1～2.0 μm微细颗粒的超低脱除能力，系统出口颗粒物排放质量浓度小于2 mg/m3。鲍静静等[10]研究通过在脱硫前或脱硫塔上方添加适量水蒸气，构建过饱和水汽环境，促进细颗粒与水汽异质凝结并长大。王述浩等[11]在湿法脱硫后增设相变凝聚器，现场测试和模拟结果表明，相变凝聚器出口1 μm以上颗粒明显增加，缓解了后续电除尘在0.1～1.0 μm的穿透窗口问题。以上工程示范结果显示，水汽相变技术与现有设备耦合可帮助捕集和脱除烟气中的PM2.5，而且过程简单、易于实现，是一项极具应用前景的颗粒预处理技术。
在水汽相变技术中，水汽过饱和度是影响颗粒长大效果的一个重要因素，只有在一定过饱和度下水汽异相凝结过程才会发生[12]。研究结果显示[13]，要使亚微米的颗粒长大到常规除尘设备易于脱除的颗粒尺寸，必须要有较高的过饱和度。但不论是何种方式构建水汽过饱和环境，高的过饱和度也预示着高的能耗。因此，要使该技术能真正实现应用，必须解决低过饱和度下细颗粒有效长大的问题。
根据经典异质核化理论[14]，提高颗粒的润湿性可以降低其异质核化所需的临界过饱和度，从而改善细颗粒凝结长大效果，为此不少学者进行了探讨[15-16]，但现有的研究都是通过采用润湿剂的方式来改变颗粒的润湿性，这也会带来成本增加和含有润湿剂污水的二次污染等问题。
注意到水磁化亦能使水表明张力降低，改善水对颗粒的润湿性[17-19]，而且处理过程简单，当磁化器为永磁体时，还不会产生额外的能量消耗和物耗，是一种清洁绿色的工艺。为此笔者提出了采用磁化水来增强细颗粒水汽相变凝结长大的方法，以改善细颗粒物在低过饱和度下的长大效果。笔者以润湿性差的炭质颗粒为对象，实验研究了磁化水和普通水条件下细颗粒凝结长大特性的差异，并计算了临界饱和度和过渡阶段的长大速率，理论分析了磁化水对细颗粒凝结长大的影响。
1 实验系统和方法
1.1 表面张力和接触角测量
表面张力通过全自动界面张力仪(BCZ-800)进行测定，测量原理为圆环法，通过测量将浸入液面的水平圆环拉离液面过程中所施的最大力来推算液体表面张力，测定范围2～100 mN/m，精确度0.1 mN/m，实验进行3次并取平均值。炭质颗粒与磁化水的接触角是通过先将颗粒压片，然后使用悬滴法通过接触角测角仪(JC-2000D)测量，测量范围0°～180°，分析方法为五点拟合法，精确度0.1°。接触角测量之前，先使用千斤顶压片机将干燥好的炭质颗粒压成直径15 mm，厚度3 mm左右的圆片状固体，样品表面平整密实，样品压制3个，样品点通常取10个以上进行平均。由于大量收集柴油燃烧生成的炭质颗粒进行压片制样的困难，为此采用性质相近的炭粉替代测量。研究表明，磁化水具有一定的记忆性[20]，经实验测量，2 h内磁化水的表面张力变化在5%以内，因此可以认为测量数据在实验时间内具有有效性。
1.2 颗粒长大实验
实验系统如图1所示，主要包括颗粒发生系统、颗粒长大系统和颗粒测量系统三部分。该系统与文献[21]采用的系统类似，不同之处在于细颗粒的发生方式以及在本系统中存在磁化器。其中，颗粒发生系统由燃烧室中的柴油燃烧产生炭质颗粒，炭质颗粒通过纤维玻璃材料制成的钟型烟气罩经冷却后进入生长管，控制气流流量3 L/min。颗粒长大系统包括低温恒温槽、生长管、热水恒温槽及磁化器。烟气在进入生长管之前经过低温恒温槽被冷却至露点温度，保证其达到饱和状态。实验用水为自来水，通过热水恒温槽加热后流经磁化器循环磁化30 min，然后切向进入生长管，沿生长管内壁由上往下流动，蒸发形成的水汽与由下而上的饱和烟气形成过饱和环境。磁化器由一对放置在固定器上的永磁铁构成，用特斯拉计(HT-20)测量其磁场强度为800 mT。在进行普通水实验时，先将磁化器撤去。颗粒测量系统由光学测量单元和激光粒度分析仪(DP-02)组成。
图1 实验系统
Fig.1 Experimental facility
在本实验中，生长管的过饱和度可通过改变热水温度来调节。为探究磁化水对细颗粒长大的影响与过饱和度的关系，设置了3个热水温度进行实验，即Tw=303，313和323 K。利用变物性参数二维传热传质模型[22]对生长管中过饱和度分布情况进行了计算，3个热水温度下生长管中平均过饱和度分别为1.08，1.19和1.34。
2 实验结果及分析
2.1 磁化水对细颗粒润湿性的影响
相关研究认为[23]，液态水中不仅存在自由水分子，还存在由许多极化水分子通过不同数目内部氢键组成的团簇结构，因此液态水中始终存在瞬间的氢键结合与断裂。在外加磁场作用时,团簇结构内部的氢键断裂或重组，产生单个水分子，从而引起了水的性质改变，例如表面张力降低，导致磁化水与固体颗粒间的接触角变小，改善颗粒的润湿性。
实验测量了普通水和磁化水的表面张力及对炭质颗粒的接触角，结果如图2所示，经过30 min循环磁化，水的表面张力由原始的72.9 mN/m降低至68.4 mN/m，与炭质颗粒的接触角降低了3°。这表明在实验条件下，磁化水改善了炭质颗粒的润湿性。
图2 普通水和磁化水表面张力及接触角
Fig.2 Surface tension and contact angle of tap water and
magnetized water
2.2 细颗粒在磁化水作用下的长大特性
图3为使用激光粒度分析仪测量所得的柴油燃烧产生的细颗粒原始粒径分布，可以看出原始颗粒粒径分布相对集中，粒径在2 μm以内的粒径分布占91.76%，原始颗粒的几何平均粒径为1.42 μm。
图3 颗粒初始粒径分布
Fig.3 Particle size distribution of original particles
图4给出了在不同过饱和度的磁化水和普通水下细颗粒长大前后的粒径分布。可以发现，在低过饱和度(S=1.08)下(图4(a))，经过磁化水作用后的细颗粒长大后粒径分布在1～6 μm出现第1个波峰，在6～13 μm出现第2个波峰，与普通水相比，长大效果更明显;当S增加到1.19时(图4(b))，2种水下细颗粒长大后的粒径分布都只有1个波峰且移至较大的粒径，但磁化水下长大后的细颗粒在1～10 μm的峰宽明显增加;随着S的进一步增加到1.34(图4(c))，普通水和磁化水条件下，<1 μm的颗粒都几乎完全消失，这表明大多数小颗粒可以被激活并生长。另外，在由磁化水构成的过饱和环境中，细颗粒长大后的波峰在较大粒径7.64 μm处。
图4 细颗粒长大后粒径分布
Fig.4 Particle size distribution of grown particles
综上，当使用磁化水后，粒径较小颗粒的峰向较大粒径处移动，大颗粒所占百分比变大，这意味着颗粒在由磁化水形成的过饱和环境中长大效果更好。计算长大后颗粒的几何平均粒径，结果如图5所示。从图5可以看到，相比于普通水，磁化水条件下长大的细颗粒几何平均粒径有明显的增加，可达到3 μm以上。当生长管中平均过饱和度分别为1.08，1.19和1.34时，磁化水条件下细颗粒的几何平均长大粒径比普通水条件下分别提高了43.85%，29.40%和13.20%。因此相比于普通水，磁化水对细颗粒长大的促进作用更明显。这主要是因为水在磁场作用下，水分子间的氢键会被削弱甚至发生断裂，从而增加单个水分子的数量[23]。这不仅会导致水的表面张力降低，更容易与颗粒表面接触，从而改善颗粒的润湿性;还会使水的蒸发量增加[24]，提高水蒸气与颗粒接触的概率。从上段所示的数据可以看出，磁化水和对颗粒生长的影响随过饱和度的增加而减弱。
图5 不同过饱和度下的颗粒平均长大粒径
Fig.5 Mean size of grown particles at different supersaturation
2.3 磁化水作用下的临界饱和度
根据经典异质核化理论[14]，颗粒在过饱和环境中的长大一般分为成核、异相长大和均相长大3个过程。在过饱和环境中，水汽首先在光滑不可溶颗粒表面生成晶胚，即成核，也叫异质核化;然后颗粒表面的晶胚持续长大并形成包裹颗粒的液膜，即异相长大;最后颗粒表面液膜进一步长大，使颗粒粒径继续增大，即均相长大。只有当水汽饱和度达到临界饱和度时,细颗粒才会被激活成核化中心，然后水汽以不连续的方式在颗粒上大量形成，出现明显的核化凝结现象，如图6所示。此时，成核速率J=1 个/s时的蒸汽饱和度被称为临界饱和度Scr，计算公式[14]为
(1)
式中，VL为单个水分子的体积，2.99×10-29 m3;σ为液体表面张力;kB为玻尔兹曼常数,1.38×10-23 J/K;T为气体温度，K;Rp为颗粒半径;Kc为动力常数;f(m,x)为几何参数，m=cos θ,θ为液滴与颗粒之间的接触角。
图6 水汽在固体颗粒表面异质核化示意
Fig.6 Heterogeneous nucleation of water vapor on
the surface of solid particle
由式(1)可知，由于水磁化后表面张力降低，液滴与颗粒间的接触角减小，所对应的临界饱和度必定降低。XU等[21]研究表明，粒径越小的颗粒水汽凝结长大所需的临界饱和度越高，因此，降低临界饱和度有助于促进小粒径颗粒在过饱和环境下长大。
结合实验测得的普通水和磁化水的表面张力和接触角数据以及相关参数，其中气体温度T和过饱和度S均取生长管中平均值,分别为305.55 K和1.34，动力常数Kc取1030/(m2·s)，据式(1)计算得到了热水温度为323 K时2种水作用下细颗粒发生异质凝结的临界过饱和度，结果如图7所示。可以看出，与普通水相比，磁化水条件下，相同粒径的细颗粒发生异质凝结所需的临界饱和度明显较低，例如颗粒粒径为1.42 μm时，相对于普通水，磁化水条件下，细颗粒的临界饱和度降低了8.01%。这意味着磁化水有利于促进粒径较小的颗粒发生异质凝结，从而改善细颗粒凝结长大的效果。
图7 普通水和磁化水条件下的临界饱和度
Fig.7 Profile of critical saturation in tap water and
magnetized water
2.4 磁化水作用下过渡阶段的长大速率
在异相长大过程中，即颗粒长大的过渡阶段，颗粒与水汽凝结长大的速率也反映了颗粒在过饱和水汽环境中长大的难易程度，长大速率越高，说明颗粒在水汽环境中能更快长大，也更容易在后期的均相长大过程中形成较大颗粒[25]。在过渡阶段中，水汽条件下颗粒凝结的长大速率方程[25]为
(2)
其中，ψ为液滴中心角的一半，如图6所示;Ke为液滴的开尔文数;Csat为液滴在饱和状态下的凝结系数。当平均过饱和度为1.34时，据式(2)计算得到普通水和磁化水条件下液滴在过渡阶段的长大速率，如图8所示。由图8可知，磁化水条件下细颗粒的长大速率总是大于普通水。并且，随着颗粒粒径增加，长大速率差异有变宽趋势，即磁化水作用下的大颗粒凝结长大效果更好，这与图4(c)中颗粒的长大结果相一致。
图8 普通水和磁化水条件下液滴长大速率
Fig.8 Profile of particle growth rate in tap water and
magnetized water
进一步分析，分别计算了2种条件下1.42 μm粒径细颗粒在过渡阶段的长大速率，如图9所示。可以看到，生长管中平均过饱和度分别为1.08，1.19和1.34时，磁化水条件下细颗粒的长大速率比普通水条件下的数值分别提高32.24%，19.29%和17.71%。这说明在生长管中过饱和水平较低时，相比于普通水，磁化水可明显提高过渡阶段细颗粒的长大速率;而过饱和度水平较高时，磁化水对长大速率的促进能力减弱。此结果与图5表示的结论相一致。
图9 不同过饱和度下液滴长大速率
Fig.9 Profile of particle growth rate at different
supersaturation
3 结 论
(1)与普通水相比，磁化水表面张力降低，与细颗粒接触角减小，对细颗粒润湿性有改善效果。
(2)磁化水有助于促进细颗粒的水汽凝结长大，特别是在低饱和度环境下。当生长管中平均过饱和度分别为1.08，1.19和1.34时，磁化水条件下细颗粒的几何平均长大粒径比普通水条件下分别提高了43.85%，29.40%和13.20%。
(3)磁化水环境下颗粒核化所需的临界过饱和度明显降低，过渡阶段长大速率增加，表明在低过饱和度环境中，磁化水能促进粒径较小颗粒更快长大，理论验证了磁化水对细颗粒水汽凝结长大的促进作用。
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