沉積煤塵層表面滲透潤濕模型的試驗研究?

鄭源臻李慶釗代華明阮馬良趙明哲王 可

(1.中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

★煤礦安全★

沉積煤塵層表面滲透潤濕模型的試驗研究?

鄭源臻1,2李慶釗1,2代華明1,2阮馬良1,2趙明哲1,2王 可1,2

(1.中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

采用光學法液滴形態(tài)分析(DSA)系統(tǒng),研究了不同表面活性劑液體對沉積煤塵層的潤濕過程。在分析潤濕機理的基礎上,建立了沉積煤塵層表面的滲透潤濕模型,并用接觸角試驗數(shù)據(jù)進行驗證。結(jié)果表明,液體在沉積煤塵上發(fā)生明顯滲透作用,表現(xiàn)為接觸角迅速減小,直到減小到零。模型擬合的相關系數(shù)均大于0.92646,說明用該模型描述潤濕劑在沉積煤塵層表面的滲透潤濕過程具有較好的效果。

沉積煤塵 潤濕模型 滲透作用 接觸角

煤塵是煤炭開發(fā)利用過程中最重要的污染物。井下飛揚的煤塵不僅危害工人的身體健康,也可能引發(fā)嚴重的安全事故。為了解決煤塵問題,近些年,使用化學抑塵劑控制粉塵的固化技術越來越受到重視。固化抑塵技術是通過在沉積煤塵層表面噴灑化學抑塵劑,增加水對煤塵的潤濕能力,迅速滲透沉積煤塵的表層并凝結(jié)固化,形成連續(xù)完整的軟膜或者硬殼,把粉塵顆粒限制在固化層內(nèi),防止粉塵飛揚。

由于化學抑塵劑的廣泛運用,很多學者已經(jīng)開始研究表面活性劑對煤塵的潤濕行為,也構建了相應的潤濕動力學模型。但是現(xiàn)有模型并不能很好反映潤濕劑對沉積煤塵層的潤濕過程。在對沉積煤塵層潤濕時,應該考慮到沉積煤塵層的顆粒結(jié)構并不致密,滲透作用應該占據(jù)整個潤濕過程的主導作用,使得液滴迅速完全滲入粉塵層。為了更好反映現(xiàn)場實際效果,建立了專門針對沉積煤塵層的表面滲透潤濕模型,并通過DSA型光學法液滴形態(tài)分析系統(tǒng)測定試驗數(shù)據(jù)進行驗證。

1 沉積煤塵的潤濕滲透機理分析

本研究的目的是為了進一步強化固化抑塵技術。固化抑塵技術是一種綜合利用物理法和化學法的抑塵方法,有如下3種作用機理:

(1)凝并成殼作用機理,利用抑塵劑中的增粘劑、凝并劑迅速增加降塵顆粒之間的粘結(jié)性能,同時增加強度,使沉積煤塵層的表面形成一層固化層;

(2)粘結(jié)成膜作用機理,利用成膜性良好的聚合物形成覆蓋沉積煤塵表面的完整軟膜;

(3)保水作用機理,通過抑塵劑內(nèi)的吸濕劑、保水劑抵抗水分蒸發(fā)流失,保持沉積煤塵的濕度,阻止粉塵飛揚。

從液體對煤塵潤濕的角度分析,當潤濕劑或者水等液體噴灑在沉積煤塵層的表面時,會發(fā)生兩個主要潤濕過程:液體沿著粉塵層表面開始橫向擴散作用,表現(xiàn)為接觸角逐漸減小;液體垂直粉塵表面縱向滲透作用,表現(xiàn)為接觸角急劇減小。

常見的對密實煤塵層潤濕過程中,接觸角隨時間變化會越來越小,最后達到一個平衡接觸角。但對象是沉積煤塵時現(xiàn)象則有所不同,由于沉積煤塵層的形成沒有外力加壓或者外部壓力因素影響較小,粉塵不會形成如同煤體一樣的致密結(jié)構,而是成為具有較大孔隙容易滲透的粉塵層。較大的孔隙結(jié)構出現(xiàn)在煤塵表面,使得液體容易通過孔隙直接滲入粉塵層,表現(xiàn)為液體滴在粉塵表面上時,縱向滲透作用將占據(jù)主導作用,橫向擴散作用起次要作用,最終使得液滴迅速滲入粉塵層,液體與煤塵表面的接觸角迅速降為零。

2 沉積煤塵層表面潤濕滲透模型的建立

研究表明,當潤濕劑溶液滴在沉積煤塵層表面時,液滴與沉積煤塵層表面形成的接觸角會迅速降低,隨著時間推移這個接觸角下降幅度也會減少,最后由于液滴完全滲入煤塵,導致接觸角降為零。

在此過程中,對于理想的沉積煤塵層表面,潤濕劑與煤層的接觸角變化的數(shù)學模型為:

式中:K(t)——接觸角變化率,(°)/s;

t——潤濕時間,s;

θ——接觸角,(°)。

假設液滴與沉積煤塵層表面的初始接觸角為θ0,完全滲透潤濕時的時間為tg,此時K(t)＝Ke。

因此K(t)滿足:當t＝0時,θ＝θ0,K(t)＝K;當t＝tg時,θ＝0,K(t)＝Ke。經(jīng)過計算化簡,K(t)可以表示為:

式中:K——開始滲透時接觸角變化率,(°)/s;

Ke——完全滲透時接觸角變化率,(°)/s。

將式(2)代入式(1),通過積分和整理,再代入上面的已知條件簡化,沉積煤塵層表面潤濕滲透過程方程可以表示為:

式中:θ0——初始接觸角,(°);

tg——完全滲透時間,s。

3 潤濕滲透模型的試驗驗證

3.1 接觸角的測定方法

使用769YP－15A粉末壓片機可以準確控制壓片壓力,選用適當粒徑的煤塵壓制成符合要求的粉塵層。本試驗中采用新疆神華煤礦某采區(qū)的80～100目的煤塵,在6 MPa的小壓力下制得壓片,所得壓片有較大的孔隙結(jié)構,也有比較光滑平整的粉塵表面,可以有效模擬真實的沉積煤塵層。試驗裝置和壓片如圖1所示。

圖1 粉末壓片機與壓片

使用DSA型光學法液滴形態(tài)分析系統(tǒng)測試接觸角。DSA分析系統(tǒng)可以利用懸滴法測試液滴的表面張力,也可以利用躺滴法動態(tài)跟蹤液滴在試樣表面的變化過程,包括接觸角隨時間的變化過程,操作簡單,精度高,具備錄像和截圖功能,可以有效測定試驗數(shù)據(jù),接觸角測量范圍為0°～180°。

圖2為連續(xù)拍攝的去離子水、0.16%烷基多糖苷表面活性劑溶液對沉積煤塵層滲透潤濕的試驗圖像。由圖2可以看出,去離子水幾乎不發(fā)生潤濕過程。而表面活性劑溶液滴落在煤塵層表面上時,會在煤塵層表面處形成初始接觸角;由于制得的煤塵壓片容易滲透,隨著時間推移接觸角會一直發(fā)生變化,最終接觸角降為零。

圖2 接觸角隨時間的變化

利用這個方法,分別測試0.05%、0.1%、0.2%十二烷基苯磺酸鈉(簡稱SDBS)和0.04%、0.08%、0.16%烷基多糖苷(簡稱APG)兩種表面活性劑溶液在特定沉積煤塵層表面上的接觸角數(shù)據(jù)。

3.2 潤濕滲透模型的驗證

對實際得到的試驗數(shù)據(jù)進行模型驗證,將滲透潤濕方程即式(3)定義為擬合曲線公式,根據(jù)試驗測定的接觸角數(shù)據(jù)確定初始接觸角θ0和潤濕時間tg,將參數(shù)值代入軟件進行曲線擬合,最后可得到擬合曲線圖、具體滲透潤濕方程、擬合曲線K值和擬合曲線決定系數(shù)R2。結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 不同濃度表面活性劑在特定沉積煤塵層表面的潤濕擬合曲線

表1 滲透潤濕模型回歸數(shù)據(jù)

其中擬合曲線決定系數(shù)R2可以衡量擬合曲線與實際數(shù)據(jù)的擬合程度,其值越接近1,說明擬合效果越好。

從圖3和表1中可以看出:

(1)各條曲線的決定系數(shù)均大于0.9265,最高時可達0.9957,擬合效果較好,說明所建立的模型是有效的,可以較好模擬液滴在沉積煤塵層表面的潤濕和徹底滲透過程。

(2)當使用去離子水滴在沉積煤塵表面,不發(fā)生潤濕。當加入各類活性劑后,初始接觸角迅速降低,液體開始發(fā)生明顯的潤濕滲透。且隨著濃度的增加,初始接觸角明顯減小。

(3)液體對沉積煤塵的滲透潤濕效果可以通過K值或者潤濕時間直觀反映。對于SDBS溶液,潤濕效果隨著濃度增加先增大后減小,當濃度為0.1%時潤濕的效果最好,K值最大,為127.5;對于APG溶液,潤濕效果隨著濃度增加而增加,當濃度為0.16%時潤濕效果最好,K值越大,為46.95。

(4)K越大,說明滲透作用的效果越好,潤濕時間也就越小。但K反映的是潤濕劑與特定沉積煤塵層共同作用的結(jié)果,不能單純反映潤濕劑的潤濕效果。比如0.05%SDBS和0.04%APG對沉積煤塵層的初始接觸角接近,但K值則有巨大差異。

(5)該模型也存在一定問題,比如擬合潤濕時間總是低于實際潤濕時間,末期擬合曲線明顯誤差較大。所以該模型還需要進一步改進。

4 結(jié)語

根據(jù)煤塵潤濕機制和沉積煤塵層的特點,建立了液體對沉積煤塵層表面的滲透潤濕模型。潤濕滲透的效果可以用K或者潤濕時間tg直觀反映。試驗記錄了幾種不同濃度表面活性劑溶液在特定沉積煤塵層表面的接觸角變化情況,并用構建的模型進行擬合。該模型考慮到了沉積煤塵層顆粒結(jié)構并不致密,液體滲透作用將占據(jù)整個模型的主導作用。結(jié)果表明,該模型可以較好反映液體在沉積煤塵層表面的滲透潤濕過程。該模型的建立為滲透固化抑塵技術提供了理論基礎,為相關化學抑塵劑的開發(fā)提供了參考。

[1] 黃群,李文凱等.淺談礦井煤塵的防治方法[J].中國城市經(jīng)濟,2011(17)

[2] 白向兵,劉建等.城市揚塵污染和抑塵劑研究現(xiàn)狀及展望[J].陜西理工學院學報(自然科學版), 2005(4)

[3] 李增高,丘飛程.控制揚塵污染措施探討[J].山東環(huán)境,2002(1)

[4] 劉生玉,蘇立紅等.散料表層滲透固化機理及技術應用研究[J].煤炭學報,2011(S1)

[5] 吳超.化學抑塵[M].長沙:中南大學出版社, 2003

[6] 劉生玉,李雪輝等.控制煤塵污染固化劑的研制[J].中國煤炭,2010(4)

[7] 楊靜,劉丹丹等.化學抑塵劑的研究進展[J].化學通報,2013(4)

[8] 楊靜,譚允禎等.煤塵潤濕動力學模型的研究[J].煤炭學報,2009(8)

[9] 李慶釗,林柏泉等.礦井煤塵的分形特征及對其表面潤濕性能的影響[J].煤炭學報,2012(S1)[10] Li Q.Z.,Lin B.Q.,Zhao S.et.al.Surface physical properties and its effects on the wetting behaviors of respirable coal mine dust[J].Powder Technology,2013(1)

[11] 陳汝棟,于延榮.數(shù)學模型與數(shù)學建模[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006

[12] 韓國強.數(shù)值分析[M].廣州:華南理工大學出版社,2005

Experimental study on wetting and permeating model of fallen coal dust surface

Zheng Yuanzhen1,2,Li Qingzhao1,2,Dai Huaming1,2, Ruan Maliang1,2,Zhao Mingzhe1,2,Wang Ke1,2
(1.School of Safety Engineering,China University of Mining&Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Wetting process of the different surfactant liquid to the fallen coal dust was studied by adopting the droplet shape analysis(DSA)system of optical method.The wetting and permeating model of fallen coal dust surface was established and verified by means of contact angle data on a basis of wetting mechanism analysis.The result shows that the surfactant liquid has obviously permeation effect on the fallen coal dust,presenting that the contact angle rapidly reduced,until to zero.The correlation coefficient of fitting model is higher than 0.92646,which shows that the model can well describe the wetting process of the wetting agents to the fallen coal dust.

fallen coal dust,wetting model,permeation effect,contact angle

TD714

A

鄭源臻(1990－),男,碩士研究生,主要從事粉塵防治技術方面的研究。

(責任編輯 張艷華)

國家自然科學基金資助項目(51204169),江蘇省自然科學基金資助項目(BK20131115)