表面活性劑強(qiáng)化噴霧用水潤濕性能的實(shí)驗(yàn)研究

劉黎明

(湖南九九智能環(huán)保股份有限公司， 湖南 長沙 410007)

0 引言

煤炭是中國的主體能源，約占一次能源消費(fèi)總量的三分之二[1]。煤炭開采過程中產(chǎn)生大量粉塵，在粉塵濃度高的環(huán)境中，長時(shí)間工作的勞動(dòng)者的健康和生活的安全性受到嚴(yán)重威脅。目前，煤礦井下采掘作業(yè)場所主要采用煤體預(yù)注水[2]、通風(fēng)控塵、除塵器抽塵凈化[3]、噴霧降塵及封閉隔塵等防塵措施[4]。噴霧降塵具有經(jīng)濟(jì)、簡便等優(yōu)點(diǎn)，已成為煤礦粉塵防治的主體技術(shù)[5]。煤塵具有一定的疏水性，是因?yàn)槠浔砻嬗袠O性基團(tuán)[6]。同時(shí)，由于常規(guī)噴霧降塵用水表面張力較大，空氣中煤塵不易被霧滴濕潤和捕捉，尤其是呼吸性粉塵，造成噴霧降塵效率普遍偏低[7]。表面活性劑可吸附于固-液和氣-液界面，降低其界面張力，改善噴霧用水潤濕能力，提高噴霧降塵效率[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量有關(guān)表面活性劑溶液物理性質(zhì)方面的研究工作，表面張力是液體十分重要的一個(gè)物性參數(shù)。長期以來學(xué)者們對表面活性劑溶液的表面張力做了許多詳盡的研究，研究的內(nèi)容包括表面活性劑種類、質(zhì)量濃度等。部分學(xué)者也對表面活性劑溶液的表面張力進(jìn)行了研究，考察了不同種類和配比的表面活性劑溶液的表面張力情況。村田逞詮?fù)ㄟ^化學(xué)方法，定量分析了煤的表面官能團(tuán)，得到煤的潤濕性與其有緊密的關(guān)系[8]。Russell J等人通過研究不同煤中的不同煤階、不同無機(jī)礦物與潤濕性的關(guān)系，得出煤表面潤濕性主要取決于氫和氧元素含量之比的結(jié)論[9]。

目前，各國學(xué)者對表面活性劑溶液表面張力及潤濕煤塵性能研究已取得了較大進(jìn)展，特別是在表面活性劑種類和溶液質(zhì)量濃度的影響研究方面。本論文擬研究表面活性劑對煤塵潤濕性的影響，結(jié)合表面活性劑的物理化學(xué)性質(zhì)分析影響煤塵潤濕性的主要因素，充分認(rèn)識煤塵潤濕過程，探究煤塵潤濕的本質(zhì)，可為表面活性劑在煤礦噴霧降塵領(lǐng)域的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方案

1.1 材料

在參考國內(nèi)外噴霧降塵礦用表面活性劑的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出在實(shí)際應(yīng)用中使用頻率較高的陰、非離子兩類試劑各兩種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察表面活性劑溶液潤濕性能。實(shí)驗(yàn)中使用的表面活性劑見表1。

選擇中國主要煤炭生產(chǎn)基地的3種不同類型的煤塵進(jìn)行潤濕性能實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用煤樣分別選自湖南興源的無煙煤、貴州發(fā)耳的瘦煤、山西萬峰的焦煤。將3種煤樣分別通過粉碎機(jī)破碎1 min后，采用100目標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)篩篩分出煤塵樣品。將煤塵樣品放入真空干燥箱內(nèi)干燥，設(shè)定溫度80℃，干燥時(shí)間480 min，干燥完后放入密封袋內(nèi)備用。表2為所選煤粉的工業(yè)性能指標(biāo)。

表1 實(shí)驗(yàn)所選用的4種表面活性劑

表2 實(shí)驗(yàn)所選用煤塵的工業(yè)性能分析指標(biāo)

1.2 方案

（1）表面張力實(shí)驗(yàn)。表面張力是影響表面活性劑溶液潤濕性能的重要參數(shù)。設(shè)定所有溶液溫度為25℃，使用表面張力儀對各溶液在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下測定其表面張力。實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了6個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別是0、0.000 05%、0.0005%、0.005%、0.05%和0.5%，依次測量各表面張力。

（2）接觸角實(shí)驗(yàn)。對上述 4種表面活性劑溶液和6種質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合下的24種溶液的潤濕性能進(jìn)行了測定。實(shí)驗(yàn)采用接觸角來評價(jià)表面活性劑溶液對3種不同類型煤塵的潤濕性能。取各煤粉400 mg加入模具，將模具放入臺(tái)式粉末壓片機(jī)，施加50 MPa的成型壓力，并維持1 min，制成厚度約為2 mm的表面平滑的圓柱體試片。利用CA100B接觸角測量儀測定接觸角，每個(gè)煤塵樣品測量3個(gè)試片，取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對表面張力的影響

為了分析表面張力的變化趨勢，對這 24組溶液的表面張力進(jìn)行測定，測定數(shù)據(jù)見圖1。

由圖1可看出，在表面活性劑處于較低濃度范圍時(shí)，濃度增加，表面張力逐漸降低。最終表面張力會(huì)有一個(gè)最低點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC）[10]。過了CMC以后，表面張力下降趨勢就趨于平緩。

從圖1還可以看出，在濃度為0.005%以前，表面張力呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢，之后的表面張力下降到最低，濃度再增加時(shí)下降趨勢變?yōu)槠骄?，由此而得出所選的表面活性劑溶液的CMC在0.005%～0.05%之間。對于所選的試劑，當(dāng)試劑濃度在0～0.005%時(shí)，呈指數(shù)下降，這是因?yàn)樵谳^低濃度時(shí)，溶解于水中的試劑是以單個(gè)分子形式存在的，由于兩親性，這些分子吸附在水中的表面，使空氣和水的接觸面減少，從而引起水溶液的表面張力急劇下降[11]；當(dāng)溶液濃度增加，單分子在液面的吸附基本達(dá)到飽和，空氣和水的接觸面不再減小，只有溶液中的膠束數(shù)目在增加時(shí)，表面張力不再變化[12]。Tween-80在質(zhì)量濃度為0.05%時(shí)，其表面張力為40.8 mN/m，其他試劑在各CMC下表面張力的范圍為28.8 mN/m～31.9 mN/m。

圖1 表面活性劑在不同濃度下的表面張力

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.005%時(shí)，溶液可以達(dá)到較好的潤濕效果，從經(jīng)濟(jì)條件出發(fā)并結(jié)合礦山使用習(xí)慣，選擇溶液質(zhì)量濃度大概為0.05%。所選的表面活性劑的表面活性大小為 SDBS＞SDS＞OP-10＞Tween-80。

2.2 表面活性劑對接觸角的影響

通過對這24組溶液在3種不同煤樣上的接觸角進(jìn)行測量，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出圖2。

從圖2可以看出，3種煤樣表面上的接觸角均隨溶液濃度的增加面減小，試劑對煤樣的潤濕能力也就變強(qiáng)。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┛梢蕴岣呷芤旱谋砻婊钚裕瑥亩档捅砻鎻埩?，使得煤塵吸附變得簡單[13]。以SDBS在瘦煤上的接觸角為例，其實(shí)驗(yàn)投影圖像如圖3所示。

溶液濃度為0.005%時(shí)，SDBS在3種煤樣煤塵上的接觸角依次為24.73°、56.34°、51.87°，無煙煤的接觸角最小更易被潤濕。表面活性劑溶液濃度增加時(shí)所選試劑的接觸角不斷降低，得出所選的表面活性劑均能在適當(dāng)范圍內(nèi)增強(qiáng)煤塵的潤濕性的結(jié)論[14]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

從圖4中看出，OP-10溶液的潤濕性能最優(yōu)，在相同的質(zhì)量濃度下，其在3種煤粉上能夠獲得最小的接觸角，更易吸附在煤粉表面。在質(zhì)量濃度為0.05%時(shí)，OP-10在這些煤塵上的接觸角依次為15.70°、29.68°、32.12°，從圖4還可以看出，Tween-80的接觸角最大。

圖2 表面活性劑對接觸角的影響

圖3 SDBS溶液在瘦煤表面的接觸角投影

圖4 表面活性劑溶液的潤濕性能

3 結(jié)論

在本次研究中，通過表面張力、接觸角等潤濕性實(shí)驗(yàn)，掌握了表面活性劑溶液潤濕煤塵的性能，重點(diǎn)考察了表面活性劑種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等對表面活性劑溶液潤濕性能的影響，得出如下結(jié)論。

（1）表面張力的研究結(jié)果表明，溶液的表面張力均隨著表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)降低的趨勢；當(dāng)表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到CMC后，溶液的表面張力不會(huì)再因?yàn)闈舛榷黠@下降；所選試劑中非離子表面活性劑SDBS在減小表面張力的效率和效能方面最優(yōu)。

（2）接觸角實(shí)驗(yàn)表明，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，液滴在煤塵壓片上的接觸角不斷在減小，表面活性劑溶液潤濕性能不斷在提高；OP-10溶液的潤濕性能最優(yōu)，在相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，能夠獲得最小的接觸角。

（3）表面活性劑因其自身的理化性質(zhì)不同，其對不同煤質(zhì)的潤濕性也不同。