煤樣試片制備方法對(duì)煤水接觸角測(cè)定影響分析①

閆智婕 陳學(xué)習(xí) 許鴻雁

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山 063009;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601)

煤樣試片制備方法對(duì)煤水接觸角測(cè)定影響分析①

閆智婕1②陳學(xué)習(xí)2許鴻雁1

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北唐山 063009;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,北京東燕郊 101601)

在分析研磨法制備煤樣測(cè)定煤水接觸角優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用壓制煤樣試片制備方法,壓制了兩組具有光滑表面的煤樣試片。利用 FTA-200新型動(dòng)態(tài)接觸角分析儀分別在兩組煤樣試片表面測(cè)定了其接觸角,并對(duì)測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值分析,結(jié)果表明:在壓制煤樣試片上測(cè)得的接觸角比較準(zhǔn)確,工作量小,可重復(fù)性好。

煤樣制備;煤水接觸角;試驗(yàn)測(cè)定

0 引言

研究煤的潤(rùn)濕性,最簡(jiǎn)單直觀的方法是測(cè)定煤表面的接觸角。在接觸角測(cè)定過(guò)程中,煤樣制備是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前常用的煤樣制備方法有兩種:研磨法和壓制煤樣試片法。傳統(tǒng)的研磨法操作復(fù)雜,工作量大,而且受研磨方法的影響,在所制備的煤樣上,不能得到誤差較小的接觸角可信值;而利用壓制煤樣試片測(cè)得的接觸角誤差小且重復(fù)性好[1-2]。本文在分析研磨法制備煤樣測(cè)定接觸角優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用壓制煤樣試片制備方法,進(jìn)行了煤水接觸角測(cè)定試驗(yàn),并分析了該方法的特點(diǎn),對(duì)指導(dǎo)煤樣接觸角測(cè)定具有參考意義。

1 研磨法制備煤樣對(duì)煤水接觸角的影響分析

1.1 直接研磨法

此法通過(guò)選取原煤的塊煤,直接進(jìn)行研磨制備煤水接觸角測(cè)定所需煤樣。一些學(xué)者認(rèn)為通過(guò)研磨法制備煤樣,不會(huì)改變煤樣本身的物理化學(xué)性質(zhì),在其表面上測(cè)得的接觸角更接近真實(shí)值。在研磨時(shí),由于研磨的材料不同,會(huì)對(duì)接觸角的測(cè)定有影響,降低接觸角測(cè)定的準(zhǔn)確度。英國(guó)哥倫比亞大學(xué)在此做了大量的研究發(fā)現(xiàn)[3]:

1)首先用 600硬度的細(xì)砂紙研磨煤樣測(cè)得一接觸角值;

2)其次用 5μm和 1μm鋁粉研磨煤樣,在其面上又測(cè)取一接觸角值,其值明顯比只用 600硬度的細(xì)砂紙磨過(guò)的煤面上測(cè)得的接觸角的值要小;

3)再用 0.06μm鋁粉研磨煤樣,研磨后用拋光布進(jìn)行打磨。再次測(cè)取一接觸角值,其值又有所增大。

可見(jiàn)通過(guò)不同的研磨材料,研磨到不同的程度都會(huì)使接觸角的測(cè)定值受到影響,也并非研磨材料粒度越細(xì),測(cè)得的接觸角越準(zhǔn)確;而且這種研磨法需要重復(fù)操作,多次測(cè)量,確定煤樣表面粗糙度在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),才能取其接觸角值,步驟繁瑣,不易把握。

1.2 切割研磨法

此法首先將原煤切割成塊,然后清洗,研磨,制備出符合接觸角實(shí)驗(yàn)要求的煤樣,大致分為以下幾步[1]:

1)用 60～1200硬度不等的細(xì)砂紙對(duì)煤樣進(jìn)行帶水粗磨;

2)用蒸餾水清洗煤樣,以除去研磨時(shí)掉下的粘附在煤面上的煤粒和砂粒;

3)用干凈的毛玻璃對(duì)用細(xì)砂紙粗磨后的粗煤面再次濕磨;

4)用超聲波清洗槽對(duì)煤樣清洗幾分鐘;

5)按順序重復(fù)以上步驟 4～5次。

圖 1 粗糙表面上液滴的兩種亞穩(wěn)構(gòu)型

由于煤的不均質(zhì)性,利用研磨法制備的煤樣,原煤的不同位置,孔隙及結(jié)構(gòu)也不同,故不能保證每個(gè)煤樣表面的性質(zhì)相同,即使在同一煤樣表面的不同位置,測(cè)定出來(lái)的接觸角值也有所不同,這樣測(cè)得的接觸角誤差很大。

2 壓制煤樣試片測(cè)定煤水接觸角試驗(yàn)

2.1 壓制煤樣試片的制備

首先將原煤破碎成塊 (粒徑小于 25mm),放在真空干燥箱中干燥。待原煤徹底干燥后,放在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨。針對(duì)不同煤質(zhì)的煤樣,可以合理安排球磨時(shí)間。當(dāng)被研磨的煤樣可磨性小時(shí),煤樣越難磨,研磨生產(chǎn)率低時(shí)間消耗長(zhǎng);可磨性大時(shí),煤樣則易磨,研磨生產(chǎn)率高時(shí)間消耗短。煤樣粒度越小,越容易被磨到指定粒度[5]。

將原煤 (1#煤樣和 2#煤樣)磨到 300目粉體占80%以上。由于 300目的粉體用過(guò)篩的方法不容易將需要的粉體取出,故將粉體放在顯微鏡下觀察其直徑是否小于 48μm。傳統(tǒng)的試驗(yàn)中,是將煤粉磨到 200目粉體占 80%以上。但在本試驗(yàn)中,將煤粉磨到 200目時(shí),用模具壓制煤樣試片,其成型效果差,表面粗糙不光滑,在飽和食鹽水中浸泡 24小時(shí)之后,煤樣試片邊緣被損壞的很嚴(yán)重,而且一碰極容易碎,不能作為煤水接觸角測(cè)定的煤樣試片。通過(guò)多次試驗(yàn),將煤粉磨到 300目之后,壓制出來(lái)的試片符合試驗(yàn)要求。取粉體 500mg,用加壓成型模具在 500MPa的壓力下形成直徑 13mm,厚度2～4mm的具有壓光平面的圓柱體試片。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定儀器

利用 FTA-200新型動(dòng)態(tài)接觸角分析儀 (下文簡(jiǎn)稱 FTA-200)測(cè)定溶液的相關(guān)性能參數(shù)。FTA-200是一款用于測(cè)量接觸角、表 /界面張力、潤(rùn)濕性和吸附性的非常靈活的視頻系統(tǒng),觀察到的圖象可存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中用于以后的處理。抓圖速度可從 60幅 /s變化到 1幅 /幾小時(shí),且該指標(biāo)可根據(jù)需要進(jìn)行非線性的調(diào)整。瞬時(shí)分析功能可持續(xù)地抓圖并且在啟動(dòng)之后調(diào)用任何數(shù)量的圖片。本試驗(yàn)中采用的是 10幅/s,這樣就可以在很短的時(shí)間內(nèi)拍下幾百?gòu)垐D片,消除了煤樣試片表面液滴蒸發(fā)的影響。儀器外形見(jiàn)圖 2,滴在煤樣試片上的形狀見(jiàn)圖 3。

圖 2 FTA-200接觸角測(cè)定儀

圖 3 煤樣試片上的液滴形狀

大多數(shù)情況下,表面張力測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 0.5mN/m,接觸角測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 1°。實(shí)際測(cè)量結(jié)果會(huì)因樣本制備、圖像聚焦、臺(tái)面震動(dòng)和空氣流動(dòng)而有輕微影響。FTA-200接觸角和張力的分辨率都是 0.1個(gè)單位,因此測(cè)量精度高。

2.3 煤水接觸角測(cè)量結(jié)果分析

在煤樣試片的壓光平面上,接觸角實(shí)驗(yàn)的液滴很小,可以忽略重力的影響,而表面張力的影響增強(qiáng),液滴表面形狀會(huì)近似于球形。圖 4所示的球形為儀器下接觸角平面切開(kāi)的形狀。在煤樣試片的壓光平面上的水滴,即通過(guò) FTA-200測(cè)定出來(lái)的接觸角為視接觸角θ1,其值可用式 (1)表示:

式中,h—水滴的高度,m;

a—水滴的底面半徑,m。

圖 4 煤樣試片表面液滴的視接觸角

然而,水滴越小,蒸發(fā)的影響就越大。因此,在測(cè)量接觸角時(shí)對(duì)液滴進(jìn)行快速攝影是非常必要的。否則,會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象,測(cè)出接觸角的值幅度變大,臨界值的再現(xiàn)性也就變差,很難得到可信值。對(duì)于圖 4所示的水滴,采用直接讀數(shù)測(cè)定接觸角,必須注意:

1)接觸角測(cè)定儀中的讀數(shù)為視接觸角,而非真實(shí)接觸角;

2)成型煤粉表面并非完全平滑,而充滿微小孔隙[6],在測(cè)定前,要對(duì)成型煤樣用飽和食鹽水進(jìn)行完全浸泡 24h,讓液體充滿煤樣試片微小孔隙以減少其影響。

實(shí)驗(yàn)中分別采用了Ⅰ、Ⅱ兩種陰離子和非離子表面活性劑溶液及蒸餾水對(duì) 1#、2#兩個(gè)煤樣試片做了接觸角分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5-7所示。

圖 5 煤樣在Ⅰ溶液下的接觸角值變化

圖 6 煤樣在Ⅱ溶液下的接觸角值變化

圖 7 煤樣在蒸餾水下的接觸角值變化

根據(jù)所測(cè)得的接觸角的值,利用標(biāo)準(zhǔn)差公式

可以計(jì)算 1#、2#兩個(gè)煤樣試片在每種溶液下接觸角的標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果如表 1所示。

表 11#、2#煤樣在各種溶液下的接觸角值的標(biāo)準(zhǔn)差

通過(guò)圖 5-7可以看出,雖然不同的表面活性劑和蒸餾水所測(cè)得的接觸角值不同,但是每一個(gè)值都在平均值附近上下波動(dòng),幅度很小。用標(biāo)準(zhǔn)差衡量其離散程度,結(jié)果不超過(guò) 0.28,故每一個(gè)接觸角值都可以作為煤水的視接觸角,不需要多次重復(fù)取其平均值。由此可以說(shuō)明這種測(cè)量方法的誤差小,重復(fù)性好,操作簡(jiǎn)單,工作量小。

3 結(jié)論

1)采用研磨法制備煤樣試片測(cè)量接觸角,煤樣制作要求高、工作量大,所測(cè)得的接觸角受表面粗糙度的影響較大,可重復(fù)性差。

2)壓制煤樣試片測(cè)定煤水接觸角,操作簡(jiǎn)單,適用性強(qiáng),且測(cè)得的誤差較小,再現(xiàn)性高。

3)在測(cè)定接觸角值時(shí),利用壓制的煤樣試片模擬整個(gè)煤層,忽略了孔隙率的影響,這種模擬誤差是存在的。

[1]王彩云,梅國(guó)民,楊建國(guó) .煤的潤(rùn)濕性測(cè)量中煤樣制備方法的探討 [J].潔凈煤技術(shù),2005,11(2)

[2]許志華 .煤炭加工利用概論 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1988

[3]J.S.Laskowski.Coal Flotation and Fine CoalUtilization[M].Elsevier Science Press,2001

[4]徐燕莉 .表面活性劑的功能 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004

[5]羅杰 .球磨機(jī)在煤樣制備中的應(yīng)用[J].煤質(zhì)技術(shù),2008,1(1)

[6]解興智,傅貴 .煤潤(rùn)濕性測(cè)量方法的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(2)

The Influence of Coal Sample Preparation M ethod on the Determ ination of Coal-water Contact Angle Analysis

YAN Zhijie1,CHEN Xuexi2,XU Hongyan1

(1.HebeiUnited University,Tangshan Hebei 063009;2.North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

In the analysis of coal samples prepared by grinding the contact angle measured on the basis of advantages and disadvantages of using compressed coal sample specimen preparationmethods,suppression of the two coal sampleswith smooth surface specimens.Using FTA-200 contact angle analyzerwith new-type dynamic to measure the surface contact angle of two coal samples respectively,and analyze the standard deviation of determination.The results showed that:the contact angle is accurate,smallworkload and reproducible in the suppression of coal specimen.

coal preparation;coal-water contact angle;test determination

TD921

A

1672-7169(2011)02-0066-04

2011-03-11

閆智婕 (1984-),女,河北張家口人,碩士研究生,河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,研究方向:礦山環(huán)境保護(hù)。