陳 曦，張志強(qiáng)，李仲文，鄔叢珊

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原 030024）

煤炭在開(kāi)采和生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵通常具有懸浮和疏水特性，使其管理非常困難[1-2]。而空氣中有大量粉塵時(shí)會(huì)導(dǎo)致職工患?jí)m肺病、加劇設(shè)備磨損、造成煤塵爆炸的嚴(yán)重事故等[3-5]。常用的抑塵方法有：通風(fēng)、靜電除塵、個(gè)人防護(hù)、封閉隔離、噴霧除塵等[6-10]。

然而目前對(duì)化學(xué)抑塵劑抑制煤塵的表征方法還缺乏深入研究，依舊存在潤(rùn)濕煤塵性能差的現(xiàn)象。通常測(cè)量煤塵潤(rùn)濕性的方法有：煤塵沉降實(shí)驗(yàn)法、接觸角法、動(dòng)力試驗(yàn)法、上下向毛細(xì)管滲透法、還可以通過(guò)測(cè)量動(dòng)態(tài)表面張力考察表面活性劑分子在水中的運(yùn)動(dòng)情況等等[11-14]。

以上所述中都用了比較宏觀(guān)的方法研究去離子水或不同表面活性劑分子溶液潤(rùn)濕煤塵或煤塊的實(shí)驗(yàn)。如果測(cè)量試劑與被測(cè)物體之間的相互作用力，無(wú)疑可以更本質(zhì)上理解二者之間的相互作用。Wang等[15]設(shè)計(jì)了集成的薄膜排水設(shè)備（ITFDA）；Zhang等[16]使用雙壓壓電晶片力傳感器對(duì)此裝置進(jìn)一步改進(jìn)，且它的力的分辨率為1 μN(yùn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)上述裝置做了進(jìn)一步改進(jìn)，研究了表面活性劑溶液液滴潤(rùn)濕煤塊過(guò)程的作用力，為煤塵潤(rùn)濕研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

接觸力測(cè)量裝置圖如圖1。

圖1 接觸力測(cè)量裝置圖Fig.1 Device diagram for measuring contact force

左端壓電片探針與電腦相連，通過(guò)電壓放大器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳輸?shù)诫娔X，用labview 程序測(cè)量數(shù)據(jù)。壓電片探針右端連接透明玻璃管，用來(lái)連接液滴。右端正對(duì)液滴處放置攝像頭，用來(lái)錄制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液滴形狀的變化。液滴下方為電機(jī)，用于控制煤塊的上下移動(dòng)，電機(jī)上放置升降臺(tái)，用于微調(diào)煤塊的移動(dòng)，煤塊置于升降臺(tái)上，并位于液滴正下方的位置。然后，玻璃管端附著液滴后，啟動(dòng)電機(jī)，以0.58 mm/s 勻速向上移動(dòng)。發(fā)生附著后，停滯5 s 后以相同速度勻速向下移動(dòng)煤塊，直至液滴斷裂。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次，最終取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤塊與液滴相互作用動(dòng)態(tài)過(guò)程

5×10-5mol/L AEO9 溶液與煤表面相互作用圖如圖2。圖中力為“正”時(shí)代表斥力，力為“負(fù)”時(shí)代表引力。

圖2 5×10-5 mol/L AEO9 溶液與煤表面相互作用圖Fig.2 Graphs of the interaction between 5×10-5 mol/L AEO9 solution and coal surface

1）在2#點(diǎn)前，煤塊向上朝著液滴以0.58 mm/s的速度勻速移動(dòng)的過(guò)程，煤塊和液滴距離逐漸減小，此時(shí)煤塊還未觸碰到液滴。到了2#點(diǎn)時(shí)，煤塊離液滴很近，處于即將要接觸前的一刻，此時(shí)煤塊對(duì)液滴有1 個(gè)很小的引力，液滴會(huì)發(fā)生垂直向下地微變形，使得液滴尖端離煤塊更近，此誘導(dǎo)時(shí)間段煤塊運(yùn)動(dòng)距離設(shè)為1.5 cm。

2）煤塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)3#點(diǎn)時(shí)，煤塊與液滴接觸，形成了煤-空氣-液滴三相接觸線(xiàn)（TPC）。煤塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，三相接觸線(xiàn)增大，說(shuō)明液滴在煤塊表面鋪展。發(fā)生此現(xiàn)象是因?yàn)?，通常情況下，氣-液、氣-固之間的界面張力比液-固之間的界面張力要大得多，所以系統(tǒng)傾向于向液-固接觸面積大的方向轉(zhuǎn)變，即液體在煤表面擴(kuò)散是吉布斯自由能降低的自發(fā)過(guò)程；此過(guò)程中伴隨著產(chǎn)生1 個(gè)向上的斥力，斥力逐漸增大，發(fā)生此現(xiàn)象可能是因?yàn)橐旱卧诿簤K表面鋪展的速度較慢，而煤塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，液滴被壓縮，導(dǎo)致液滴與煤塊之間的斥力持續(xù)增大。到4#點(diǎn)時(shí)，液橋?qū)挾冗_(dá)到最大斥力產(chǎn)生之前的最小值，而三相接觸線(xiàn)達(dá)到最大值，此過(guò)程煤塊運(yùn)動(dòng)的距離約為0.2 mm。煤塊再繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)0.91 mm 后在5#點(diǎn)時(shí)停止。此過(guò)程中，三相接觸線(xiàn)保持不變，說(shuō)明液滴在煤塊表面已停止鋪展，且液體與煤塊之間斥力達(dá)到最大，此時(shí)液橋?qū)挾冗_(dá)到最大。

3）之后煤塊停止運(yùn)動(dòng)5 s，其間煤塊與液滴間斥力開(kāi)始漸漸減小，一直減小到6#點(diǎn)，但此過(guò)程液橋?qū)挾群腿嘟佑|線(xiàn)長(zhǎng)度均未發(fā)生改變，分析其可能是因?yàn)橐旱蜗蛎簤K里層的滲入引起的。

4）從6#點(diǎn)開(kāi)始，煤塊同樣以0.58 mm/s 的速度向下移動(dòng)，液滴受到向上的斥力繼續(xù)減小，直至為0，繼而液滴開(kāi)始受到煤塊向下的引力。一直到7#點(diǎn)之前，可以觀(guān)察到力曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，表明液滴在該區(qū)域的力和彈簧的力是一樣的。從7#點(diǎn)開(kāi)始，由于液滴大的變形，力曲線(xiàn)不再遵循胡克定律，7#～8#點(diǎn)時(shí)，毛細(xì)液橋在收縮過(guò)程中變薄，在8#點(diǎn)時(shí)，煤塊對(duì)液滴的引力達(dá)到最大值。煤塊繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，相互作用力減小，直至毛細(xì)液橋斷裂，9#點(diǎn)為液斷裂過(guò)程中的1 點(diǎn)，煤表面殘留部分液體。

2.2 不同量濃度AEO9 溶液與煤塊作用動(dòng)態(tài)過(guò)程

為了探究表面活性劑溶液量濃度對(duì)相互作用力的影響，繪制量濃度為5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L的表面活性劑AEO9 溶液與煤塊作用力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，不同量濃度AEO9 溶液表面力隨時(shí)間變化圖如圖3。不同量濃度AEO9 溶液的表面力相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 不同量濃度AEO9 溶液表面力隨時(shí)間變化圖Fig.3 The surface force of different concentrations of AEO9 solution with time

由圖3 及表1 可知，3 種濃度表面活性劑溶液的最大斥力隨量濃度的增大逐漸減小，表明溶液潤(rùn)濕煤塵的效率也隨量濃度的增大逐漸減??；對(duì)比三者到達(dá)最大斥力所用時(shí)間發(fā)現(xiàn)，5×10-5、8×10-5mol/L的溶液所用時(shí)間幾乎相同，而1.5×10-4mol/L 溶液所用時(shí)間略短，表明1.5×10-4mol/L 的溶液潤(rùn)濕速率比5×10-5、8×10-5mol/L 的溶液要高。將潤(rùn)濕效率和潤(rùn)濕速率綜合對(duì)比可知，1.5×10-4mol/L 的溶液的潤(rùn)濕能力最強(qiáng)。對(duì)比三者最大三相接觸線(xiàn)（最大TPC）長(zhǎng)度可知，其大小關(guān)系為1.5×10-4mol/L＜5×10-5mol/L＜8×10-5mol/L。這表明，在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)，量濃度為8×10-5mol/L 溶液鋪展最快，5×10-5mol/L 的溶液次之，可忽略其向煤塊內(nèi)部的滲入；而1.5×10-4mol/L 的溶液鋪展最慢，但對(duì)比溶液潤(rùn)濕能力可知，理論上1.5×10-4mol/L 的溶液鋪展應(yīng)是最快的，但是實(shí)際測(cè)得的卻最小，分析應(yīng)該是由于其量濃度太大，導(dǎo)致鋪展過(guò)程中發(fā)生了向煤塊里層的滲入，所以會(huì)發(fā)生三相接觸線(xiàn)較短的現(xiàn)象，證實(shí)了其潤(rùn)濕能力最強(qiáng)的結(jié)論。

表1 不同量濃度AEO9 溶液的表面力相關(guān)參數(shù)Table 1 Measured parameters related to the surface force of different concentrations of AEO9 solution

之后煤塊停滯期間，各曲線(xiàn)斜率沒(méi)有之前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化的快慢對(duì)比那么明顯，分析原因是此過(guò)程沒(méi)有外力作用，且3 種量濃度值差異較小，所以液體潤(rùn)濕煤塊速度的快慢沒(méi)有顯著差別。煤塊接著向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，量濃度為1.5×10-4mol/L 的試劑引力的“突然增大時(shí)刻”明顯比其它2 條曲線(xiàn)更快到達(dá)，說(shuō)明溶液在所受外界施加的拉力比較小時(shí)，就會(huì)到達(dá)其將要斷裂的點(diǎn)，所以液體更容易斷裂。相反，量濃度更小的試劑需要煤塊繼續(xù)向下才會(huì)使得毛細(xì)液橋被“拉斷”。表1 中，3 種試劑能夠達(dá)到斷裂時(shí)所需的最大引力也隨著量濃度的增大逐漸減小，說(shuō)明量濃度越大，液體越有利于其被分散成小液滴，增加了與煤塵顆粒碰撞的概率，潤(rùn)濕煤塵的能力越強(qiáng)。

2.3 相同量濃度不同試劑與煤塊相互作用動(dòng)態(tài)過(guò)程

為了探究脂肪醇聚氧乙烯醚（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為AEO）系列的不同表面活性劑對(duì)溶液與煤塊相互作用的影響，實(shí)驗(yàn)選取了基團(tuán)和鏈結(jié)構(gòu)相同但氧乙烯鏈聚合程度不同，量濃度均為1.5×10-4mol/L 的3種脂肪醇聚氧乙烯醚AEO7、AEO9、AEO12 溶液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，量濃度均為1.5×10-4mol/L 的3 種試劑表面力對(duì)比如圖4，不同試劑表面力相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同試劑表面力相關(guān)參數(shù)Table 2 Relevant parameters obtained by measuring the surface force of different reagents

圖4 量濃度為1.5×10-4 mol/L 的3 種試劑表面力對(duì)比Fig.4 Comparison of surface forces of three reagents with a concentration of 1.5×10-4 mol/L

由圖4 及表2 可知，煤塊與液滴間最大斥力大小關(guān)系為AEO9＜AEO7＜AEO12，表明量濃度同為1.5×10-4mol/L 的3 種試劑中，AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塵的效率最高，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。對(duì)比3 種試劑到達(dá)最大斥力所用時(shí)間可知，其大小關(guān)系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。表明3 種試劑中，AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塊速率最快，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。將3 種試劑對(duì)煤塊的潤(rùn)濕效率和潤(rùn)濕速率綜合對(duì)比，可知AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塵的能力最強(qiáng)。對(duì)比三者最大三相接觸線(xiàn)可知，三者長(zhǎng)度大小關(guān)系為AEO9＜AEO7＜AEO12，表明在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)，AEO12 溶液鋪展最快，AEO7 溶液次之，AEO9 溶液鋪展最慢，與其潤(rùn)濕煤塵能力正好相反，說(shuō)明AEO7 溶液和AEO9 溶液液滴在煤塊表面鋪展的同時(shí)，均會(huì)有明顯地向煤塊里層滲透的現(xiàn)象，且AEO9 溶液比AEO7 溶液滲透的更多，所以也證實(shí)了其潤(rùn)濕能力最強(qiáng)的結(jié)論。從3 種試劑分子結(jié)構(gòu)角度分析：AEO7、AEO9、AEO12 的疏水端鏈結(jié)構(gòu)一致，親水端鏈長(zhǎng)依次變長(zhǎng)，理論上AEO7 溶液液滴潤(rùn)濕煤塵效果最差，AEO12 溶液潤(rùn)濕最強(qiáng)。但實(shí)際測(cè)得AEO9 溶液潤(rùn)濕性最強(qiáng)，可能是因?yàn)锳EO12鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)，分子在水中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)反而變得較慢，導(dǎo)致分子吸附到液體表層的速率變慢，從而導(dǎo)致其潤(rùn)濕性變差。

后續(xù)過(guò)程中，對(duì)比差異比較明顯的是，煤塊與液滴脫離接觸時(shí)液滴斷裂所需要的最大引力，也是AEO9 溶液最小，說(shuō)明AEO9 溶液最容易分散成小液滴。這樣，AEO9 溶液液滴可以更好地分散，增大與煤塵之間的碰撞概率，以達(dá)到更高的降塵效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）實(shí)驗(yàn)測(cè)量了量濃度分別為5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L 的表面活性劑AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塊的相互作用過(guò)程，來(lái)考察表面活性劑量濃度對(duì)相互作用的影響。測(cè)量結(jié)果表明，3 個(gè)量濃度溶液最大斥力為5×10-5mol/L＞8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。到達(dá)最大斥力所用時(shí)間大小關(guān)系為：5×10-5mol/L≈8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。則綜合考慮3 種量濃度溶液潤(rùn)濕煤塵的效率和速率可知量濃度為1.5×10-4mol/L 的溶液潤(rùn)濕煤塵能力最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)所測(cè)最大引力隨著溶液量濃度增大，逐漸減小，說(shuō)明液滴越容易被拉斷，在實(shí)際應(yīng)用中越容易被分散成小液滴，加大與煤塵顆粒結(jié)合的概率，降塵效率將更高。

2）實(shí)驗(yàn)測(cè)量了量濃度為1.5×10-4mol/L的3 種表面活性劑AEO7、AEO9、AEO12 溶液液滴潤(rùn)濕煤塊的相互作用過(guò)程，來(lái)考察表面活性劑種類(lèi)對(duì)相互作用的影響。測(cè)量結(jié)果表明，3 種試劑最大斥力大小關(guān)系為AEO9＜AEO7＜AEO12。對(duì)比到達(dá)3 種試劑到達(dá)最大斥力所用時(shí)間，可知其大小關(guān)系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。綜合考慮3 種試劑對(duì)煤塊的潤(rùn)濕效率和潤(rùn)濕速率，可知AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塵的能力最強(qiáng)。三者最大引力大小關(guān)系為：AEO9 ＜AEO7 ＜AEO12，則AEO9 溶液最易分散成小液滴與煤塵結(jié)合，以達(dá)到較高的降塵效率。