0 引言

焊接烟尘是一种危害较大的工业废气，含有微细颗粒和有害气体(包括一氧化碳、臭氧、氧化氮、氟化物及氯化物等)，不仅会对人体健康造成巨大伤害，而且还会对环境造成严重的污染^[1-4]。从20世纪开始，人们就已着力于研究焊接烟尘的各种净化方法和技术。现今，我国的部分企业，特别是大中型企业，已使用一些除尘设备，如布袋除尘器、重力沉降室和电除尘^[5-6]等。

国外对烟尘污染研究开始较早，处理技术相对先进、成熟，目前常用的烟尘净化方法包括惯性分离法、静电沉积法、液体洗涤法、织物过滤法、蜂窝沉积法、光解油烟净化法、等离子体净化、复合法等，主要的除尘设备有惯性除尘器^[7]、离心除尘器^[8]、水膜式除尘器^[9-10]、文丘里管除尘器、颗粒层除尘器^[11-12]等。

总体而言，现有的焊接烟尘净化处理技术对大颗粒烟尘都具有较好的除尘效率，一般能达到95%以上，而对小颗粒烟尘和有害气体去除效果却很差。为了解决现有除小颗粒烟尘技术存在的不足，本文在动态膜净化特征的研究基础上，针对性地提出了可净化小颗粒烟尘和有害气体的动态膜烟尘净化技术，利用动态膜产生、成长、破碎的整个生命周期对其进行吸附净化。实验研究了进气方式(上进气、下进气)，入口风速，细化网数量等参数对烟尘净化效果的影响，在相同工况下测定了烟尘颗粒和CO去除率的实验误差。

1 动态膜捕捉机理及传质方程 1.1 动态膜捕捉原理

动态膜的形状是不规则的，它受时间、气流、动态膜数量等因素影响，为了研究方便，将动态膜和烟尘颗粒的形状均视为球体。

动态膜对烟尘颗粒的捕捉分为两部分，第1部分是动态膜内壁对烟尘颗粒的捕捉，如图 1所示，动态膜在形成时将烟尘包裹在其内部，在布朗运动的作用下烟尘颗粒不断与动态膜内壁发生碰撞，并被内壁黏附捕捉，从形成到破裂，动态膜内壁都在不断对烟尘进行捕捉。第2部分是动态膜外壁对烟尘颗粒的捕捉，如图 2所示，外壁主要捕捉动态膜破裂后释放出的烟尘。烟尘在动态膜外运动时在动态膜的周围形成一束空气流线，烟尘颗粒的运动轨迹与该流线重合。为了便于研究，外壁捕捉烟尘时将动态膜视为固定的，气体则向动态膜相反方向运动。

1.2 动态膜传质方程

1) 传质机理

组分在无载体动态膜内的传质基本是一个溶解-扩散过程，其透过膜的速率J_i可由Fick定律表示

式中：D_i、K_i——组分i在动态膜内的扩散系数及分配系数；

C_iF、C_iP——组分在料液侧及透过液侧的浓度，C_iF-C_iP为传质推动力。

2) 偶合传质机理

组分在有载体动态膜内的传质与一般膜中的溶解-扩散传质过程不同，是一反应-扩散过程，该反应-扩散过程是可逆配合反应过程，主要有逆向偶合传质和同向偶合传质两种过程。

逆向偶合传质一般表示式为

式中：M⁺——水溶液中欲脱除的金属离子；

RH——酸性离子型载体；

H⁺——推动力离子。

同向偶合传质一般表示式为

式中：R——中性载体；

X^-——推动力离子。

2 动态膜净化实验 2.1 动态膜净化装置

动态膜烟尘净化装置主要由集尘罩、进风管、风机、起泡装置、细化网、破泡装置、干燥网、除淤泥装置等部分组成，其总体结构示意图如图 3所示。

动态膜烟尘净化装置的工作原理为：打开抽水泵开关，将制备好的膜液均匀喷洒在起泡装置上；打开风机开关(图中所示为上进风方式)，通过集尘罩将焊接烟尘吸入装置，在焊接烟尘气体的气流作用下起泡装置上的液膜^[13]向外伸展并将烟尘气体包裹在内形成动态膜；随着气流方向，动态膜向下或向上运动并受到细化网的细化作用，产生更多更小的动态膜；当接触到破泡装置时，动态膜破裂，形成包裹有烟尘的雾化小液滴，小液滴继续对空气中的烟尘进行捕捉，净化后的气体进入右室通过干燥网排放到空气中。小液滴与捕捉到的烟尘沉降到底部储液池，烟尘颗粒在重力作用下沉入储液池底部，膜液经过滤网继续供给起泡装置。

2.2 动态膜净化实验

2.2.1 实验原理

去除率是检验装置除尘性能的标准，本实验通过不同参数进行焊接烟尘过滤，在过滤过程中测试物质的入口浓度和出口浓度值，计算出烟尘去除率，根据去除率的变化来描述参数对装置过滤效果的影响。实验结果所得除尘效率计算方法如下：

式中：Z——除尘效率，%；

C₁——物质的进口质量浓度，mg/m³；

C₂——物质的出口质量浓度，mg/m³。

2.2.2 实验设计

实验的主要内容如下：

1) 进气方式为上进风，在常温下以不同入口风速和不同细化网层数来测试烟尘的净化效果。在起泡装置下方分别设置1层细化网、2层细化网、3层细化网，以风速分别为15，20，22.5，25，27.5，30，32.5，35，37.5 m/s进行焊接烟尘净化，对每种风速入口、出口的烟尘浓度和CO的浓度进行记录。

2) 进气方式为下进风，并进行1)中的实验步骤。实验中，除以上变量其他条件均相同，应及时地添加膜液，以保证动态膜的形成不受影响。每种风速测试10 min，每隔3 min进行取样测试，最后结果取其平均值。

2.3 实验检测手段

本实验主要采用风速仪对风速进行实时检测，利用综合烟气分析仪检测净化前后的烟尘颗粒和CO的浓度。

风速仪采用TD905风量风速仪，属于叶轮式风速仪并带有电脑软件可进行在线测量分析，测量范围在0.3~45 m/s。

综合烟气分析仪(KANE9206)采用6种电化学传感器可进行氧气、碳氧化物、氮氧化物、硫化物、碳氢化合物的浓度检测，检测误差都在-0.1%~0.2%之间。

3 实验数据及分析 3.1 入口为上进风的实验测定

实验内容1)所得数据处理后烟尘颗粒和CO去除率的变化规律，如图 4和图 5所示。

从图中可以看出，动态膜对CO和烟尘颗粒的去除率随着风速的增大而升高，当风速达到一定值后净化效果达到最好。设置1层细化网的情况下，在风速达到30 m/s时烟尘颗粒和CO去除率最高，分别约为85%和90%。设置2层细化网的情况下，在风速达到32.5 m/s时烟尘颗粒和CO去除率最高，都约为95%。设置3层细化网的情况下，在风速达到35 m/s时烟尘颗粒和CO去除率最高，分别约为93%和90%。即在两层细化网且风速为32.5 m/s的运行条件下，动态膜对烟尘的净化效果最好。

3.2 入口为下进风的实验测定

实验内容2)所得数据处理后烟尘颗粒和CO去除率的变化规律，如图 6和图 7所示。

从图中可以看出，动态膜对CO和烟尘颗粒的去除率随着风速的增大而升高，当风速达到一定值后净化效果达到最好。在1层细化网中风速达到30 m/s时去除率最高，CO的去除率在92%左右，烟尘颗粒的去除率在90%左右。在2层细化网中风速达到32.5 m/s时去除率最高，CO的去除率在96%左右，烟尘颗粒的去除率在98%左右。在3层细化网中风速达到35 m/s时去除率最高，烟尘颗粒的去除率与CO基本相同，都在95%左右。即在2层细化网且风速为32.5 m/s的运行条件下，动态膜对烟尘的净化效果最好。

从图 8和图 9中可以看出，入口为下进风时，动态膜对烟尘颗粒和CO的去除率始终比入口为上进风时高，且上进风进气时，烟尘颗粒和CO的去除率随着时间的增加变化幅度较大。

3.3 实验误差的测定

选用入口为下进风、风速为32.5 m/s且装两层细化网的净化装置每隔10 min做一次实验，共5次，得出动态膜对烟尘颗粒和CO的去除率，如图 10所示。从图中可以看出，每次实验结果的烟尘颗粒和CO的去除率都有所变化，都存在一定的实验误差，通过计算可得烟尘颗粒去除率在99.04%±0.3%范围内，CO去除率在98.42%±0.2%范围内。即在烟尘颗粒和CO去除率的实验误差范围内，入口为下进风、风速为32.5 m/s且装两层细化网时动态膜对烟尘的净化效果最佳。

4 结果与讨论

从实验现象和实验结果可知，经过一层细化网细化的动态膜体积较大，尤其是入口风速较低时，动态膜的体积大、形成速度慢、数量少；随着风速的增加，动态膜形成速度加快，体积减小；当风速达到30 m/s时，动态膜的数量最多；当风速超过30 m/s，随着风速的增大，动态膜的数量开始下降且迅速破裂，这是因为风速过大容易导致起泡装置的液膜破裂而不能形成动态膜，很多烟尘气体未与动态膜接触就被排出。增加至两层细化网和三层细化网后，动态膜的形成特性与前面相似。在低风速下动态膜的体积因增加了细化网而变小数量增多，但动态膜形成速度较慢，随着风速的增加动态膜的体积越来越小，数量越来越多，在两层细化网中风速达到32.5 m/s时动态膜的形成达到最佳状态，在三层细化网中风速达到35 m/s时动态膜的形成达到最佳状态。虽然细化网越多动态膜越细，但细化网本身对动态膜具有阻力，细化网为三层时阻力增大，使动态膜入口出现了反弹的现象，不利于烟尘的净化。

上进风的装置在工作到30 min后，过滤效果开始下降，这是由于一些大的烟尘颗粒在进入装置时被第一层起泡装置拦截，随着过滤时间的增加，第一层起泡装置上的烟尘颗粒越来越多，在膜液粘性的作用下，起泡装置的小孔开始被堵塞，这不但影响动态膜的形成，还会增加装置阻力，影响烟尘净化效果。入口为下进风时，大的烟尘颗粒会被最下层起泡装置拦截，而在过滤过程中起泡装置不断往下产生动态膜，加上烟尘颗粒自身重力，被拦截的烟尘颗粒很容易掉落到装置底部，而不会出现堵塞的情况。综上所述，装置为下进口进气，细化网为两层且入口风速在32.5 m/s时动态膜对烟尘颗粒及有毒气体的净化效果最好。

动态膜对焊接烟尘的净化受诸多因素的影响，除本文3个参数外还包括膜液浓度、膜液成分、温度等因素。膜液浓度在逆向偶合传质过程中直接影响动态膜对烟尘颗粒的捕捉传质效率。膜液的成分决定了动态膜净化吸附烟尘的效率，膜液中表面活性剂决定了膜液表面张力的大小以及动态膜的弹性、黏附性和湿润性，这些因素直接影响着动态膜的形成和对烟尘的捕捉。温度主要是通过对液体表面张力的改变来影响动态膜的形成，温度越高水的表面张力越小；同时，适当升高温度可以加剧烟尘颗粒在动态膜内外的布朗运动，增加烟尘颗粒与膜碰撞机会，从而增加烟尘颗粒被动态膜捕捉的几率；温度过高也会直接影响动态膜的形成从而降低净化效率，所以保持最佳温度才能最大化净化烟尘。

5 结束语

动态膜净化技术理论上隶属于多相流技术，其净化过程与机理异常复杂，本文通过加强烟尘净化的理论与实验研究，得出以下结论：

1) 提出动态膜烟尘捕捉技术，由专用膜液产生动态膜，动态膜为球形薄膜，此薄膜与烟尘相互包容混合，薄膜对于烟尘及有害气体具有极好的结合、吸附作用。

2) 有效的动态膜产生机制，通过实验装置实现被净化气体的动态促进、产生动态膜，并与被净化气体有效结合。

3) 合理控制实验变量，最大程度使动态膜对烟尘颗粒及有毒气体达到最大的净化效果。