礦用泡沫除塵劑除塵機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

邢夢(mèng)瑤,徐榮蕭 ,王宗陽(yáng),張樹(shù)立

(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600)

隨著煤礦井下機(jī)械化程度的不斷提高，采掘工作面在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，在沒(méi)有任何防塵措施的情況下，采掘工作面的粉塵濃度為1200～1500 mg/m3，個(gè)別地方達(dá)到3000 mg/m3左右，粉塵中呼吸性粉塵的濃度接近60%[1]。高濃度粉塵的危害性主要有以下三點(diǎn)：一是高濃度粉塵導(dǎo)致工人工作環(huán)境惡劣，是引發(fā)井下工人塵肺病的主要原因，嚴(yán)重危害礦工的身心健康。二是高濃度粉塵會(huì)降低工作現(xiàn)場(chǎng)的能見(jiàn)度、增加機(jī)械的磨損率、降低現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用壽命，增加工礦企業(yè)的成本。三是粉塵具有爆炸性，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有嚴(yán)重影響。因此，解決煤礦采掘工作面高濃度粉塵問(wèn)題是一個(gè)十分重要且亟待解決的技術(shù)難題。

目前，國(guó)內(nèi)外主要采取了煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、通風(fēng)除塵、化學(xué)抑塵等措施來(lái)降低粉塵濃度。 但事實(shí)證明，這些措施均存在一定的不足和局限性，都沒(méi)有很好的解決礦井高濃度粉塵問(wèn)題，煤礦采掘工作面工作現(xiàn)場(chǎng)仍然存在粉塵濃度超標(biāo)的現(xiàn)象。 因此，進(jìn)行礦用泡沫除塵劑除塵機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究，探索新型高效除塵技術(shù)，對(duì)于保證礦井安全生產(chǎn)以及保證工人身心健康意義重大。

1 礦用泡沫除塵劑除塵機(jī)理

1.1 泡沫的生成

煤礦井下泡沫除塵技術(shù)所用的水來(lái)自井下防塵用水，所用的空氣來(lái)自井下壓風(fēng)，泡沫除塵技術(shù)是通過(guò)比例添加泵將泡沫除塵劑添加到防塵管路中形成泡沫除塵液，再將泡沫除塵液輸送到發(fā)泡裝置中，同時(shí)將壓風(fēng)管路中的空氣壓入發(fā)泡器中，發(fā)泡器所形成的泡沫通過(guò)泡沫輸送管道到達(dá)塵源將塵源覆蓋，最終達(dá)到除塵的目的[2]。

1.2 泡沫捕塵機(jī)理

泡沫除塵劑是一種表面活性劑，它的分子由親水基和疏水基構(gòu)成，溶于水后在水的表面形成親水基向內(nèi)、疏水基向外(即朝向空氣)的混合吸附分子層[3]。因此，泡沫除塵劑形成的泡沫液膜分子也呈現(xiàn)出親水基向內(nèi)，疏水基向外的特性(如圖1所示)，當(dāng)泡沫與煤塵接觸時(shí)，率先接觸煤塵的將是泡沫液膜分子的疏水基團(tuán)(又稱為親油基)，疏水基由較長(zhǎng)的有機(jī)碳鏈組成，類似于煤塵表面的分子特征，比水分子更容易吸附分子，因此，泡沫除塵技術(shù)的除塵效果與其他除塵措施相比均有顯著提高。

泡沫捕塵的過(guò)程可以分為攔截、粘附、濕潤(rùn)和沉降四個(gè)過(guò)程[4]，塵源產(chǎn)生的粉塵在向外擴(kuò)散的過(guò)程中被泡沫液膜表面的親水基所吸附并潤(rùn)濕，隨著吸附的煤塵量越來(lái)越多，泡沫液膜在潤(rùn)濕過(guò)程中也越來(lái)越薄，最終破碎并隨潤(rùn)濕后的煤塵一起沉降，從而達(dá)到除塵的目的。

1-泡沫；2-泡沫液膜疏水基端；3-泡沫液膜分子；4-泡沫液膜親水基端

2 礦用泡沫除塵劑實(shí)驗(yàn)研究及配方優(yōu)選

2.1 礦用泡沫除塵劑的實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的優(yōu)選

泡沫的除塵效果與泡沫除塵劑的配方有很大的關(guān)系，泡沫除塵劑通常由發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和潤(rùn)濕劑組成。為了研制具有高發(fā)泡倍數(shù)和良好除塵效果的泡沫除塵劑，首先優(yōu)選了十二烷基笨磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基(二甲基)甜菜堿、月桂酰胺丙基甜菜堿、十六烷基磺酸鈉和改性烷基糖苷做發(fā)泡劑；三乙醇胺、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺和可溶性淀粉做穩(wěn)泡劑；二辛基磺基琥珀酸鈉、壬基酚聚氧乙烯醚、快T、JFC和OP-10做潤(rùn)濕劑。具體實(shí)驗(yàn)方法如下：將發(fā)泡劑配置成0.1%～1%(兩種濃度間隔0.1%)不同濃度的溶液，通過(guò)改進(jìn)的ROSS-Miles 法(如圖2所示)分別測(cè)量各種發(fā)泡劑在不同濃度時(shí)的發(fā)泡倍數(shù)及半衰期(將450mL試劑溶液從50cm處滴入50mL相同濃度的溶液中，記錄溶液滴完后0min和5min泡沫體積，將其分別作為該試劑在該濃度下的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期，重復(fù)三次取平均值)，從而確定出各種發(fā)泡劑的最優(yōu)濃度。進(jìn)而將每一種發(fā)泡劑以最優(yōu)濃度與穩(wěn)泡劑復(fù)配，穩(wěn)泡劑濃度在0.01%～0.1%(兩種濃度間隔0.01%)之間各不相同，分別測(cè)量復(fù)配后溶液的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期，最后確定出各種穩(wěn)泡劑的最優(yōu)濃度。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終篩選出了三種發(fā)泡倍數(shù)最高、泡沫穩(wěn)定性最強(qiáng)的泡沫除塵劑配方。配方一：將質(zhì)量濃度為0.7%的發(fā)泡劑脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉與質(zhì)量濃度為0.02%的穩(wěn)泡劑羧甲基纖維素復(fù)配；配方二：將質(zhì)量濃度為0.5%的發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉與質(zhì)量濃度為0.06%的穩(wěn)泡劑可溶性淀粉復(fù)配；配方三：將質(zhì)量濃度為0.9%的發(fā)泡劑改性烷基糖苷與質(zhì)量濃度為0.03%的穩(wěn)泡劑三乙醇胺復(fù)配。

圖2 羅氏泡沫儀

圖3 DSA100視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x

2.1.2 潤(rùn)濕劑的優(yōu)選

按上述實(shí)驗(yàn)得出的三種最優(yōu)配方配制溶液并分別與五種潤(rùn)濕劑復(fù)配且潤(rùn)濕劑的濃度從0.1%～1%(兩種濃度間隔0.1%)不等，通過(guò)壓片機(jī)將相同煤質(zhì)的煤粉壓成2 cm厚的煤餅，然后將配置好的泡沫除塵劑溶液滴到煤餅的表面上，用DSA100視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(如圖3所示)測(cè)量泡沫除塵劑的接觸角以得出潤(rùn)濕劑效果的好壞從而對(duì)潤(rùn)濕劑進(jìn)行篩選。

2.2 礦用泡沫除塵劑配方的確定

通過(guò)對(duì)比分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到泡沫除塵劑CNSD-1，其發(fā)泡能力最強(qiáng)，穩(wěn)定性最好，潤(rùn)濕性最好。其組成成分為：質(zhì)量濃度為0.5%的十二烷基硫酸鈉，質(zhì)量濃度為0.06%的可溶性淀粉，質(zhì)量濃度為0.3%的二辛基磺基琥珀酸鈉。改進(jìn)的ROSS-Miles 法實(shí)驗(yàn)中該泡沫除塵劑溶液滴完后0min其泡沫體積平均為580mL，5min以后泡沫體積平均為450mL，將其滴到煤餅表面后10s即可完全滲入煤餅中。

表1 泡沫除塵劑CNSD-1的改進(jìn)ROSS-Miles 法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 泡沫除塵劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)研制出的泡沫除塵劑CNSD-1在白莊煤礦7308綜掘工作面配以發(fā)泡器進(jìn)行應(yīng)用，將其產(chǎn)生的泡沫輸送到掘進(jìn)迎頭將迎頭覆蓋，從而抑制粉塵擴(kuò)散，結(jié)果顯示，泡沫除塵劑CNSD-1的除塵效率大大超過(guò)其他防塵措施的降塵率，效果顯著。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之后的粉塵濃度測(cè)定結(jié)果如表2～表4所示。

表2 不使用任何降塵措施時(shí)工作面現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度

表3 使用傳統(tǒng)降塵措施后工作面現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度

表4 使用本泡沫除塵劑降塵后工作面現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度

通過(guò)表2～表4的數(shù)據(jù)可知，使用傳統(tǒng)降塵措施后，呼吸性粉塵的平均降塵效率僅為53.4%，全塵的降塵效率的平均值為54.4%，而采用本泡沫除塵劑進(jìn)行降塵以后，呼吸性粉塵的平均降塵率提高到86.08%，全塵平均降塵率提高到96.35%，與傳統(tǒng)的降塵措施相比，泡沫除塵劑CNSD-1的除塵率更高，降塵效果更加理想。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)研究泡沫除塵的機(jī)理，得出泡沫除塵主要包括攔截、粘附、濕潤(rùn)和沉降四個(gè)過(guò)程，泡沫除塵劑是一種表面活性劑，其分子分為親水基和疏水基兩部分，在這兩部分中，疏水基對(duì)泡沫除塵效率的高低至關(guān)重要。

(2)通過(guò)改進(jìn)的ROSS-Miles 實(shí)驗(yàn)和接觸角測(cè)定實(shí)驗(yàn)獲得了了一種最優(yōu)的泡沫除塵劑CNSD-1。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出泡沫除塵劑CNSD-1對(duì)呼吸性粉塵的平均降塵率為86.08%，對(duì)全塵平均降塵率為96.35%。