利用气流辅助的水和乙醇电喷雾技术实现高通量雾化

《Journal of Aerosol Science》：Gas flow-assisted electrospray of water and ethanol for high throughput atomization

提出一种结合电流体动力学（EHD）与流体动力学力的新型电雾喷流系统，通过高压气流聚焦在喷嘴附近抑制水柱形成，实现240 mL/h高流量稳定雾化。高速成像与CFD模拟证实气动力辅助可有效降低韦伯数至98.8，消除传统高流量下的丝状不稳定现象，实现微米级水雾化。

　　

Jong-Hyeon Kim | Ayman A. Abdelaziz | Nozomi Takeuchi | Jong-Ho Kim | Atsushi Komuro | Yoshiyuki Teramoto | Hitomi Kobara | Hyun-Ha Kim

日本茨城县，国立先进工业科学技术研究所（AIST）

摘要

本文介绍了一种新型电喷雾系统，该系统结合了两种不同的力：电液动力（EHD）力和流体动力。为了扩展电喷雾在高通量应用中的稳定工作范围，在液体喷嘴附近集中了高气体流量以提供流体动力辅助。研究发现，这两种具有不同有效粒径范围的力的结合对于在高液体流量下实现稳定的电喷雾非常有效。这些效应通过实验（Schlieren现象和高速摄像机成像）以及喷嘴附近气体流的CFD计算进行了研究。由高韦伯数（Weber number）引起的流体动力有效抑制了粗长液丝的形成，从而在较高液体流量（约4 mL/min或240 mL/h）下实现了稳定的电喷雾，而由于水的表面张力较高，这在过去是难以实现的。喷嘴尖端液体前沿结构的重塑最终消除了在高液体流量下通常观察到的液丝不稳定性。使用高速摄像机进行的快速成像显示，喷嘴尖端类似薄膜的结构在100毫秒的时间尺度内迅速形成和破坏。激光衍射传感器证实，气体辅助的电喷雾能够将水雾化成粒径小于10μm的微滴。

引言

由电场引起的液体分解现象称为电喷雾或EHD（电液动力）喷雾。在电喷雾过程中，待喷雾的液体通过一个处于高电场中的喷嘴。当库仑力足以克服液体的表面张力时，细小的液滴从喷嘴中喷出并朝相反电极移动。电喷雾已应用于多种领域，如质谱分析中的离子源[1]、高分散微粒和/或纳米粒子的生成[2]、用于纳米纤维制备的电纺技术[3][4]、喷墨打印[5]、静电除尘器（ESP）的颗粒加载[6]、功能性材料的薄膜涂层[7][8]、燃料雾化[9][10]以及生物去污[12]等。电喷雾的性能受多种参数的影响，包括液体的性质（表面张力、粘度、导电性）、喷嘴几何形状、液体流量、周围气体以及施加的电压等。从电喷雾的固有结构来看，喷嘴尺寸和液体流量也对喷雾性能有显著影响。已知最稳定的电喷雾状态是所谓的锥形喷射模式（cone-jet mode）[13][14][16]。通过引入无量纲参数，已经建立了锥形喷射模式的多种缩放定律[17][18][19]。这些缩放定律可以解释液体流量、喷雾电流和液滴直径之间的相关性。文献中明确指出，喷嘴尺寸和流量越小，电喷雾的性能越好，且液滴尺寸分布越均匀[20]。为了保持电喷雾的稳定运行，液体流量的可能范围倾向于从μL/min^-1降至nL/min^-1[16]。

Ganan-Calvo团队报道了一种气动辅助电喷雾技术，也称为流量聚焦电喷雾（Flow-Focused Electrospray，FFE）[21][22][23]。他们建立了多种缩放定律，用于解释和预测不同液体流量（从nL/min到μL/min）下的最小喷射直径和喷射长度。本研究的目标是在mL/min范围内的液体流量下实现稳定的电喷雾，以实现高通量雾化。在本研究中，我们研究了气体辅助电喷雾（FAES），即通过将气体流量集中在喷嘴上来扩展稳定喷雾区域，从而适应更高的液体流量。由于水的表面张力较高且导电性较强，传统上需要非常低的液体流量（约4 μL/min）才能实现稳定的电喷雾[20]。与传统的双流体喷嘴不同，这种喷嘴将液体和气体的流动路径分离成同心结构。这种高度聚焦的气流在喷嘴附近产生高韦伯数，从而将粗大的液滴破碎成更小的液滴。高通量的水电喷雾在农业（农药喷洒）、生物/医疗应用等领域具有广泛的应用前景。本研究将喷嘴附近的高气体流量效应与乙醇进行了比较，后者在文献中已被广泛研究。使用高速摄像机以100 μs的时间分辨率观察到了喷雾模式的变化过程。激光衍射传感器证实，气体辅助的电喷雾能够将水雾化成粒径小于10μm的微滴。

理论背景

电喷雾是一种利用静电力引起的不稳定性将液体雾化成细小液滴的技术。在这方面，喷嘴直径和液滴本身的尺寸效应变得非常重要。作用在液体上的力与液体的尺寸密切相关。图1展示了本研究中考虑的两个重要参数——韦伯数（Weber number）和瑞利极限电荷（Rayleigh limit charge）的尺寸依赖性。

流量辅助电喷雾（FAES）的设置

图2展示了本研究中使用的实验装置。流量辅助喷雾喷嘴由两个同心喷嘴组成：内层不锈钢喷嘴（内径0.31 mm，外径0.68 mm）用于输送液体，而外层玻璃管（内径1.2 mm）用于供给辅助气体。高电压被施加到内层不锈钢喷嘴上。在传统的流量聚焦电喷雾[23][29]中，喷嘴位于一个小孔（孔口）后面。

气体流动模式和电压-电流特性

在高通量电喷雾中，气体流动起着关键作用，尤其是在应用较高液体流量时。聚焦的气流在喷嘴附近产生破坏性的气动作用，抑制了粗长液丝的形成。这个无量纲数有助于判断液体由于惯性力而发生破裂的情况。聚焦在液体喷嘴上的同心气流会对待喷雾的液体施加惯性力。

结论

通过气流辅助的电喷雾实验，阐明了气流动力和电液动力共同作用在扩展稳定雾化范围方面的作用。在高浓度气流下，韦伯数（Weber number）达到了98.8，能够有效破碎大于约200 μm的液滴。喷嘴附近的高气体速度成功抑制了粗长液丝的形成，使得静电力能够更有效地发挥作用。

作者贡献声明

Jong-Ho Kim：撰写初稿、进行实验研究、进行正式分析、提出概念框架。 Nozomi Takeuchi：负责数据可视化、软件操作和数据管理。 Ayman A. Abdelaziz：负责数据可视化及实验研究。 Jong-Hyeon Kim：撰写初稿、进行数据可视化及实验研究。 Hyun-Ha Kim：撰写初稿、进行数据可视化、提供监督、指导实验研究及数据管理、提出概念框架。 Yoshiyuki Teramoto：进行结果验证、进行实验研究并提出概念框架。 Atsushi Komuro：负责数据可视化及实验研究。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。