泡沫除塵技術(shù)探析

程超男，姚有利

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037009）

國務(wù)院新聞辦發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書可知，2019 年我國的煤炭類消費占總能源消費總量的比重大于50%[1]。這表明在目前及今后較長的一段時間內(nèi)，煤炭仍將作為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要能源，支撐起我國在21 世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會能源安全。

我們知道礦井粉塵是煤礦生產(chǎn)中出現(xiàn)的五大井下災(zāi)害之一。礦井粉塵主要包括一般性粉塵和呼吸性粉塵[2]，以塵肺病和煤塵爆炸兩種形式危害著礦井工作人員的身心健康與生產(chǎn)安全[3]，故需做好井下除塵工作。

泡沫除塵是一種新型除塵技術(shù)手段。20世紀(jì)50年代以來，蘇聯(lián)、美國、日本等多國相繼進(jìn)行了泡沫除塵技術(shù)的實驗與研究，并取得了相關(guān)成果。國內(nèi)的泡沫除塵技術(shù)發(fā)展研究與國外相比較遲[4]。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)成本成為制約泡沫除塵技術(shù)廣泛應(yīng)用于全國各煤礦的重要因素之一，如何在壓縮經(jīng)濟(jì)成本的前提下，配比出高發(fā)泡體積的泡沫成為眾多學(xué)者研究的重點[5]。

1 泡沫除塵機(jī)理

1.1 宏觀機(jī)理

泡沫除塵是通過井下泡沫發(fā)生裝置將水、空氣、泡沫除塵劑進(jìn)行三相混合產(chǎn)生泡沫，再將泡沫噴灑到作業(yè)環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行除塵。

在工作面第一線，也就是礦井粉塵產(chǎn)生的源頭，大量的泡沫堆積在一起，在塵源與空氣當(dāng)中形成一層阻斷層組斷層會阻擋粉塵從塵源處向外逸散；當(dāng)泡沫通過發(fā)泡設(shè)備噴射到空氣當(dāng)中時，數(shù)量巨大、表面積巨大的泡沫會極大范圍地包裹空氣中的粉塵，在無規(guī)則運動當(dāng)中與粉塵相遇并將之捕獲沉降，達(dá)到除塵目的，如圖1。噴射到空氣中的泡沫數(shù)量越多，在空氣中存在的時間越長，泡沫與粉塵接觸的幾率就越大，泡沫的除塵效率就會越高。

圖1 泡沫除塵宏觀機(jī)理

1.2 微觀機(jī)理

泡沫除塵的微觀除塵機(jī)理主要分為碰撞、潤濕、粘附、沉降四個過程[6]，潤濕與粘附同時進(jìn)行。泡沫噴灑在空氣中，單個泡沫的運動受慣性、重力、浮力、空氣等多種因素影響，空氣中的粉塵在與泡沫接觸以后，停止擴(kuò)散運動，轉(zhuǎn)而迅速被泡沫潤濕并粘附，隨著泡沫一起沉降，最終達(dá)到除塵的目的，如圖2。

圖2 泡沫除塵微觀機(jī)理

沉降有兩種方式：①重力沉降，泡沫與泡沫上面的粉塵受自身重力作用，慢慢沉降至地面；②破裂沉降，泡沫破裂以后會形成許多的液滴微粒，攜帶著已經(jīng)潤濕的粉塵一起沉降到地面[7]。

破裂沉降有兩種形式：①工作面中產(chǎn)生的粉塵質(zhì)量、大小、粒徑、運動速率、尖銳程度等均不同，與粉塵接觸后，運動速率較大、較為尖銳的煤塵在與泡沫液膜表面接觸時會直接破壞泡沫結(jié)構(gòu)，致使泡沫直接破裂。破裂的泡沫會攜帶著已經(jīng)潤濕的粉塵一起沉降到地面，而部分來不及被完全潤濕的煤塵則會在泡沫破裂時形成的反作用力下被反彈，在空氣中做二次運動。直至被下一個泡沫捕獲并沉降。②如果泡沫沒有被粉塵直接擊破，隨著粘附的粉塵越來越多，泡沫液膜越來越薄，液膜的潤濕能力逐漸下降，直至完全喪失對外界煤塵的潤濕能力。由于煤塵大多屬于疏水性粉塵，在泡沫喪失潤濕能力以后，煤塵碰撞泡沫破壞泡沫液膜的表面結(jié)構(gòu)，引起泡沫破裂[8]。

2 泡沫除塵劑優(yōu)選實驗

2.1 試劑選擇

采用ROSS-Miles 法對六種不同的發(fā)泡試劑進(jìn)行發(fā)泡性能試驗。根據(jù)產(chǎn)生的泡沫體積和泡沫的半衰期評價試劑的發(fā)泡性能。

因不同試劑具有不同的發(fā)泡性能，故為了增強(qiáng)對比性，選用了共4種不同離子型表面活性劑進(jìn)行單體發(fā)泡劑濃度優(yōu)選，且選用兩種非離子型表面活性劑（1#羧甲基纖維素鈉和2#改性硅樹脂聚醚微乳液）作為穩(wěn)定劑進(jìn)行復(fù)配優(yōu)選，見表1。

表1 試劑的選擇

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 單體發(fā)泡劑試驗結(jié)果分析

表面活性劑可以降低水溶液的表面張力，形成發(fā)泡性能更為優(yōu)秀的發(fā)泡液[9]?；钚詣┨砑訚舛炔煌l(fā)泡液的發(fā)泡性能不同。每一種活性試劑都存在著一種最佳濃度，此濃度下的發(fā)泡液的綜合發(fā)泡性能最為優(yōu)秀。

由圖3～圖6 可知，結(jié)合起泡能力和泡沫穩(wěn)定性兩個發(fā)泡性能，十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨的最佳發(fā)泡濃度分別為0.2、0.2、1.0、0.9%；十二烷基苯磺酸鈉的發(fā)泡性能最為優(yōu)秀，十二烷基硫酸鈉和十二烷基磺酸鈉的發(fā)泡性能次之，十六烷基三甲基溴化銨的發(fā)泡性能最差；三種陰離子型的發(fā)泡劑單體發(fā)泡性能均優(yōu)于另外的一種陽離子型發(fā)泡劑。

圖3 十二烷基硫酸鈉發(fā)泡性能

圖4 十二烷基苯磺酸鈉發(fā)泡性能

圖5 十二烷基磺酸鈉發(fā)泡性能

圖6 十六烷基三甲基溴化銨發(fā)泡性能

2.2.2 穩(wěn)定劑復(fù)配試驗結(jié)果分析

進(jìn)行穩(wěn)定劑復(fù)配實驗是為了在保持高起泡能力的基礎(chǔ)上增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性，而不是為了提高泡沫的穩(wěn)定性而不顧原先的起泡能力是否下降。

1#穩(wěn)定劑羧甲基纖維素對四種試劑的影響如圖7 和圖8。四種發(fā)泡劑的復(fù)配試劑的綜合發(fā)泡性能都有所提升。隨著羧甲基纖維素濃度的增加，產(chǎn)生泡沫體積先增大后減小，而泡沫的穩(wěn)定性能逐步提高。

圖7 1#穩(wěn)定劑復(fù)配試驗起泡能力圖

圖8 1#穩(wěn)定劑復(fù)配試驗穩(wěn)定性能圖

2#穩(wěn)定劑改性硅樹脂聚醚微乳液對四種試劑的影響如圖9 和圖10。原本單體發(fā)泡性能最為優(yōu)秀的十二烷基苯磺酸鈉的復(fù)配試劑發(fā)泡性能大大下降，而另外三種試劑的發(fā)泡性能卻有所提升。其中單體起泡能力最低的十六烷基三甲基溴化銨在與2#穩(wěn)定劑復(fù)配之后，其起泡能力大大增加，成為起泡能力最為優(yōu)秀的復(fù)配試劑，但其泡沫的穩(wěn)定性能卻較差。十二烷基磺酸鈉與2#穩(wěn)定劑的復(fù)配效果最佳，起泡能力和穩(wěn)定性能均有較大提升。

圖9 2#試劑復(fù)配試驗起泡能力圖

圖10 2#試劑復(fù)配試驗穩(wěn)定性能圖

綜上所述，同一穩(wěn)定劑并不是對所有種類的發(fā)泡劑都具備提升發(fā)泡性能的功能；發(fā)泡性能較優(yōu)秀的試劑與發(fā)泡性能較差的試劑在與不同種類的穩(wěn)定劑復(fù)配后可能會具備與原先不同的發(fā)泡性能。最終優(yōu)選0.2%十二烷基苯磺酸鈉+0.3%羧甲基纖維素、1.0%十二烷基磺酸鈉+0.2%改性硅樹脂聚醚微乳液為發(fā)泡劑基本配方。

3 結(jié)論

（1）四種基礎(chǔ)發(fā)泡劑中，陰離子型的表面活性劑單體發(fā)泡性能均高于陽離子型表面活性劑，其中十二烷基苯磺酸鈉試劑的單體發(fā)泡能力最為優(yōu)秀。

（2）確定兩種泡沫除塵劑基本配方為：0.2%十二烷基苯磺酸鈉+0.3%羧甲基纖維素；1.0%十二烷基磺酸鈉+0.2%改性硅樹脂聚醚微乳液。

（3）不同穩(wěn)定劑對同一發(fā)泡劑、同一穩(wěn)定劑對不同發(fā)泡劑的性能影響不是固定的。為了研發(fā)出更多的泡沫除塵劑配方，提高泡沫除塵的效率，我們應(yīng)多嘗試不同試劑之間的配比試驗。