荊德吉，任帥帥，葛少成

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程研究院，遼寧 阜新 12300；3. 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧工程技術(shù)大學(xué))，遼寧 阜新 12300；4. 太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030000)

0 引言

在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是中國(guó)主要能源，而煤礦粉塵的污染問(wèn)題日益突出，高濃度粉塵會(huì)對(duì)工作人員身體健康造成很大危害，加劇電氣設(shè)備磨損，存在嚴(yán)重安全隱患，因此治理輸煤系統(tǒng)中產(chǎn)生的粉塵至關(guān)重要,合理地防治粉塵污染,最大限度減小其危害,對(duì)礦山安全生產(chǎn)與治理而言有極其重要的意義[1-5]。

目前，普遍采用的噴霧降塵是建立在重力沉降機(jī)理上的一種簡(jiǎn)單降塵方法[6]。許多學(xué)者通過(guò)研究水中加入表面活性劑降低水的表面張力，增強(qiáng)對(duì)煤塵的潤(rùn)濕和捕集[7-14]。但即使加入活性劑，對(duì)微細(xì)粉塵的降塵效果不能達(dá)到預(yù)期效果。在磁化水研究領(lǐng)域，有關(guān)學(xué)者研究表明磁化水技術(shù)可以使水的黏性下降，從而改變水的表面張力[15]。水經(jīng)磁化后，水分子極性增強(qiáng)，容易與其他物質(zhì)形成物理鍵而產(chǎn)生吸附作用，但是磁化水降塵技術(shù)尚未成熟。

基于此，本文對(duì)表面活性劑進(jìn)行不同強(qiáng)度磁化，采用座滴法測(cè)量各種表面活性劑在煤樣表面的接觸角，進(jìn)而推斷磁化強(qiáng)度與不同濃度表面活性劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性影響，更好地得出活性劑種類、濃度和磁化強(qiáng)度對(duì)降塵效果的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試劑及樣品

實(shí)驗(yàn)選用的3種表面活性劑，根據(jù)Critical Micelle Concertration(CMC,表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的最低濃度，即達(dá)到水對(duì)煤樣的最佳潤(rùn)濕性。)每種活性劑與蒸餾水配比出5種不同濃度的試劑，觀察磁化強(qiáng)度與濃度對(duì)煤樣的接觸角影響，進(jìn)行橫向?qū)Ρ群笤龠M(jìn)行接觸角變化趨勢(shì)的縱向?qū)Ρ?。表面活性劑的CMC值以及磁化強(qiáng)度見表1。實(shí)驗(yàn)選用煤樣品的工業(yè)分析測(cè)定見表2。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)前，將配置好的溶液吸入接觸角測(cè)量特制針管進(jìn)行5 min的磁化。之后，將電動(dòng)注水系統(tǒng)使用后進(jìn)行調(diào)零，把樣品平臺(tái)調(diào)至水平后升降樣品平臺(tái)進(jìn)行相機(jī)對(duì)焦并設(shè)置幀數(shù)，再把制好的煤樣玻片水平放置在樣品平臺(tái)正中心，調(diào)節(jié)LED冷光源使相機(jī)顯示煤樣表面平整清晰可見，避免影響接觸角測(cè)定引起較大誤差。在待測(cè)液體接觸到煤樣之前按下拍攝鍵，避免遺漏接觸瞬間圖像。每進(jìn)行1組接觸角測(cè)量，便重新更換新的煤樣玻片，避免重復(fù)利用對(duì)煤樣產(chǎn)生污染進(jìn)而影響測(cè)定結(jié)果。

1.2.2 接觸角測(cè)量

將試驗(yàn)煤樣用煤料篩分至61 um以下，置于帶圓形凹槽的玻璃片中，用薄玻璃片將其表面壓平，滴入95%純度乙醇進(jìn)行分散，待乙醇揮發(fā)后，樣品固定在載玻片上，研磨裝片后煤樣見圖1。采用高純度乙醇處理的目的是模擬抑塵劑可以在較平整的煤粉表面條件下進(jìn)行接觸試驗(yàn)的相似環(huán)境，拍攝不同濃度、磁化強(qiáng)度的表面活性劑溶液在煤粉表層的接觸角。待測(cè)液體分別為十二烷基三甲基氯化銨 (DTAC)、辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)和十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS)，將磁化裝置設(shè)置為磁化強(qiáng)度分別300，500，700 mT，對(duì)3類5種濃度不同的溶劑進(jìn)行磁化。使用ZJ-7000 接觸角測(cè)試儀采用座滴法測(cè)定煤樣表面的靜態(tài)接觸角，磁化裝置與接觸角測(cè)量?jī)x見圖2，光學(xué)接觸角測(cè)量原理見圖3。通過(guò)使用微型注射器，每次增加1 μL，捕捉液滴下落與煤粉樣品接觸瞬間進(jìn)行5組測(cè)試，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果，使用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝，設(shè)置為30幀。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，溫度為25.0±0.5℃。

表1 試驗(yàn)用表面活性劑Table 1 Surfactants used for testing

表2 試驗(yàn)選用煤樣Table 2 Coal samples selected for testing

圖1 煤樣壓片F(xiàn)ig.1 Coal sample compression sheet

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器Fig.2 Experimental apparatus

圖3 視頻光學(xué)接觸角測(cè)量原理Fig.3 Principle of video optical contact angle measurement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同磁化強(qiáng)度活性劑與煤樣表面的接觸角

本實(shí)驗(yàn)選用的3類5種濃度不同的溶劑進(jìn)行磁化，測(cè)得與煤樣接觸角度關(guān)系見圖4～6；濃度為1.2×10-3mol·L-1的SDBS溶液在磁化強(qiáng)度為500 mT時(shí)與煤樣的接觸角見圖7，圖中L為液滴與煤樣的左接觸角切線值，R為右接觸角切線值，CA為平均值。

圖4 DTAC溶液磁化后接觸角變化Fig.4 Change of contact angle after magnetization of DTAC solution

圖5 OP-10溶液磁化后接觸角變化Fig.5 Change of contact angle after magnetization of OP-10 solution

圖6 SDBS溶液磁化后接觸角變化Fig.6 Change of contact angle after magnetization of SDBS solution

2.2 表面活性劑對(duì)潤(rùn)濕性的影響

根據(jù)圖4～7，當(dāng)溶液濃度未達(dá)到CMC值，隨著溶液濃度的增加，接觸角值迅速減小，潤(rùn)濕能力迅速提升。在溶液濃度達(dá)到CMC值后，隨著溶液濃度的增加接觸角值緩慢增加，變化效果趨于平穩(wěn)。表明當(dāng)表面活性劑濃度為CMC值時(shí)，表面張力趨于最小，潤(rùn)濕能力良好；煤表面上3種表面活性劑的接觸角值隨著濃度的增加而降低，并且陰離子表面活性劑的接觸角的測(cè)量值小于其他2種表面活性劑的接觸角的測(cè)量值，非離子表面活性劑接觸角測(cè)量值小于陽(yáng)離子接觸角測(cè)量值。表明在濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)陰離子表面活性劑制備的溶液的表面張力最小，非離子表面活性劑制備的溶液表面張力其次，陽(yáng)離子表面活性劑的表面張力最大，陰離子表面活性劑溶液對(duì)煤樣潤(rùn)濕能力最好，非離子表面活性劑溶液潤(rùn)濕能力其次，陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)煤樣的潤(rùn)濕能力最差；當(dāng)表面活性劑的濃度接近其CMC值，不同表面活性劑對(duì)煤樣的潤(rùn)濕性表現(xiàn)各異。這充分證明了活性劑的潤(rùn)濕能力與其濃度及本身性質(zhì)密切相關(guān)。

圖7 接觸角測(cè)量Fig.7 Measurement of contact angle

2.3 磁化強(qiáng)度對(duì)潤(rùn)濕性的影響

經(jīng)過(guò)磁化后的活性劑溶液對(duì)煤樣的浸潤(rùn)性都有不同程度的增加，隨著接觸角的降低說(shuō)明溶液的表面張力越小液滴更易破碎。在CMC值之前隨著磁化強(qiáng)度的增強(qiáng)接觸角下降幅度不大，是因?yàn)榛钚詣?duì)水的活化效果已經(jīng)達(dá)到最大，下降幅度只與磁化裝置對(duì)水的磁化強(qiáng)度有關(guān)。而在CMC值之后濃度越高的活性劑在300，500 mT磁化強(qiáng)度時(shí)接觸角減小速率沒(méi)有在700 mT磁化強(qiáng)度時(shí)的大，所以接觸角減小速率隨磁化強(qiáng)度增加而增大，在700 mT時(shí)降低幅度趨于平緩，其主要原因是高濃度活性劑在低磁化強(qiáng)度時(shí)并未完全發(fā)揮對(duì)水的活化效果，在達(dá)到一定磁化強(qiáng)度時(shí)水的磁化效果趨于平緩，進(jìn)而導(dǎo)致接觸角、表面張力變化幅度也趨于平緩。其機(jī)理及解釋為：微小粒徑粉塵通過(guò)粘濕、鋪展和浸濕3個(gè)過(guò)程后重力沉降。粘濕是與粉塵接觸的空氣被水分子或活性劑分子取代的過(guò)程，也是決定對(duì)粉塵潤(rùn)濕能力強(qiáng)弱的決定性因素，其磁化前后形式見圖8。活性劑由2種極性的親水基與疏水基組成，活性劑配置為溶液后，活性劑分子完全被水分子包圍，親水基居于水分子表面內(nèi)，疏水基被排斥而向外伸展，活性劑的分子在水溶液表面形成緊密的定向排列層，又稱為界面吸附層。在磁化之后，界面吸附層允許更多的活性劑分子被添加到水分子界面的表面層，使得水分子和空氣之間的接觸面積大大減小，這導(dǎo)致水的表面張力降低，使得水滴易于破碎并在粉塵表面上擴(kuò)散浸濕。同時(shí)，疏水基的極性吸附作用將灰塵顆粒吸入水中，界面吸附層可以將低能粉塵的表面變成高能表面,增強(qiáng)與水的親和性。

圖8 磁化前后對(duì)比Fig.8 Comparison before and after magnetization

2.4 煤塵沉降Walker實(shí)驗(yàn)

將100 mg煤粉輕輕地堆放于清水與4組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2×10-3mol/L的SDBS溶液表面,其中3組SDBS溶液進(jìn)行300，500 ，700 mT磁化。使煤粉自然沉入液體中, 分別記錄煤粉完全沒(méi)入液面所需時(shí)間, 以沉降過(guò)程中的浸潤(rùn)表現(xiàn)、清濁狀況和所需時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)溶液對(duì)粉塵的潤(rùn)濕能力，沉降時(shí)間見表4，沉降效果見圖9。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：SDBS溶液較清水煤塵沉降時(shí)間變化明顯，SDBS溶液經(jīng)300 mT磁化后浸潤(rùn)煤塵效果提升顯著，但在500 mT后效果穩(wěn)定無(wú)明顯增長(zhǎng)。清水時(shí)煤塵浸入水中表現(xiàn)松散無(wú)明顯沉降規(guī)律，但在加入SDBS溶劑進(jìn)行磁化后沉降過(guò)程變化呈逐漸清晰的線性軌跡。煤塵沉降實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到試劑消磁現(xiàn)象，會(huì)與接觸角測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果有些許誤差。

表3 煤塵沉降時(shí)間Table 3 Settlement time of coal dust

圖9 煤塵沉降效果Fig.9 Settlement effect of coal dust

3 結(jié)論

1)當(dāng)表面活性劑濃度接近CMC值，潤(rùn)濕能力表現(xiàn)良好。表面活性劑的潤(rùn)濕能力隨濃度的升高而增強(qiáng)。當(dāng)濃度增加到臨界膠束濃度后，潤(rùn)濕能力沒(méi)有顯著變化。

2)以臨界膠束濃度為衡量基準(zhǔn)，活性劑對(duì)煤樣的潤(rùn)濕能力，陰離子表面活性劑SDBS潤(rùn)濕能力最佳，非離子表面活性劑OP-10潤(rùn)濕能力其次，陽(yáng)離子表面活性劑DTAC潤(rùn)濕能力最差。

3)磁化后溶液對(duì)煤塵潤(rùn)濕能力有顯著提升，在磁化強(qiáng)度為300 mT時(shí)潤(rùn)濕性變化效果明顯,500 mT后變化效果增強(qiáng)但潤(rùn)濕性提升不多并趨于穩(wěn)定。

4)抑塵劑加磁后煤塵沉降效果顯著提升，300 mT磁化降塵效果變化最大，浸潤(rùn)效果清晰均勻，500 mT磁化效果最好，在700 mT時(shí)趨于穩(wěn)定，沉降效果不再提升。

5)對(duì)比研究了不同活性劑與磁化強(qiáng)度的協(xié)同增效作用，為今后的深入研究奠定基礎(chǔ)，但未能在工作面進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加入循環(huán)水泵進(jìn)行往復(fù)磁化，提升磁化效果。