增稠型煤礦高效泡沫降塵劑試驗研究

曹 桐，蘭文龍，孟慶國，周 振，張道鵬

(山東理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

在煤炭資源的開采挖掘過程中，除了會產(chǎn)生瓦斯等易燃易爆氣體外，煤塵已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要原因和最主要的自然災(zāi)害。礦井煤塵主要產(chǎn)生于機械開采挖掘的切割過程和傳送運輸?shù)膿P起過程，隨著煤炭開采機械化程度的不斷提高，日益增長的煤炭開采量導(dǎo)致生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤塵濃度也越來越高。

因此，如何有效降低礦井煤塵濃度，已經(jīng)成為煤炭企業(yè)迫切需要解決的問題。一方面，礦井下的工作采掘面煤塵濃度過大，將會引發(fā)煤礦爆炸事故。據(jù)煤炭行業(yè)相關(guān)部門不完全統(tǒng)計，每年都有因煤塵濃度過高而引發(fā)的安全事故；與此同時，煤礦工人因吸入煤塵而患有塵肺病的案例也逐年攀升[1-4]。塵肺病給煤炭操作工人身體帶來的損害以及由此產(chǎn)生的巨額醫(yī)療費用，也已經(jīng)成為煤炭企業(yè)一項不能忽視的經(jīng)濟負擔(dān)。目前，礦井煤塵給煤礦企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境帶來的重大安全隱患和給礦井工人帶來重大健康隱患，已然成為制約煤炭企業(yè)持續(xù)、綠色、高效、安全發(fā)展的主要原因[5-7]。為了保障煤礦企業(yè)安全高效生產(chǎn)，必須從源頭上采取有效降塵措施。

目前，國內(nèi)外為了治理礦井煤塵，主要采用通風(fēng)、噴霧、煤層注水和化學(xué)抑塵等措施。雖然這些降塵措施能夠有效地降低煤塵的危害，提高降塵捕捉效果，但是對于呼吸性煤塵的效果卻不夠明顯。針對這一實際問題，國內(nèi)外研究人員將研究重點放到了耗水量少、覆蓋面積廣、潤濕性好、黏附性強的泡沫降塵技術(shù)上[8-13]。然而，目前國內(nèi)外大部分泡沫降塵劑一般含有硫、磷等元素。由于此類物質(zhì)不容易降解，往往會對環(huán)境造成二次污染[14]，而且也會對人體產(chǎn)生一定危害。因此，針對目前煤礦企業(yè)降塵產(chǎn)品中存在的諸如此類的問題，本文利用環(huán)境友好型表面活性劑對增稠型泡沫降塵劑的發(fā)泡能力進行了對照試驗，通過對比試驗法對發(fā)泡劑的穩(wěn)泡能力、潤濕性能、降塵能力等進行了研究。使用改進的Ross-Miles方法測定了起泡性能和穩(wěn)泡性能，并使用沉降法測定了其濕潤性能，最終優(yōu)選出了環(huán)保型泡沫降塵劑最佳配比方案。

1 設(shè)計思路

1.1 綠色安全

綠色化學(xué)的核心之一就是從原料的安全性及產(chǎn)物對環(huán)境的友好性進行評價的。日常煤礦作業(yè)中常用的泡沫降塵劑在制備及使用過程中，往往會直接或間接與工作人員皮膚接觸，因此制備綠色環(huán)保的降塵產(chǎn)品，對于降低對礦工工人危害和環(huán)境保護都有至關(guān)重要的意義。鑒于此現(xiàn)狀，本文著重于開發(fā)不含硫、磷等對環(huán)境污染元素的新型泡沫降塵劑。研究過程中，在探究發(fā)泡條件時除使用傳統(tǒng)發(fā)泡劑作為對比外，本文主要選用易于降解的環(huán)境友好型綠色表面活性劑，如椰子油二乙醇酰胺(CDEA)、羧甲基纖維素(CMC)、脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷(AEG)、陽離子聚丙烯酰胺(PAM)等表面活性劑為原料進行復(fù)配。

1.2 溶解效應(yīng)

為適應(yīng)礦井中較為苛刻的施工環(huán)境，保障發(fā)泡器連續(xù)高效發(fā)泡，選用發(fā)泡劑時必須考慮在不同溫度條件下的水溶性。選取的發(fā)泡劑(wt.%<2%)在不同溫度條件下的水中都應(yīng)具有良好的溶解度，通過攪拌可充分溶解，繼而可以通過提高設(shè)備噴射壓力，使泡沫能夠均勻、高效地作用在揚塵嚴(yán)重的施工面，從根源出發(fā)隔離工作面，防止粉塵的擴散。

1.3 泡沫類型

根據(jù)泡沫存在的時間長短可以將泡沫分為：短時泡沫和持久泡沫；根據(jù)泡沫的相對穩(wěn)定性，可以將其分為穩(wěn)定泡沫和不穩(wěn)定泡沫；根據(jù)其濃度可以分為：高濃度泡沫和低濃度泡沫。當(dāng)泡沫遇到粉塵時，會與粉塵產(chǎn)生多種作用，而這些作用的強弱與粉塵的粒度、密度和濃度等有著直接的關(guān)系。當(dāng)遇到密度較大、粒度較大的粉塵時，主要是重力及截留作用；而粒度較小粉塵遇到泡沫時，則以擴散和靜電引力為主。發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫不但需要高的發(fā)泡率，而且還必須具有一定的可持續(xù)性，這需要產(chǎn)生的泡沫應(yīng)具有稠密、均勻、發(fā)泡率高、穩(wěn)定不易破碎等特點，同時對呼吸性粉塵和全塵具有良好的吸附性，對目標(biāo)顆粒的濕潤性顯著高于純水以及其它發(fā)泡劑單體。

1.4 設(shè)計原理

陰離子及兩性表面活性劑的主要功能表現(xiàn)在改變液體表面及液-液界面的性質(zhì)，通過表面活性劑的性質(zhì)對復(fù)配體系的表面活性進行調(diào)控，通過活性劑親水基間的靜電作用形成了致密的吸附膜，從而增強了泡沫降塵劑的作用效果。由于產(chǎn)生的泡沫相比水霧具有更大的比表面積，因此極大提高了降塵劑的吸附能力，最大限度的節(jié)約降塵所需的用水量，并通過表面活性劑的使用，來改良泡沫對粉塵的濕潤性，從而提高了降塵效率。然而，使用單一組分發(fā)泡劑具有諸多限制，比如發(fā)泡率低、泡沫極易破碎、對粉塵的濕潤性沒有明顯提高等。針對以上不足，本研究使用綠色表面活性劑，主要從泡沫的發(fā)泡率、穩(wěn)定性和對粉塵的濕潤性出發(fā)，通過進行復(fù)配來克服上述不足。

2 實驗部分

2.1 實驗材料及儀器

試劑：本試驗所用材料：椰子油二乙醇酰胺(CDEA)、羧甲基纖維素(CMC)、脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷(AEG)、陽離子聚丙烯酰胺(PAM)等表面活性劑。為探究含有硫酸鹽、磺酸鹽的傳統(tǒng)表面活性劑的發(fā)泡效果以及各組分試劑含量對發(fā)泡的影響，選用十二烷基苯磺酸鈉等六種常見試劑作為對照試驗[15]。

儀器：羅氏泡沫儀(2152)、水浴鍋、磁力攪拌器、天平、燒杯、量筒、計時器、注射器。

2.2 性能測評

起泡性能代表發(fā)泡劑在外界條件作用下起泡的難易程度，表達式為R=V/M，其中R為起泡率，V為泡沫體積，M為泡沫質(zhì)量。該式表明起泡性能R是用單位質(zhì)量發(fā)泡劑產(chǎn)生泡沫體積來衡量，單位質(zhì)量發(fā)泡劑形成的泡沫體積越大說明起泡性能越優(yōu)良。

發(fā)泡劑的穩(wěn)泡性是衡量泡沫壽命長短的重要指標(biāo)，通常用羅氏泡沫儀來進行測算，并用泡沫消散速率系數(shù)α來表示，其表達式為α=ΔV/Δt，式中ΔV為測量時間內(nèi)泡沫體積減少量，Δt為泡沫破損的時間區(qū)間，泡沫消散速率系數(shù)(負值)越大，表明泡沫在測試時間內(nèi)破損越慢，即發(fā)泡劑的起泡穩(wěn)定性越好。

發(fā)泡劑的潤濕性能通常用粉塵顆粒在溶液泡沫中的沉降時長來表示，即沉降時間的長短與接觸角呈現(xiàn)相關(guān)性，沉降時間越短表明固體顆粒與試劑接觸角越大，濕潤性能越好。表達式為ΔT=T2-T1，其中T2是煤塵接觸到盛有發(fā)泡液的10 mL量筒底端的時間；T1是煤塵接觸到裝在10 mL量筒里的發(fā)泡液液面的時間。

2.3 實驗測量

起泡率R測量：取一個潔凈干燥的50 mL小燒杯，加入定量稱取的待測降塵劑，然后加入20 mL自來水，再加入磁轉(zhuǎn)子進行攪拌，如果溶解過程緩慢，可以加熱使之加速溶解。當(dāng)降塵劑完全溶解后，將溶液轉(zhuǎn)移到500 mL燒杯里，并稀釋到100 mL。然后向燒杯中加入磁轉(zhuǎn)子，充分?jǐn)嚢杈鶆?，攪拌均?0 min后關(guān)閉攪拌。待泡沫靜置6 min后，使用潔凈干燥的20 mL注射器和分析天平精準(zhǔn)稱量20 mL泡沫的質(zhì)量。

消散速率系數(shù)α計算：利用羅氏泡沫儀(2152)測量時間區(qū)間內(nèi)泡沫體積隨時間的變化量，并將所得的散點數(shù)據(jù)代入一元線性回歸方程y=αx+β進行模擬，得到泡沫體積隨時間的變化趨勢圖。y=αx+β式中平均消散速率系數(shù)為αmL/min；平均發(fā)泡力為βmL；發(fā)泡液完全加入泡沫儀后的時間為xmin；隨時間變化的泡沫體積為ymL；利用擬合得到平均消散速率系數(shù)α，當(dāng)β=β0/2，x的值即為泡沫破損的半衰期t1/2。

沉降時間Δt測量：將配置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%的不同種類發(fā)泡液，各10 mL放入10 mL量筒中，然后立刻向其中加入研磨均勻的煤塵0.1000 g，分別記錄平均沉降時間Δt。

2.4 實驗方案

通過改變5種試劑的不同比例來設(shè)計正交實驗，依據(jù)對照實驗結(jié)果分析[15]，綜合考慮發(fā)泡劑的起泡率、穩(wěn)泡性及消散速率系數(shù)等多方面因素，將發(fā)泡劑的復(fù)配方案設(shè)計如：發(fā)泡劑：椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(CDEA)；穩(wěn)泡劑：羧甲基纖維素(CMC)；濕潤劑：脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷(AEG)；增稠劑：陽離子聚丙烯酰胺(PAM)。

根據(jù)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的發(fā)泡劑，結(jié)合達到最大發(fā)泡率時穩(wěn)泡劑、濕潤劑、增稠劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行實驗設(shè)計，并對正交試驗過程中的最大發(fā)泡率進行測試記錄。由于增稠劑PAM在復(fù)配溶液中主要起到絮凝作用，依據(jù)對照方案的實驗經(jīng)驗，由PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)與發(fā)泡率的關(guān)系可知，隨著PAM濃度的提高，在低濃度時發(fā)泡率達到最大，濃度提高以后發(fā)泡率迅速降低最后逐漸平穩(wěn)，因此本研究引入PAM在發(fā)泡率最大時的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.02%。

由圖1可知，在CDEA含量低于20%時起泡率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，當(dāng)濃度處于18%-35%區(qū)間范圍內(nèi)時發(fā)泡率趨于平衡，隨著CDEA濃度的繼續(xù)增加，起泡率也隨之繼續(xù)上升，并在CDEA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.50%時達到峰值。由圖2可知，穩(wěn)泡劑和潤濕劑也是影響起泡率的重要因素，當(dāng)起泡率達最大值的時單體CMC、AEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.23%、96.49%。

圖1 CDEA質(zhì)量濃度與發(fā)泡率的關(guān)系

圖2 CMC質(zhì)量濃度與發(fā)泡率的關(guān)系

圖3 AEG質(zhì)量濃度與發(fā)泡率的關(guān)系

圖4 復(fù)配方案泡沫消散速率

通過分析試驗數(shù)據(jù)得出最大發(fā)泡率為18.72倍，最大發(fā)泡率時CDEA、CMC、AEG、PAM比例為24：1：4：1。采用該比例的試劑配制成1000 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的待測體系，在40 ℃時，利用羅氏泡沫儀(2152)進行穩(wěn)泡性測試，試驗結(jié)果如圖4所示，消散速率系數(shù)α平均值為-30.905，消散速率方程為y=-30.905x+456.77。經(jīng)測試平均沉降時間為1.74 s。

圖5 除塵設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖.1-發(fā)泡液儲箱；2-加壓泵；3-水泵；4-比例混合器；5-空氣壓縮機；6-儲氣罐；7-旋擰閥；8-泡沫噴射發(fā)生器

取椰子油二乙醇酰胺8.00 g，羧甲基纖維素0.30 g，脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷1.50 g和聚丙烯酰胺(陽)2.00 g加入988.20 g水中充分混合并稍作加熱使其完全溶解，最終配置l.00 kg泡沬降塵劑。在該泡沬降塵劑中，椰子油二乙醇酰胺所占比例為0.80%，羧甲基纖維素所占比例為0.03%，脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷所占比例為0.15%，聚丙烯酰胺(陽)所占比例為0.20%。將制備好的泡沬降塵劑加入羅氏泡沬儀發(fā)生器中，產(chǎn)生泡沫量為886.34 mL，將泡沫降塵劑質(zhì)量擴大100倍后，加入礦用泡沬發(fā)生器中進行降塵效果測試，產(chǎn)生的泡沫噴射到塵源處降塵效果良好，該配方的全塵降塵率可達到96.21%，呼塵降塵率可達到96.63%。

2.5 除塵試驗

根據(jù)泡沫降塵原理設(shè)計一種泡沫發(fā)生系統(tǒng)，其中主要部件有：泡沫噴射發(fā)生器、發(fā)泡液儲箱、旋擰閥、水泵、儲氣罐、空氣壓縮機、壓力泵等。具體結(jié)構(gòu)見圖5所示?，F(xiàn)場除塵效果測試過程中，對各項技術(shù)參數(shù)進行了設(shè)定優(yōu)化，降塵劑使用過程中要求水流量必須穩(wěn)定在1.1-1.4 m3/h的區(qū)間范圍內(nèi)，壓風(fēng)流量穩(wěn)定在53 m3/h，風(fēng)壓、水壓均大約為0.5 MPa。

測試過程中技術(shù)參數(shù)為：(1)發(fā)泡倍數(shù)：45倍；(2)水流量：1.4 m3/h；(3)泡沫生產(chǎn)量：53 m3/h；(4)發(fā)泡液濃度：約1%。將按照復(fù)配方案和對照方案[15]質(zhì)量比配置好泡沫降塵劑，然后分別加入到礦用泡沬發(fā)生器中進行發(fā)泡作業(yè)，將產(chǎn)生的泡沬輸送到礦井工作面，并各自測量不同位置的呼塵、全塵濃度，結(jié)果見表2、表3。

通過表2、表3中的數(shù)據(jù)對比可以看出，在使用傳統(tǒng)降塵措施時，呼吸性粉塵的降塵效率僅為54.30%，全塵的降塵效率僅為54.60%；而使用實驗復(fù)配方案發(fā)泡劑以后，就整個礦井工作面的降塵效率來看，呼塵降塵率為96.63%，全塵降塵率為96.21%，綜合來看，相比于傳統(tǒng)除塵措施，該實驗泡沫除塵劑降塵效率更高，除塵效果更明顯。

表2 發(fā)泡率測試試驗數(shù)據(jù)

表3 穩(wěn)泡性能和濕潤性測試試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文針對目前市場降塵劑存在穩(wěn)定性差、效率低下的問題，通過實驗研究了增稠型發(fā)泡劑復(fù)配方案的發(fā)泡率、穩(wěn)定性、濕潤性，得到了高發(fā)泡率、泡沫穩(wěn)定性高、對粉塵濕潤性良好的復(fù)配方案，CDEA、CMC、AEG、PAM四種試劑的質(zhì)量比為24：1：4：1，發(fā)泡率達到18.72倍。試驗和應(yīng)用表明，該泡沫降塵劑方案相比其它降塵方案能夠極大提高粉塵的吸附效率，能夠顯著改進井下掘進工作面粉塵問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。