静电旋风技术（精选7篇）
静电旋风技术 篇1
浅析静电旋风除尘器管理论文
根据静电旋风除尘器内三维速度分布的测试结果，分析电晕极的安装对静电旋风除尘器除尘效率和阻力的影响。
1静电旋风除尘器的表态除尘效率
静电旋风除尘器利用离心力和电场力的共同作用分离粒子。旋风除尘器内安装电晕极(称静电旋风除尘器)但不加电压的运行工况称为静电旋风除尘器的“静态”工况，此时的除尘效率称为静电旋风除尘器的静态除尘效率。为了研究安装电晕极对静电旋风除尘器静电除尘效率的影响，对常规旋风除尘器和静电旋风除尘器两种情况分别进行了各种入口风速下的静电除尘效率实验。常规旋风除尘器选用长筒体型，筒体直径为40mm、入口尺寸为270×110mm，排灰口直径为116mm。排气管直径为200mm，排气管插入深度460mm。在常规旋风除尘器内安装电晕极构成静电旋风除尘器，电晕极由15根直径4mm钢筋构成网状结构并固定在排气管上。实验粉尘为400h目滑石粉，发尘浓度控制在5g/m3左右。
2静电旋风除尘器的阻力
计算可得静电旋风除尘器的阻力系数ξ2=4.81，常规旋风除尘器的阻力系数ξ1=9.21，则：。即静电旋风除尘器的阻力系数比常规旋风除尘器的阻力系数降低了约47%。因此，靠电晕极的作用，较好的改善了静电旋风除尘器的`阻力特性，这与文献[1]的结论是一致的。与常规旋风除尘器相比，静电旋风除尘器是一种低阻力的粒子分离设备，这对于节能具有极为重要的实际意义。
综上所述，在常规旋风除尘器内安装电晕极，具有降低阻力和提高静态除尘效率(称为“降阻增效”)的作用，为什么电晕极会对旋风除尘器的阻力和效率有这么大的影响呢?下面将进行分析。
3电晕极降阻增效的原因分析
切向速度的大小和径向速度分布直接影响颗粒分离的效率，同时轴向速度分影响了粒子在静电旋风除尘器内有效分离区域的停留时间[1]，必然对颗粒的除尘效率产生较大的影响。
旋风除尘器流动阻力主要由三部分组成：即进口局部阻力、旋风筒内旋涡流场中的阻力、排气芯管内的流动阻力。
可见，静电旋风除尘器的阻力和除尘效率与其内部的流场分布密切相关，要分析电晕极降阻增效的原因，就需要知道静电旋风除尘器内的流场分布。
为了研究电晕极安装前后旋风除尘器内三维速度分布的变化规律，分别对旋风除尘器内不安装电晕极(称常规旋风除尘器)和旋风除尘器内安装电晕极(称静电旋风除尘器)两种情况在相同的入口流速下进行了流场测试[2]，流场测试仪器为五孔探针，流场的部分测试结果见图3、图4。图中右侧的编号为测试断面编号，在除尘器锥体部分及其他一些位置，电晕极比较密集，有的地方五孔探针无法插入，测点适当减少。某些断面在半径的二分之一到三分之一处均无法读取数据(4、5孔的压力不能调到平衡)，分析认为由于电晕极对于筒体内流场的扰动，这些位置气流较为紊乱，使4、5孔无法保持压力平衡。
4.结论
在旋风除尘器内的特定位置上安装电晕极，在不加电压的“静态”条件下，能使静电旋风除尘器的除尘效率提高约6%。原因是：电晕极对旋风除尘器内的流场分布产生了较大影响，在下行流区切向速度较常规旋风除尘器流场的切向速度稍微增大，下行流区是旋风除尘器的主要有效分离区域，除尘效率的高低主要是由下行流区的切向速度的大小决定的。因此，电晕极对下行流区的切向速度产生的影响(下行流区的切向速度增大)有利于提高除尘效率。静电旋风除尘器上、下行流交界面内移，即下行流区变宽，在下行流区，轴向速度的绝对值减小，粉尘粒子在静电旋风除尘器的有效分离区域内的停留时间增加，这对离心力分离粒子是有利的，能够提高除尘效率。
静电旋风除尘器内的阻力大大降低，静电旋风除尘器的阻力系数(ξ2=4.81)比常规旋风除尘器的阻力(ξ1=9.21)降低了约47%。主要原因是：电晕极使静电旋风除尘器内整个区域的切向速度分布曲线比常规旋风除尘器内的切向速度分布曲线变得平缓，速度的最大值与平均值都有所降低，减少了旋转动能损失，切向速度梯度减小和径向静压梯度的减小，内摩擦阻力降低，引起静电旋风除尘器阻力的降低。
参考文献
1张吉光，叶龙，计算粒子在旋风除尘器内平均停留时间的新方法，青岛建筑工程学院学报，1990，11(3)：22～27
2张吉光，李华等，静电旋风分离器流场的实验研究，流体机械，2002，(9)
3亢燕铭，沈恒根，高效旋风器降阻条件下的流场特征，西安建筑科技大学学报，1997，29(1)：18～21。
静电旋风技术 篇2
一、问题分析
PASSIM卷接机组旋风除尘器是中压通风机循环系统的一部分, 中压通风机抽吸来自烟道本体和增压网板含有粉尘及少量烟丝的气流, 进入旋风除尘器进风口, 气流中含有的烟丝滞留在多管的旋风筒端部导流环入口, 含有粉尘的气流通过导流环沿旋风筒向前运动形成外旋流, 悬浮于外旋流的粉尘在离心力的作用下滞留在除尘器旋风筒和锥形筒之间的沉积室, 净化后的清洁气流通过锥形筒由出风口进入中压通风机形成正压压出, 送入扩散器进行工作;卷烟机主负压与除尘口相连抽走沉积室内的粉尘。旋风除尘器堵塞后会使中压通风机系统中的负压段中的烟道本体和增压网板负压减小, 造成烟丝吸附力减小, 使烟丝传递不稳, 烟丝堵塞, 同时也会造成正压段压力减小, 使扩散器气流减弱, 不利于集流管吸附烟丝, 从而使供丝不均匀, 影响机组运行及卷烟质量。在结构上, PASSIM卷接机组旋风除尘器主要存在以下问题。
1. 粉尘在旋风除尘器沉积室内堵塞。
如图1所示, 旋风除尘器的结构分为三部分:一是进风口的罩壳和旋风筒为一体的组件, 二是出风口和锥形管是一体的组件, 三是安装在旋风筒内的导流环。在旋风除尘器的内部, 是由23组旋风筒、导流环、锥形筒组成多管式微型除尘器的组合。工作时, 粉尘滞留在沉积室内, 也就是多管微型除尘器之间的空间位置, 虽然旋风除尘器的除尘口和卷接机组的主负压相连, 但主负压仅能够清理除尘口附近的粉尘, 根据气力输送的条件, 在没有气流作用下粉尘是不能被输送的, 因此沉积室内远离除尘口的粉尘并不能被主负压吸走。
2. 旋风除尘器保养清洁困难。
由于粉尘易堵塞在旋风除尘器的沉积室, 需要每周清洁一次, 才能保证设备正常运行, 旋风除尘器的清洁包括对导流环入口的烟丝以及沉积室内的粉尘进行清洁, 但是旋风除尘器在设计上存在问题, 清洁时要把整个旋风除尘器从系统中拆下, 先清理导流环入口端的烟丝, 再拆下旋风除尘器上的8对紧固螺栓, 分解除尘器的进口、出口两部分, 然后清洁除尘器沉积室内的粉尘。同时受空间位置限制, 除尘器安装在机身内部, 操作人员很难接近进行清洁工作。不易拆卸和安装, 加大了清洁工作难度, 每次保养清洁必须由两个熟练操作工配合完成, 拆卸、保养、安装时间至少需要40min。
二、改进措施
针对旋风除尘器存在的问题, 在满足生产工艺的条件下, 工厂采取以下改进措施。
1. 针对沉积室内的粉尘加装一套自动清洁吹风装置。
可以减缓沉积室内粉尘堆积, 如图2所示, 利用机组主气源上的一路压缩空气, 经减压阀、储气罐, 在设备每次停机时, 电信号接通电磁阀, 压缩空气通过除尘口对面的清洁喷嘴吹向旋风除尘器沉积室。清洁喷嘴有两个, 与除尘口三者之间呈等分状态, 在清洁喷嘴的正压空气作用下, 清洁喷嘴和除尘口之间形成气流, 沉积室内的粉尘在气流作用下通过除尘口的主负压空气被输送出沉积室。
2. 改进旋风除尘器结构, 解决旋风除尘器清洁时需整体拆下造成清洁不便的问题。
改进后, 旋风除尘器成为相互独立的工作部件和罩壳部件, 如图3所示。改进后的旋风除尘器分为五部分:一是进风口罩壳, 二是出风口罩壳, 三是23个锥形筒组合, 四是23个旋风筒组合, 五是安装在旋风筒内的23个导流环。除尘口位置设计在进风口罩壳上, 进风口和出风口由锁紧搭扣紧固在一起。改进后的旋风除尘器, 安装保养过程简单, 不需要拆卸进风口罩壳, 除尘口和主负压之间的管道也不需拆卸, 解决了空间位置狭小、不易操作的缺陷, 工作部件由旋风筒、导流环组件和锥形筒组件组成, 清洁时只需打开出风口罩壳, 方便地取出除尘器内部的工作部件, 清理导流环入口的烟丝和沉积室内的粉尘即可。
三、使用效果
静电旋风技术 篇3
【关键词】 套路运动 旋风脚540°垂直速度 水平速度
前言
武术是中华民族的一项传统体育项目，经过几千年的发展，对武术文化和各种套路演练技法的研究己经比较详尽。随着各项武术比赛的开展，武术向着“高、难、美、新”的方向发展，新规则对难度动作的规定使得难度动作在套路比赛中的重要作用更加明显，旋风脚540°是具有代表性的一个动作。本文试图通过多媒体技术以及运动学等方面对旋风脚540°技术进行分析，为科学训练和提高运动成绩提供一定的指导意义。
1.研究对象与方法
1.1研究对象
本文选用某高校的优秀武术运动员为研究对象，其中男子5人，女子3人。
1.2研究方法
1.2.1文献资料法
通过对武术、旋风脚、跳跃等关键词搜索，查阅了大量文章，对所查阅的资料进行整理归类，总结归纳出对旋风脚540°动作进行技术分析的研究方向和理论依据。
1.2.2观察法
观看历届省、全国武术比赛碟片。从录像上截取被确认的动作，邀请4名裁判员根据运动员的动作质量和动作难度的确认对运动员的每个旋风脚540°动作分别从助跑起跳、腾空转体、落地三个阶段进行评价，评价标准参照新规则中难度动作确认标准和动作质量的扣分标准。
2.旋风脚540°动作解析
武术套路比赛就是运动员在武术动作上的展示，而难度动作主要有平衡、腿法和跳跃、跌扑动作。其中旋风脚540°编码是323B。
323B动作属于无支点人体空间的复合轴转动，在空中从矢、纵两轴结合的转动，并且要完成540度旋转才能确认动作完成。323B动作结构复杂，整个动作按动作时相划分为上步起跳、转体腾空里合腿、转体落地三个部分。目前旋风脚540°存在两种起跳方式，一种是单脚起跳，另一种是双脚起跳，使用双脚起跳的运动员比较少，整个动作需要在不到2秒钟的时间内完成，对技术水平的要求非常严格，所以对技术动作的掌握成为完成动作的关键。
2.1旋风脚540°助跑起跳阶段技术分析
助跑是完成旋风脚540°动作的准备阶段，好的起跳是成功高质量完成动作的保障。在比赛中，运动员一般安排连接难度动作，前面完成旋子转体360°，然后继续向前助跑2至4步做旋风脚540°动作。最后一步助跑左脚落地至起跳脚落地时，右脚脚尖里扣，此时身体发生扭转，助跑的速度发生变化。速度的变化情况关系着起跳质量的好坏，同时也影响着以后动作的完成。
起跳阶段手臂和摆动腿（左腿）的运动学分析
起跳阶段手臂和摆腿动作对起跳效果是非常重要的。鲍勃·麦尔斯在对跳高研究中认为，起跳效果只有20%取决于起跳腿，更有80%决定于摆动动作完成的正确与否。王森在对肢体合理配合提高腾空高度的研究中发现，双臂伸直上摆时踏跳和快速左后上摆腿能够有效提高旋风脚的腾空高度，在助跑时左膝关节快速左前旋也可以提高旋风脚腾空高度。在起跳脚着地时，摆动腿和两臂积极摆动，随着缓冲动作进行，摆动腿和两臂的加速上摆，获得一个向下的惯性力作用于地面，地面给起跳腿一个大的支反力，在起跳离地瞬间突然制动，得到一个负的加速度，惯性力向上，使人体具有一个向上的运动趋势，可获得较大的支反力，在离地瞬间呈现急速“突停”，也称为制动。
2.2旋风脚540°腾空阶段技术分析
腾空阶段是整个动作的重要环节，空中转体阶段不仅要在空中完成足够度数的旋转，还要在恰当的时刻完成击响动作，并且在空中要保持优美的造型，为最后的落地做好充分的准备。
2.2.1 击响时刻的空中姿态分析
旋风脚动作在空中的运动只受重力作用，不考虑空气阻力，合外力矩为零，因此它符合动量矩守恒定律的条件。运动员在空中旋转时，可以把人体看作一个质点，即一个纵轴，此时手与脚离躯干的距离越远，转动半径越大，转动惯量就会越大，转动的速度就会越慢。这说明在空中尤其是在击响瞬间，里合腿要尽量贴近身体，减小转动半径，转动惯量减小，从而增大转动的速度。
2.2.2击响过后至落地瞬间摆动腿膝关节速度变化分析
击响过后，运动员的重心开始进入下落阶段，从运动员左腿膝关节角度看，即使是在击响时屈膝程度较大的运动员迅速将腿伸直，积极与摆动腿并拢，此时运动员摆动腿也迅速下压，两腿并拢，减小了转动半径，增大了转动速度，较大的转动速度有利于完成剩余角度的旋转。击响后两臂也迅速抱紧靠近身体减小转动半径，配合摆动腿的下压增大转动速度。随着旋转的完成，两臂逐渐展开，增大转动半径，从而减小转动速度，在适当的时候伸展身体，使双脚落地时能够平稳。
2.3 旋风脚540°落地阶段技术分析
人体旋转着从空中落下，要想落地稳定避免受伤，其前提条件是空中动作完成的质量和落地前正确的准备姿势。落地前应尽量伸展身体，利用肢体的变化增大转动惯量，以减小转动角速度。在落地后，由于较大下落时还具有较大的垂直速度和水平速度，下肢各关节的屈伸缓冲也是保证落地稳定性的关键因素。运动员落地时的稳定性也受到起跳时水平速度的影响，如果起跳时水平速度过大，而在落地时如果依然拥有较大的水平速度，则运动员在落地后由于惯性上体仍然要向侧面运动。
3.结论与建议
3.1结论
通过上文的分析与阐述，表明腾空旋风脚 540°是一个高難度跳跃动作，是比赛中起到制胜作用的重要因素，在助跑起跳，腾空阶段以及落地三个环节中，腾空阶段是最重要的一环，空中的平衡把握非常重要，需要身体的各个部位进行协调，有较好的空中本体感觉，包括对时间，空间的认知等，起跳和落地是两个辅助阶段，起跳为腾空提供了速度和动力，是准备阶段，落地使整个动作趋于完美。
3.2建议
腾空旋风脚 540°动作与助跑起跳、腾空转体、落地密切相关，应加强对其动作要领的理论学习和基本动作的训练，掌握要领后再进行连贯的动作训练。
建议加强起跳、腾空旋转速度、旋风脚 540°合腿的速度以及落地等基本技术动作的训练和相关辅助练习，在基本动作达到比较规范和理想的基础上，再进行完整的腾空旋风脚 540°动作练习，同时通过反复训练，提高运动员的空中本体感觉和滞空时间概念，提高成功率。
运动员膝、踝关节肌群爆发力量在起跳瞬间是否达到高度的协调性发力，与技术动作的完成状况有着密切的相关关系。因此在运动员下肢肌群爆发力量的训练中要特别加强膝、踝关节肌群同侧与异侧爆发力量的协调性发展。
参考文献：
[1]周继和.对自由体操首次完成手翻连接直体前空翻转体 900°动作的分析.体育科学2000.2（5）82-87.
[2]武福全，等.运动训练科学化探索.人民体育出版社 ，1988.
[3]金宗强，等.等动测力系统对膝关节肌研究的进展.天津体育学院学报，2001（4）.
[4]张炎生，论谈竞技武术套路技术难度[J].杭州师范学院学报，1995.（2）.
[5]张云广，蔡云龙，邱丕相.武术[M].北京：人民体育出版社，1991.
[6]梅汉超，论武术运动员指定平衡稳定性训练[J].武汉体育学院学报，1996，（专辑）：60-62.
[7]全国体育学院通用教材编写组，运动生物力学[M].北京：人民体育出版社，1997：309.314.
[8]李玉刚，运动训练生物力学基础[M].武汉：湖北科学技术出版社，2003：36.39.
静电旋风技术 篇4
1 工艺原理
1.1 旋风炉附烧铬渣技术
1.1.1 解毒机理
铬渣中六价铬主要是以铬酸钙、四水铬酸钠、铬铝酸钙以及碱式铬酸铁和少量化学吸附的Cr O42-形式存在, 六价铬结合氧化物的熔点均在1 200℃以下, 在旋风炉炉内1 400~1 600℃高温环境下, 煤与铬渣混合体很快融合, 并成为均质熔体[2]。在升温和熔融过程中, 旋风炉为微正压燃烧, 煤燃烧时在一定温度下先形成CO, 化学吸附的Cr O42-很快解吸脱去活性氧成为Cr O3, 六价铬的氧化物Cr O3热稳定性很差, 在空气中高温分解并释放出氧, 生成Cr2O3。主要化学反应式:
由于旋风炉内空气过剩系数小, 温度高, Cr (Ⅵ) 还有可能被直接还原:
Cr (Ⅵ) 被直接还原为Cr (Ⅲ) , 毒性得到较为彻底的消除。
1.1.2 旋风炉的特点
旋风炉是可燃劣质煤较为新型的热工设备, 其特点如下:
(1) 旋风炉热力强度高, 比沸腾炉大10倍, 比回转窑大50倍, 炉温高, 热效率高。
(2) 应用煤种广, 褐煤、烟煤、无烟煤、贫煤均可使用, 特别适用于发热量低、灰分高的劣质煤。
(3) 由于可用较小的空气过剩系数操作, 因此可在炉内形成一定的还原区和还原动力, 且氮氧化物排放浓度低。
(4) 旋风炉采用液态排渣, 渣膜黏着力强, 排渣率极高。
(5) 液态排渣, 粉尘排放少, 劳动条件较好。
旋风炉高温还原有毒铬渣, 就是充分利用了旋风炉热强度高、还原动力足和较小的空气过剩系数操作形成的还原区将六价铬还原成三价铬的特点, 在确保发热能力的前提下, 完成铬渣处理的过程[3,4]。
1.1.3 旋风炉在铬渣治理中的优势
利用旋风炉的特点高温还原有毒铬渣具有以下优势[5]。
(1) 含有六价的有毒铬渣, 经旋风炉燃烧处理后, 铬渣中六价铬有99%以上被还原为稳定无毒的三价铬, 随烟气排出的仅占铬渣中六价铬含量的0.1~0.5% (0.143mg/Nm3) , 解毒彻底, 无二次污染, 与其他铬渣处理方法相比具有一定的优势。
(2) 利用铬渣替代石灰石、白云石, 确保旋风炉液态顺畅排渣, 节省有效资源。
(3) 解毒后的水淬渣可用来做生产水泥的辅料或用来铺路、制作建筑材料等, 为实现废渣的回收利用创造了条件。
(4) 产生的电、汽用于化工生产, 实现了经济效益与环保效益双赢。
1.2 飞灰重熔技术
1.2.1 飞灰重熔的必要性及技术原理
目前国内大多数旋风炉的实际捕渣率在60%左右, 仍有40%左右的飞灰随高温烟气离开锅炉, 进入尾部除尘器, 这部分粉煤灰仍然还有未被还原的Cr (Ⅵ) 。由于粉煤灰颗粒细, 比表面大, 具有非常大的危害, 必须送入炉内回熔, 进一步还原解毒。
飞灰重熔技术的基本原理是将烧煤粉的液态排渣锅炉 (包括旋风炉) 烟道除尘器捕集下来的大颗粒粉煤灰和电除尘器末段捕集的含有Cr (Ⅵ) 的飞灰, 采用密闭的输送系统送入锅炉炉膛内的特定高温区域, 使残余可燃物二次燃烧回收其热量, 并使Cr (Ⅵ) 得到充分还原, 实现锅炉节煤, 使铬渣得到充分解毒[6]。飞灰在炉膛中吸热熔化, 转化为高温增钙液态渣, 流出炉膛底部, 经水淬炸裂成为颗粒状的玻璃体增钙水淬渣, 铬渣得以固化, 水淬渣可全部根据需要综合利用。
铬渣中含有28.27%的Ca O成分, 飞灰中Ca O粉末在重熔过程中被二次 (或多次) 喷入炉膛, 或与烟气中的SO2反应, 形成Ca SO4类化合物进入熔渣, 或直接黏附于燃烧室墙壁熔化的渣膜表面, 生成含Ca、S的多种熔融的复盐类化合物, 并随飞灰一起形成高温液态熔渣, 水淬之后, S和Cr元素被固化在玻璃水渣之中。飞灰重熔工艺技术发挥了良好的炉内烟气脱硫和固Cr元素作用。
飞灰重熔技术体系包括飞灰密相输送、飞灰入炉速度选择、入炉点的确定、炉内膜态燃烧环境和熔渣质量的控制等多项关键技术, 同时配套多项化工安全防毒技术。以免对电厂的运行人员、检修人员以及接触铬渣和有毒粉煤灰的人员直接造成铬中毒伤害。
1.2.2 飞灰重熔技术的优势
(1) 避免铬渣随飞灰排出, 保证Cr (Ⅵ) 完全转化为Cr (Ⅲ) , 还原后的铬离子完全固化在水淬渣中。
(2) 可以100%消化锅炉除尘器中干燥的粉煤灰, 实现飞灰完全重熔, 实现液态排渣炉无粉煤灰排放运行。
(3) 可以把粉煤灰完全转化为符合国家水泥建材标准JC454-92规定的K≥1.4的优等品增钙锅炉底渣, 解毒后的炉底渣可供给水泥建材行业得到综合利用。
(4) 在完成锅炉飞灰重熔的同时提高了燃煤固硫、脱硫效率, 同时因控制空气过剩量而降低锅炉烟气中NOx的产生及排放浓度。
2 铬渣处理工艺流程
燃煤和铬渣分别送入破碎机粉碎计量, 按预定配比混匀, 再由球磨机研磨成细粉, 经筛分, 粗粉返回球磨机进一步研磨, 细粉送至料仓, 经叶轮给粉机由一次风送入旋风筒, 在二次风强力旋转扰动下燃烧;同时六价铬在还原区内还原成三价铬, 燃渣沿旋风筒筒壁下流, 未燃尽的煤渣进二次室继续燃烧还原, 熔渣流入炉底, 从排渣口排出炉外, 炉渣经水淬固化成玻璃体, 在沉渣池内沉降, 用捞渣斗捞出, 用作建筑材料或水泥掺和料。飞灰先经电除尘器收集后, 送入飞灰重熔装置, 通过管道由专门喷口送入炉内回熔, 进一步还原解毒, 回熔率接近100%, 并重新形成水淬渣。出电除尘器尾气经石灰粉半干法脱硫后, 送入袋式除尘器进行二次除尘, 经袋式除尘器除尘后尾气可达标排放。
3 铬渣掺烧工业试验
3.1 原材料及成分
旋风炉燃烧燃料为义马矿区煤, 按煤:铬渣≈9:1 的混煤设计, 混合后的煤质典型成分见表1, 燃料灰成分见表2, 铬渣典型化学成分见表3。
3.2 旋风炉燃烧状况及工艺参数控制范围
旋风锅炉炉膛负压控制范围:
在-50~+50Pa之间, 炉膛燃烧正常;
在-100~+100Pa之间, 炉膛燃烧不太稳定;
在-200~+200Pa之间, 炉膛燃烧很不稳定, 容易熄火。
旋风锅炉排烟氧含量控制范围:
排烟氧含量4%~6%时, 正常燃烧;
排烟氧含量6%~8%时, 过氧燃烧;当锅炉负荷低时, 需要稍微过氧来加速燃烧。铬渣解毒需要还原气氛, 过氧燃烧解毒效果不好。
锅炉负荷为产气量, 正常负荷为260T/h, 当负荷低于190T/h时, 燃烧就会不太稳定, 解毒效果就差, 此时不易掺烧铬渣。
4 掺烧试验结果
4.1 掺烧比例及解毒效果
铬渣掺烧试验比例控制在8%~15%时, 不同掺烧比例的铬渣解毒最终产物 (水淬渣及冲渣水) 中总铬和六价铬含量分析结果统计分别见表4。
即水淬渣浸出液:总铬在0.012~0.45mg/L, 六价铬在0.002 8~0.077mg/L;
冲渣池中水:总铬在0.012~0.665mg/L, 六价铬在0.000 5~0.051mg/L。
上述结果均远低于国家危险废物鉴别标准GB5085.3中要求的总铬≤15mg/L, 六价铬≤5mg/L, 也远低于铬渣污染治理环境保护技术规范 (环保行业标准HJ/T299-2007) 中铬渣解毒产物作为水泥熟料的标准 (总铬≤1.5mg/L, 六价铬≤0.5mg/L) 。
此外, 袋式除尘后的脱硫灰中总铬含量≤0.545mg/L, 六价铬含量≤0.133mg/L, 也远低于国家危险废物鉴别标准GB5085.3 中要求的总铬≤15mg/L, 六价铬≤5mg/L的标准。
4.2 适宜铬渣解毒的工艺参数
试验结果表明适宜铬渣解毒的工艺参数为:炉膛负压控制范围为-50~+50Pa;旋风炉排烟氧含量控制范围为4%~6%。在此燃烧状况下, 铬渣掺烧比例可达10%~15%。见表5。
5 结论
(1) 采用旋风炉高温附烧-玻璃体固封技术并配套飞灰重熔装置可对铬渣实现无害化处理, 该工艺技术处理铬渣解毒彻底、安全稳定, 为解毒后铬渣的资源化利用创造了条件。
(2) 旋风炉掺烧铬渣时炉膛燃烧的负压控制范围为-50~+50Pa;旋风炉排烟氧含量控制范围为4%~6%。在此燃烧状况下, 铬渣掺烧比例在10%~15%时, 水淬渣浸出液总铬含量小于0.45mg/L, 六价铬含量小于0.077mg/L;冲渣池水中总铬含量小于0.665mg/L, 六价铬含量小于0.051mg/L, 远低于国家铬渣污染治理环境保护技术规范中规定的含量。
(3) 旋风炉掺烧铬渣除具有将六价铬解毒为三价铬, 并将其固化于水淬渣中的作用外, 还起到对锅炉炉渣助熔、节煤和脱硫固硫的作用。
(4) 飞灰重熔技术提高了铬渣解毒的效率, 改善了铬渣处理效果, 既节省了能源又避免了因飞灰带来的二次污染, 使铬渣解毒更彻底、安全。
随着电收尘器运行时间的延长, 在下一步铬渣工业掺烧运行过程中, 要加大脱硫灰总铬及六价铬的监测频次, 以监控前级电收尘器的收尘效果。若发现有总格、六价铬升高现象, 应及时查找原因, 解决问题, 确保电收尘器长期稳定运行, 以保证含铬粉尘的收集与重熔。
摘要：针对铬渣中Cr (Ⅵ) 毒性大、对环境危害严重等特点, 采用旋风炉附烧铬渣-玻璃体固封技术并配套飞灰重熔装置, 对铬渣进行大规模无害化处理。该方案处理铬渣解毒彻底、安全稳定, 为解毒后铬渣的资源化利用创造了条件。试验结果表明, 在旋风炉掺烧铬渣时炉膛燃烧的负压控制范围-50+50Pa、旋风炉排烟氧含量控制范围4%6%的燃烧状况下, 为提高处置铬渣的效率, 铬渣掺烧比例应控制在10%15%之间, 经监测, 水淬渣浸出液总铬、六价铬等指标符合《国家铬渣污染治理环境保护技术规范》中的规定。
关键词：旋风炉,铬渣,飞灰,重熔
参考文献
[1]纪柱.中国铬盐近五十年发展概况[J].无机盐工业, 2010, 42 (12) .
[2]王汝岗.5000t/d窑处置铬渣生产水泥熟料的工业实践[J].水泥工程, 2008 (6) .
[3]许丹, 李何.铬渣烧结炼铁技术综述[J].环境保护与循环经济, 2008 (8) .
[4]还博文.旋风炉附烧铬渣的炉内过程[J].动力工程, 1995, 15 (2) .
[5]祝肇明.利用立式旋风炉附烧处理铬渣工业化试验[J].无机盐工业, 1999, 31 (2) .
静电水处理技术的应用研究进展 篇5
静电水处理技术是当前水处理技术中较为先进的一种技术,经过多年的应用研究,在技术层次以及应用水平上取得了长足的进步和发展,已经取得了阶段性成果。多年的实践经验表明,静电水处理技术具有低能耗、无污染且高效率的优势,尤其是在高压静电场水处理技术方面特点更加明显,使得此类技术在未来的发展中具有广阔的应用空间和发展前景。
1静电水处理技术的主要优势
高压静电水处理技术主要原理在于将需要处理的水经过其水处理器腔体中的高压静电场,促使水分子极化,而不是电解的方式,在这种处理方法下不会造成不良的环境污染问题。从使用情况上来看,高压静电水处理技术在日常运用过程中费用成本更低,产生的主要费用来自于高压直流电源的电力费用上。 通常情况下,每台水处理量在100t/h的高压静电水处理器的耗电量在15瓦左右,相对于其他技术来说更具节能效果。并且高压静电水处理技术在处理工艺上更加环保,对于环境几乎不会造成额外的负面影响。另一方面,高压静电水处理技术还能够有效地遏制新的管道系统结垢,并促使老管道系统中的陈垢逐渐疏松脱落。而从水的实际处理效果上来看,高压静电水处理技术也更具优势,相关的调查显示高压静电水处理技术的阻垢率高达95 % ,杀菌率也能够达到92 % ,灭藻率更是高达98 % ,在这种处理技术的作用下水将会得到更好地处理[1,2,3]。并且高压静电水处理器自身体积较小,因此不会过多占用场地,能够更好地适合各类工作场所的需要。高压静电水处理器一般不需要专人管理,这在很大程度上节省了人力和物力的支出,便于人们的管理与应用。而鉴于高压静电水处理器的自身特点影响,使得其使用周期更长, 通常情况下使用寿命能够达到20年以上。
2静电水处理技术的应用现状研究
自从20世纪60年代末美国成功研制出第一台静电水垢控制器之后,在短短的数年时间中,这种静电水垢控制器就得到了诸多大型企业的应用,并且取得了很好的应用效果。直到70年代末,此类技术又在日本得到了进一步的发展,日本明电舍公司成功地研制出了一种被称为锅炉水垢处理器的装置,使得此项技术得到了大规模的应用。静电水处理技术在我国的发展则是起步于70年代中期,由当时的南京大学、 南京市浦口运输公司和华东化工学院多方联合研制成功并进行了试验,取得了一定突破。研制出的静电水垢控制器不仅能够有效地防止水垢生成,还能够在很大程度上起到溶垢和杀菌灭藻的作用,在此后的数年中此类设备装置在我国企业中得到了广泛的应用和推广。在英国,科学家在1967年利用25KV/cm的电场对营养细菌及酵母菌进行了系统的研究,结果发现电场对于这类菌种具有很好的致死效应,随后诸多学者进行的研究也表明了脉冲电场能够有效杀死水中生活的变形虫。我国的学者们也在各自的实验研究中得出了结论,不同硬度的水质在经过静电处理后能够起到很好的阻垢效果,而电厂防垢机理在很大程度上在于静电斥力作用及晶体畸变作用,高压静电场能够先刺激细菌生长,但是随后却又能够加剧其死亡的速度,具有杀菌的作用,并且这种杀菌效率将会伴随处理时间的延长而得到相应的提升,这些研究成果都为静电水处理技术的应用提供了一定借鉴。
3高压静电水处理技术的应用研究进展
3.1深入高压静电场水处理机理的研究
无论从当前的应用情况上看,还是从技术发展的角度上来说,静电水处理技术都是当前水处理研究领域中的核心内容。但是从现在的角度上来说,这种技术的开发仍然不够全面,理论内容也有待进一步完善。静电水处理的阻垢作用及杀菌灭藻原理尚有待探清。就高压静电场的除垢溶垢以及杀菌灭藻原理来说,当前的学术界仍然没有得到一个统一的论断, 乃至诸多学者的实验结论都存在一定差异,这使得我们很难统一关于高压电场除垢溶垢、杀菌灭藻机理的说明,进而不利于我们对静电水处理技术未来的研究与应用。对于社会的进步和发展来讲,水处理技术的高低在很大程度上影响着社会的发展好坏,因此我们在未来的发展中还应当着重对静电水处理技术予以进一步分析,使其能够更好地应用于水处理工作中, 发挥出应有的价值和影响。在这样的条件下,我们还需要在未来的发展中关注高压静电场水处理原理的研究,不断予以完善和丰富,强化对高压静电水处理技术防垢除垢以及杀菌灭藻机理的分析与探索,为高压静电水处理技术的更好应用提供良好的理论支撑与技术支持[4,5]。
3.2加强高压静电场对金属腐蚀性的研究
与此同时,我们在未来的发展中还应当将研究重点投放于高压静电场对金属的腐蚀性研究上。传统的化学法水处理技术能够借助于添加各类缓蚀剂,促使水中碳钢的腐蚀速度能够按照小于等于0.125mm/a的进行,铜、铜合金以及不锈钢的腐蚀速度则按照小于等于0.005mm/a的速度进行。然而对于高压静电水处理技术而言,其对冷却水中金属的腐蚀是否存在显著的抑制作用,长期以来始终没有得到统一的结论,诸多学者和专家对于此类问题大多抱有不同观点和态度。为了能够在未来的发展中扩大高压静电水处理技术的应用范围和广度,我们就应当深入高压静电场对金属的腐蚀性进行研究,根据最终研究出的结论来做好相应的防治措施,促使静电水处理技术能够在未来的发展中得到更好地应用。
3.3高压静电水处理技术与其他处理技术之间的结合应用
最后,我们还应当在未来的发展中研究高压静电水处理技术是否能够同其他水处理技术进行结合使用,发挥出更好的水处理效果。这是由于高压静电水处理技术不能够产生持续的杀菌效果,并且在处理游泳池循环水的过程中还需要借助于紫外线等其他相关技术来进行消毒。而且静电水处理技术在降低水中COD以及BOD等相关元素的含量上也不能够发挥相应效果。为了能够提升水处理的效率,使静电水处理技术的作用和影响得到最大程度上的发挥,我们就要适当分析高压静电水处理技术与其他处理技术之间联合应用的可能性,使各种技术的自身优势和特点能够在水处理的环节上发挥,提升水处理的质量和效果[6,7]。
4结语
鉴于静电水处理技术能够有效地提升污水处理量,提高污水处理的质量和效率,并且具有低成本、低费用的优点,使其在未来的水处理工艺上必将具有巨大的发展前景。另外,通过对静电水处理技术的应用还能够在很大程度上改善环境质量,促进我国环境质量的提升。但是限于种种客观因素的限制,使得当前静电水处理技术的研究仍然处在初级阶段,无论是机理上还是在实践应用上都有待完善和深入探究。从近年来的发展趋势上看,国内外就静电水处理技术的报道与研究仍然不够普遍,在研究方法上也存在很大的局限性,经验不足且方法上的受限使得静电水处理技术在未来的发展与应用仍然有很长的一段路要走。但是伴随着高压静电场水处理机理研究的不断深入,以及静电水处理技术同其他处理技术之间的联合应用必将为水处理工艺的突破提供重要的推动力, 而静电水处理技术也必将在这些要素的带动下得到更好地应用与发展,在水处理工作上发挥出更大的价值与影响。
摘要：文章论述了静电水处理技术的主要优势:成本低,处理效果较好。介绍了静电水处理技术的发展现状,在灭菌、除垢方面的机理。探讨了高压静电水处理技术的应用研究进展及主要研究方向,包括深入高压静电场水处理机理的研究、对金属腐蚀性的研究及与其他处理技术之间的联合应用研究等,为水处理技术的发展提供一定的借鉴。
静电旋风技术 篇6
本工程是三四二厂“十一五”安全技术改建项目913号建筑物, 建筑面积5 654 m2, 占地5 916 m2, 主体结构为排架结构及框架结构, 基础形式:柱下独立基础, 钢筋混凝土条基及砌体墙下素混凝土条基, 地面功能设计要求为导静电、不发火、耐磨、耐油、耐腐蚀。
2地面相关技术指标
1) 电性能:表面电阻和接地电阻可以为1×104Ω~1×106Ω;2) 地坪厚度约为2.0 mm~3.0 mm;3) 不发火性能:按标准测试摩擦无火花发生;4) 相容性:能与各种火炸药实现相容, 没有不良反应。
3现场条件要求
1) 基面混凝土面压光且表面平整、光洁、无油污、无开裂、无积水、无粉化, 高低落差用2 m标尺检查缝隙不能超过5 mm, 标高要略微低于设计标高3 mm, 混凝土强度要求达到C30, 基面含水率小于5%;2) 接地条件:周围沿墙脚红线高度布好接零线, 且均匀间隔 (约6 m) 焊接螺钉以便与接地网络连接, 单独房间应至少焊接两个螺钉;3) 涂装施工时的环境温度应大于10℃。
4材料选用
1) 基料:选用不发火环氧复合树脂;2) 填料:选用混合不发火导静电填料、干净石英砂;3) 稀释溶剂:专用稀释剂;4) 面料:选用彩色复合不发火导静电、耐磨、耐腐蚀涂料 (SYJ-HG) ;5) 导电接地材料:紫铜皮、铜箔胶带等。
5工程施工方法
1) 混凝土基层修补处理 (一道) 。
a.表面清理:先以人工和工具清除表面疙瘩、积块, 局部不光采用砂轮机磨平、磨光;b.裂缝处理:裂缝用切割机切成深度大于10 mm的V形槽, 然后用环氧树脂石英砂浆刮平, 对预留伸缩缝, 清理掉预设嵌缝材料, 然后按上述方法进一步处理;c.基层砂磨打平:用大砂带机辅以手持砂轮机对基层混凝土进行砂磨打平, 然后用压缩空气吹掉浮灰;d.干燥处理:对原地面进行通风干燥处理, 也可辅以风机吹干, 加快进度;e.底涂透封底处理:以具有防水、防腐功能的底涂在基层地面上辊涂一遍, 进行渗透封底补强处理, 提高附着力, 特别是裂缝处, 并防止地下水、湿气将来影响地坪涂层, 同时活化剩余尘埃和砂粒;f.修补缺陷:用专用石墨掺石英砂、腻子配成胶泥修补基面凹坑和错落不平处等缺陷;g.再次清理:以人工机械研磨修补处, 并进行再次清灰、干燥处理等。
2) 接地网络铺设连接 (一道) 。
a.引电极:沿工房周边间隔6 m左右, 用紫铜皮引出电极与墙裙接地零线联接;b.在上述底层上均匀相间2 m左右铺贴铜胶带, 并联接铜皮电极, 形成静电泄漏通道网络, 要注意粘贴平服, 并自行进行检测;c.腻子压补:以不发火导静电填料石英砂、石墨加稀释剂调制压补腻子, 在所有铜胶带上进行压补, 以防铜胶带空浮;d.系统电阻测试合格后进行下道工序;e.严禁非施工人员进入施工现场, 并配专人看护, 防止破坏接地网。
3) 中间层处理 (二道) 。
a.厚浆腻子找平批刮:以不发火导静电填料 (干净石英砂、石墨) 、基料 (环氧复合树脂) 加稀释剂调制厚浆腻子, 然后在底层+铜胶带上面进行整体批刮, 形成一层找平层, 并自行进行检查验收;b.砂磨打平修补:待8 h~12 h固化后即进行砂磨打平, 并进行清灰修补处理, 清灰必须采用高压空气吹洗、吸尘器吸尘, 确保上下层的粘结强度, 然后在厚浆层上面进行整体批刮, 形成一层补平层, 并自行进行检验, 平整度采用红外水平仪和标尺检查。
4) 面涂层处理 (三道) 。
a.在刮涂头道过渡面涂前, 应对地面进行清理, 首先在中间腻子层上刮头道过渡面涂, 干燥时间4 h~8 h并自行进行检测;b.面涂固化后进行中涂施工, 刮涂应均匀, 厚度1 mm, 经20 h熟化干燥后, 检查平整度, 用磨光机具进行表面处理;c.根据要求, 在过渡面层上涂刮面涂作为表面, 并自行进行检测。
5) 养护和使用。
按上述方案施工, 四层次六道工序, 施工时间大约20 d, 施工完毕后待24 h (冬季48 h) 后可以行走, 且在该时间内现场不能存灰尘, 2 d固化干燥后即可正常使用。
摘要：以安全技术改建项目913号建筑物为例, 针对导静电地面在施工、使用中发现的质量问题, 详细分析了913号建筑物在基层修补、接地网络和面层施工等工序中应注意的施工技术要点, 以期达到良好的施工效果。
静电旋风技术 篇7
关键词：电喷,电纺,纳米纤维,纳米管,纳米薄膜
0 引言
电流体动力学射流技术可喷射液滴状或纤维状物质, 分别称为电喷和电纺。它们起源都很早, 可分别追溯到1882年Rayleigh开拓性的雾滴静电化研究以及Formhals的首个静电纺丝装置专利, 但在相当长的一段时间里并没有引起特别关注。直到20世纪90年代随着纳米技术的迅猛发展, 这2项技术才被重新发现, 用以制备了纳米薄膜、纳米纤维、纳米管、纳/微米包囊、量子点等多种结构的纳米材料, 如图1所示 (其中 (a) 为薄膜, (b) 为纳米线, (c) 为多孔纳米线, (d) 为定向纳米线, (e) 为壳-芯结构, (f) 为纳米管, (g) 为微米包囊, (h) 为有序堆积的球, (i) 为中空球, (j) 为量子点) , 广泛用于化学分析、过滤膜、生物材料、传感器、微电子器件、复合增强材料等。射流技术快速发展的十几年中, 取得了可观的成果, 如电喷离化-质谱联用技术 (ESI-MS) 开拓了有机材料分析的新手段, 获得了2002年诺贝尔化学奖。电纺技术近年来更是在取向型纤维的制备、无机陶瓷纤维的制备以及同轴射流技术方面取得了3大突破[1]。本文简要介绍了静电射流技术的基本原理, 详述了该技术在制备不同形态纳米材料方面的研究现状, 并对其应用进行了概述。
1 基本原理
静电射流的原理如图2所示, 当毛细管末端的液滴在高压电场作用下, 其外形逐步由新月形演变成圆锥状, 形成所谓的泰勒锥。当电场强度进一步增加超过阈值时, 液体克服表面张力的束缚而发射出来。发射物质的形状有雾滴状和纤维状2种, 分别称为电喷和电纺, 主要受表面张力、粘度、导电性等因素的影响。表面张力趋向于使喷射体团缩成球状, 电荷斥力趋向于增加表面积, 粘弹力反抗射流外形的急剧改变, 它们都趋向于使发射物质形成纤维。电纺和电喷在装置上是相同的, 区别仅在于试验参数的改变, 当使用低浓度溶液时是电喷, 但当溶液浓度增大后变为电纺。在射流过程中, 溶剂快速挥发, 雾滴或纤维的直径可缩小至数十纳米, 远小于常规方法所获取的特征尺寸。并且该方法一步成型, 不需要模板, 因此正成为一种新型的纳米材料制备方法。
影响材料制备的因素是多方面的, 除聚合物溶液本身的特性外, 还有以下因素: (1) 工艺参数, 电压、流速以及工作距离等; (2) 环境因素, 温度、湿度、气压等; (3) 设备的多样性[2], 主要是喷嘴形状以及接收装置的改进等。为了提高静电射流的产率, 可采用多喷头系统;为了改善喷射的稳定性, 提高尺寸均匀性和分布均匀性, 通常采用辅助电极[3], 辅助电极多为圆板、圆环或圆筒形。当采用高挥发性溶剂时, 喷头经常堵塞, 为解决此问题, 可在喷头上套一外筒, 筒中通入饱和的溶剂蒸气[4]。喷头还可采用MEMS技术加工[5], 以适应微流控芯片等应用的要求。
2 纳米材料的制备
2.1 纳米薄膜
迄今为止, 绝大多数电喷皆采用直流电源。由于雾化的液滴带电, 无法在绝缘基板上实现薄膜的沉积, 为此交流电喷技术应运而生。G.Tepper小组[6]采用信号发生器产生交流电, 在声表面波器件的叉指电极上制备了高度均匀的聚合物薄膜 (图1 (a) ) 。电喷形成的液滴尺寸大约为0.03μm, 薄膜的均匀性远远好于喷枪法的。但当交流电源的频率很高时 (如10000Hz) , 交流电喷将表现出与直流电喷迥然不同的特性[7,8]:泰勒锥消失, 电喷的液滴呈电中性, 并以间歇方式出射, 电喷的阈值电压仅为直流电源的1/10。
常规电喷是直接将雾化的液滴沉积到基板上, Saf等[9]在喷头下设置了一个圆筒, 圆筒中通入热空气使液滴充分干燥形成带电微粒, 再用线圈聚焦形成离子束并沉积在移动的基板上。利用该方法沉积的薄膜非常光滑, 粗糙度仅为1.3nm。不仅如此, 该方法还可实现薄膜图案的直写, 线条的横向分辨率可达100线/cm, 相当于激光打印机的水平。
2.2 纳米纤维
2.2.1 无序纳米纤维
采用电喷法制备的纳米纤维已有上百种, 研究重点在于控制纤维的微结构、增加可纺纤维的种类等方面。
微结构控制 电纺纤维的直径有时是不均匀的, 常出现串在纤维上的珠粒。显然, 这是电喷向电纺过渡不完全的表现。通过增大溶液的浓度提高粘度、在溶液中添加盐或其他物质增强导电性、提高电压增加表面电荷密度、改变溶剂减少表面张力等措施[10,11], 可使珠粒减小直至消失。上述措施加上流速等因素还可调控纤维直径。此外, 电纺还可形成带状结构[12]。
可纺性 分子量小、溶解度低的物质难以电纺, 通常采用将这些难纺物与易纺物共混的方法来增加可纺性, 共混的比例对其特性有重要影响。但McKee等[13]发现分子量大仅是可纺性的外观表现, 其本质是链段的缠绕度。卵磷脂是一种小分子量化合物, 由于氢键的作用, 在临界浓度之上将出现链段的缠绕。结果发现, 当溶液浓度低于临界浓度时不可电纺, 只有电喷才能获得球状的微粒;当溶液浓度高于临界浓度后可电纺成1～5μm的均匀纤维。具有高缠绕度的小分子聚合物的可纺性相当于比它分子量高得多的聚合物。
无机物 电纺对溶液粘度有严格要求, 限制了一些无机物及陶瓷纤维的制备。近年来, 通过引入溶胶前驱体, 成功地制备出无机物纤维, 实验成功的关键在于调节pH值或调整老化条件合理地控制溶胶前驱体的水解率。目前已合成了Al2O3、TiO2、SiO2、PT、PZT、ITO、CuO、NiO、V2O5、ZnO、Co3O4、Nb2O5、MoO3、MgTiO3、SiC等无机纤维。直接采用无机溶胶电纺的纤维直径通常较粗, 李丹等[14]采用与常规聚合物共混的方法有效地将纤维直径降低至数十纳米, 共混的聚合物有PVP、PVA、PEO, 能有效提高溶液的粘度。电喷的复合纤维须经煅烧才能获得无机物纤维。
多孔纳米纤维 与普通光滑表面的纤维相比, 多孔纳米纤维的表面积大大增加, 被广泛应用于催化、吸附、过滤、燃料电池、太阳能电池、组织工程等领域。多孔纳米纤维的制备主要有2种方法: (1) 共混物电纺成纳米丝后再选择性地去除其中的某一组分[15]; (2) 合理控制喷射过程参数, 使不同聚合物在沉积过程中实现相分离, 从而在纳米线上形成多孔结构[16], 如图1 (c) 所示。
2.2.2 有序纳米纤维阵列
电纺纤维通常是无序的非织造布形式 (图1 (b) ) , 而在电子及光子器件、增强复合材料以及组织工程等领域则要求纤维应具有高度的一维取向。目前已有多种制备电纺有序纤维的方法, 主要有旋转收集极法、拉伸法、平行电极法、交流电极法、平行磁场法等。
旋转收集极法 采用高速旋转的鼓状、圆盘状、框架状收集极时, 可制备取向排列的纤维。该方法为许多小组所采用, 但纤维的取向性较差。Gu等[17]在绝缘的转鼓上镶嵌平行的金属条, 并在鼓与喷丝口间增加绝缘隔板, 显著地提高了纤维的取向度。
拉伸法 Zong等[18]在机械牵引下对PLA10GA90无序纤维进行退火处理, 使沉积的纳米纤维排列得到很大改观。
平行电极法 李丹等[14]利用2个平行的条形金属电极作收集极, 可使电纺的纳米纤维在两电极间的间隙处沿垂直于电极的方向高度定向排列 (图1 (d) ) 。这是因为沉积在绝缘间隙处的纤维保留了原有的电荷, 受2个电极的静电吸引力向两端拉伸, 加上纤维间的库仑斥力而定向排列。在电极处的纤维仍然是混乱排列, 因此纤维在跨越电极边界时通常都经历了很大的弯曲。利用该方法, 可方便地在绝缘基板上进行电纺。不仅如此, 还可利用多个交替接地的电极对制备十字交叉等各种形式的有序排列纳米纤维叠层[19]。在此基础之上, Murata小组[20]采用2个电极交替接地的方法, 可使电极每切换1次, 就在2个电极间定向沉积1根纤维。沉积完成后再对纤维进行拉伸处理, 不仅能进一步减小纤维的直径, 还可大大改善直径的均匀性, 使得制备的MEH-PPV与PEO共混物发光材料的极化率从13提高到25以上[21]。
交流电极法 Kim等[22]通过在收集电极上施加交流电的方法获得了取向排列的纳米纤维, 实验证明环形、叉指形或平行形的电极都可使纤维沿电极定向排列。该方法的关键是交流电源的频率要高, 在500Hz左右时能获得较好的取向性, 但远比平行电极法的差。在该方法中, 收集电极上覆盖有100μm厚的PET膜, 纤维沉积在绝缘基板之上。
平行磁场法 与平行电场法类似, Yang等[23]利用条形磁铁产生的平行磁场也能使带磁性的纳米纤维定向排列。他们在溶液中加入少量 (小于0.5% (质量分数) ) 的磁性纳米颗粒, 通常为Fe3O4, 实现了PVA、PS等聚合物纳米纤维的高度定向排列。通过旋转磁场也获得了有序排列的纳米纤维叠层。
尖端收集极法 与常规大面积的收集极不同, Yu等[24]采用直径2mm的电线作为收集极, 将其装入绝缘基座上的侧面, 以一定的仰角面对喷丝口。当纳米纤维形成后, 其前端被尖端收集极捕获, 而后端落在支撑板上, 经过弛豫过程形成一条直线。该技术的关键是要控制纺丝一根接一根地进行, 这样后续的纳米纤维由于静电斥力的作用才会与以前的纤维平行排列。根据喷口直径和溶液浓度选择合适的流速, 可使喷丝间断进行。
2.3 壳-芯结构
同轴射流技术是静电射流技术的最新研究成果, 利用该技术可以制备壳-芯结构的纳米纤维、中空纳米纤维及纳/微米包囊, 在食品添加剂、靶向药物释放和特种材料加工等领域具有重要的应用价值。
2.3.1 同轴静电射流技术
与传统射流技术相比, 同轴射流技术仅在装置上进行了改进。如图3所示, 喷头由内外2根同轴嵌套的毛细管构成, 分别通入芯层和鞘层溶液, 进而在喷射过程中形成鞘层包裹芯层的复合结构。
同轴射流的控制比常规射流复杂, 诸多因素皆会影响复合结构的稳定性, Gupta等[25]对此进行了系统的归纳。 (1) 鞘层溶液的粘度要足够大, 以克服芯-鞘界面张力, 形成复合泰勒锥;而芯层溶液的粘度要求较低, 但不能低于某一临近值, 否则将破坏复合射流结构。 (2) 芯层或鞘层溶液的增加都将使纤维直径变粗。 (3) 芯-鞘溶液是否必须互不相溶存在着争议。 (4) 不宜采用高挥发性的溶剂, 当芯层溶剂是高挥发性时将形成纳米带等异常结构;而当鞘层溶剂是高挥发性时会出现内外层射流的劈裂以及多头喷射等。 (5) 芯层溶液导电性增大将形成不连续的结构;而鞘层溶液电导增加有利于壳-芯结构的形成, 可包裹低电导甚至不导电的芯层。 (6) 形成稳定复合结构的电压范围较窄, 当电压过大时射流发生劈裂。 (7) 芯-鞘层的流速有一个相对的范围, 通常应使芯层的流速低于鞘层。
2.3.2 壳-芯纳米纤维
Yarin等[26]最早采用同轴电纺法制备壳-芯纳米纤维, 他们使用的芯-壳溶液是互溶的, 但由于电纺成型的时间极快, 扩散来不及发生, 制备出了多种界面清晰的壳-芯复合材料, 如PEO-PEO、PEO-PDT等。Rutledge等[27]支持他们的观点, 制备了如图1 (e) 所示的PVA/Pani壳-芯结构。而李丹等[28]认为芯-壳溶液应不互溶方能制备出均匀的包层纤维, 并分别将PVP溶于乙醇/水混合液中, MEH-PPV溶于氯仿中, 制备出了相应的芯-壳纳米纤维。在上述应用中, PDT、MEH-PPV都不能单独电纺成丝, 但将这些材料作为芯层进行同轴电纺可制备出纳米纤维, 关键是鞘层材料的可纺性要高, 实际上相当于芯层材料的模板。
2.3.3 纳米管
采用适当的溶剂将壳-芯复合结构的某一组分去除后, 可方便地获取单组分的纤维。当去除的是芯层材料时, 获得的是中空的纳米纤维, 即纳米管。李丹等[28]采用矿物质油为芯层, PVP和Ti (OiPr) 4的乙醇溶液作为壳层进行同轴电纺, 得到相应的壳-芯纳米纤维, 然后通过萃取除去内层矿物油, 再经高温煅烧除去PVP, 最终得到了TiO2陶瓷纳米管 (图1 (f) ) 。
2.3.4 纳/微米包囊
同轴射流技术最早用于制备纳/微米包囊, Loscertales等[29]使2种不相溶的聚合物溶液产生稳定的同轴射流, 然后通过调节内外层液体流速、毛细管的直径和电场强度等参数来改变射流直径。射流破裂后生成一种单分散性气凝胶, 此时外层液体可将芯层液体包覆起来, 形成包囊。采用普通的电喷也可制备包囊, 甚至可将活的细胞制成包囊[30] (图1 (g) ) 。这种包囊结构在食品添加剂、高效杀虫剂、靶向给药和特种材料加工方面具有重要的应用前景。
2.4 微米球及量子点
采用低浓度的溶液电喷可方便地获取纳米粉体。为防止雾化的液滴在基板上合并与团聚, Costa等[31]采用液面作收集极, 其上设置金属筛网, 收集完成后挥发掉溶剂便可获得形状规则的纳米粉。另外, 在电纺溶液中添加纳米颗粒, 可以将这些微粒包埋在纳米纤维中, 采用该方法在PS、PLLA纤维中制备了ZnS量子点[32], 在PVA纤维中获得了CdTe量子点[33]。
Moon等[34,35]采用胶体溶液进行电喷, 在溶剂快速挥发过程中, 胶体颗粒自组装排列形成10～40μm的微球, 这些微球进一步形成2D或3D有序排列的阵列 (图1 (h) ) 。当电喷溶液为氧化硅胶体/乙醇和聚苯乙烯胶体/丙酮时, 分别产生实心微球或中空微球。由于采用交流电源, 减小了液滴表面荷电以及横向电场力导致的不稳定性, 使得制备出的微球尺寸非常均匀, 分散度仅有1%。这种周期性的微球结构是一种光子晶体, 具有光学禁带的特征。聚苯乙烯球壳由2层胶体分子构成, 表面不完全封闭, 并广布针孔 (图1 (i) ) 。球壳的形成是由于溶剂的挥发速度快于胶体分子的扩散速度所致。Kumar等[36]观察到的杯状结构其实是半个球壳。
由于电喷可以实现大分子、非挥发性物质从液相到气相的转移, 麻省理工学院的研究人员[37]将ES作为雾化源, 与OMCVD相结合, 开创了一种制备纳米晶/量子点薄膜的新型方法, 制备出了包埋在ZnSe、ZnS等薄膜中的CdSe量子点 (图1 (j) ) 。这种材料广泛应用于平板和全彩LED等显示领域。母相材料作为量子点材料的钝化层, 极大地提高了发光效率。
3 结语