基于表面力測(cè)量的煤塵潤(rùn)濕劑與煤相互作用研究

陳 曦，張志強(qiáng)，李仲文，鄔叢珊

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原 030024）

煤炭在開采和生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵通常具有懸浮和疏水特性，使其管理非常困難[1-2]。而空氣中有大量粉塵時(shí)會(huì)導(dǎo)致職工患?jí)m肺病、加劇設(shè)備磨損、造成煤塵爆炸的嚴(yán)重事故等[3-5]。常用的抑塵方法有：通風(fēng)、靜電除塵、個(gè)人防護(hù)、封閉隔離、噴霧除塵等[6-10]。

然而目前對(duì)化學(xué)抑塵劑抑制煤塵的表征方法還缺乏深入研究，依舊存在潤(rùn)濕煤塵性能差的現(xiàn)象。通常測(cè)量煤塵潤(rùn)濕性的方法有：煤塵沉降實(shí)驗(yàn)法、接觸角法、動(dòng)力試驗(yàn)法、上下向毛細(xì)管滲透法、還可以通過測(cè)量動(dòng)態(tài)表面張力考察表面活性劑分子在水中的運(yùn)動(dòng)情況等等[11-14]。

以上所述中都用了比較宏觀的方法研究去離子水或不同表面活性劑分子溶液潤(rùn)濕煤塵或煤塊的實(shí)驗(yàn)。如果測(cè)量試劑與被測(cè)物體之間的相互作用力，無疑可以更本質(zhì)上理解二者之間的相互作用。Wang等[15]設(shè)計(jì)了集成的薄膜排水設(shè)備（ITFDA）；Zhang等[16]使用雙壓壓電晶片力傳感器對(duì)此裝置進(jìn)一步改進(jìn)，且它的力的分辨率為1 μN(yùn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)上述裝置做了進(jìn)一步改進(jìn)，研究了表面活性劑溶液液滴潤(rùn)濕煤塊過程的作用力，為煤塵潤(rùn)濕研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

接觸力測(cè)量裝置圖如圖1。

圖1 接觸力測(cè)量裝置圖Fig.1 Device diagram for measuring contact force

左端壓電片探針與電腦相連，通過電壓放大器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳輸?shù)诫娔X，用labview 程序測(cè)量數(shù)據(jù)。壓電片探針右端連接透明玻璃管，用來連接液滴。右端正對(duì)液滴處放置攝像頭，用來錄制實(shí)驗(yàn)過程中液滴形狀的變化。液滴下方為電機(jī)，用于控制煤塊的上下移動(dòng)，電機(jī)上放置升降臺(tái)，用于微調(diào)煤塊的移動(dòng)，煤塊置于升降臺(tái)上，并位于液滴正下方的位置。然后，玻璃管端附著液滴后，啟動(dòng)電機(jī)，以0.58 mm/s 勻速向上移動(dòng)。發(fā)生附著后，停滯5 s 后以相同速度勻速向下移動(dòng)煤塊，直至液滴斷裂。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次，最終取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤塊與液滴相互作用動(dòng)態(tài)過程

5×10-5mol/L AEO9 溶液與煤表面相互作用圖如圖2。圖中力為“正”時(shí)代表斥力，力為“負(fù)”時(shí)代表引力。

圖2 5×10-5 mol/L AEO9 溶液與煤表面相互作用圖Fig.2 Graphs of the interaction between 5×10-5 mol/L AEO9 solution and coal surface

1）在2#點(diǎn)前，煤塊向上朝著液滴以0.58 mm/s的速度勻速移動(dòng)的過程，煤塊和液滴距離逐漸減小，此時(shí)煤塊還未觸碰到液滴。到了2#點(diǎn)時(shí)，煤塊離液滴很近，處于即將要接觸前的一刻，此時(shí)煤塊對(duì)液滴有1 個(gè)很小的引力，液滴會(huì)發(fā)生垂直向下地微變形，使得液滴尖端離煤塊更近，此誘導(dǎo)時(shí)間段煤塊運(yùn)動(dòng)距離設(shè)為1.5 cm。

2）煤塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)3#點(diǎn)時(shí)，煤塊與液滴接觸，形成了煤-空氣-液滴三相接觸線（TPC）。煤塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，三相接觸線增大，說明液滴在煤塊表面鋪展。發(fā)生此現(xiàn)象是因?yàn)?，通常情況下，氣-液、氣-固之間的界面張力比液-固之間的界面張力要大得多，所以系統(tǒng)傾向于向液-固接觸面積大的方向轉(zhuǎn)變，即液體在煤表面擴(kuò)散是吉布斯自由能降低的自發(fā)過程；此過程中伴隨著產(chǎn)生1 個(gè)向上的斥力，斥力逐漸增大，發(fā)生此現(xiàn)象可能是因?yàn)橐旱卧诿簤K表面鋪展的速度較慢，而煤塊繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，液滴被壓縮，導(dǎo)致液滴與煤塊之間的斥力持續(xù)增大。到4#點(diǎn)時(shí)，液橋?qū)挾冗_(dá)到最大斥力產(chǎn)生之前的最小值，而三相接觸線達(dá)到最大值，此過程煤塊運(yùn)動(dòng)的距離約為0.2 mm。煤塊再繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)0.91 mm 后在5#點(diǎn)時(shí)停止。此過程中，三相接觸線保持不變，說明液滴在煤塊表面已停止鋪展，且液體與煤塊之間斥力達(dá)到最大，此時(shí)液橋?qū)挾冗_(dá)到最大。

3）之后煤塊停止運(yùn)動(dòng)5 s，其間煤塊與液滴間斥力開始漸漸減小，一直減小到6#點(diǎn)，但此過程液橋?qū)挾群腿嘟佑|線長(zhǎng)度均未發(fā)生改變，分析其可能是因?yàn)橐旱蜗蛎簤K里層的滲入引起的。

4）從6#點(diǎn)開始，煤塊同樣以0.58 mm/s 的速度向下移動(dòng)，液滴受到向上的斥力繼續(xù)減小，直至為0，繼而液滴開始受到煤塊向下的引力。一直到7#點(diǎn)之前，可以觀察到力曲線是線性的，表明液滴在該區(qū)域的力和彈簧的力是一樣的。從7#點(diǎn)開始，由于液滴大的變形，力曲線不再遵循胡克定律，7#～8#點(diǎn)時(shí)，毛細(xì)液橋在收縮過程中變薄，在8#點(diǎn)時(shí)，煤塊對(duì)液滴的引力達(dá)到最大值。煤塊繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，相互作用力減小，直至毛細(xì)液橋斷裂，9#點(diǎn)為液斷裂過程中的1 點(diǎn)，煤表面殘留部分液體。

2.2 不同量濃度AEO9 溶液與煤塊作用動(dòng)態(tài)過程

為了探究表面活性劑溶液量濃度對(duì)相互作用力的影響，繪制量濃度為5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L的表面活性劑AEO9 溶液與煤塊作用力隨時(shí)間變化的曲線，不同量濃度AEO9 溶液表面力隨時(shí)間變化圖如圖3。不同量濃度AEO9 溶液的表面力相關(guān)參數(shù)見表1。

圖3 不同量濃度AEO9 溶液表面力隨時(shí)間變化圖Fig.3 The surface force of different concentrations of AEO9 solution with time

由圖3 及表1 可知，3 種濃度表面活性劑溶液的最大斥力隨量濃度的增大逐漸減小，表明溶液潤(rùn)濕煤塵的效率也隨量濃度的增大逐漸減?。粚?duì)比三者到達(dá)最大斥力所用時(shí)間發(fā)現(xiàn)，5×10-5、8×10-5mol/L的溶液所用時(shí)間幾乎相同，而1.5×10-4mol/L 溶液所用時(shí)間略短，表明1.5×10-4mol/L 的溶液潤(rùn)濕速率比5×10-5、8×10-5mol/L 的溶液要高。將潤(rùn)濕效率和潤(rùn)濕速率綜合對(duì)比可知，1.5×10-4mol/L 的溶液的潤(rùn)濕能力最強(qiáng)。對(duì)比三者最大三相接觸線（最大TPC）長(zhǎng)度可知，其大小關(guān)系為1.5×10-4mol/L＜5×10-5mol/L＜8×10-5mol/L。這表明，在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)，量濃度為8×10-5mol/L 溶液鋪展最快，5×10-5mol/L 的溶液次之，可忽略其向煤塊內(nèi)部的滲入；而1.5×10-4mol/L 的溶液鋪展最慢，但對(duì)比溶液潤(rùn)濕能力可知，理論上1.5×10-4mol/L 的溶液鋪展應(yīng)是最快的，但是實(shí)際測(cè)得的卻最小，分析應(yīng)該是由于其量濃度太大，導(dǎo)致鋪展過程中發(fā)生了向煤塊里層的滲入，所以會(huì)發(fā)生三相接觸線較短的現(xiàn)象，證實(shí)了其潤(rùn)濕能力最強(qiáng)的結(jié)論。

表1 不同量濃度AEO9 溶液的表面力相關(guān)參數(shù)Table 1 Measured parameters related to the surface force of different concentrations of AEO9 solution

之后煤塊停滯期間，各曲線斜率沒有之前運(yùn)動(dòng)過程中變化的快慢對(duì)比那么明顯，分析原因是此過程沒有外力作用，且3 種量濃度值差異較小，所以液體潤(rùn)濕煤塊速度的快慢沒有顯著差別。煤塊接著向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，量濃度為1.5×10-4mol/L 的試劑引力的“突然增大時(shí)刻”明顯比其它2 條曲線更快到達(dá)，說明溶液在所受外界施加的拉力比較小時(shí)，就會(huì)到達(dá)其將要斷裂的點(diǎn)，所以液體更容易斷裂。相反，量濃度更小的試劑需要煤塊繼續(xù)向下才會(huì)使得毛細(xì)液橋被“拉斷”。表1 中，3 種試劑能夠達(dá)到斷裂時(shí)所需的最大引力也隨著量濃度的增大逐漸減小，說明量濃度越大，液體越有利于其被分散成小液滴，增加了與煤塵顆粒碰撞的概率，潤(rùn)濕煤塵的能力越強(qiáng)。

2.3 相同量濃度不同試劑與煤塊相互作用動(dòng)態(tài)過程

為了探究脂肪醇聚氧乙烯醚（下文簡(jiǎn)稱為AEO）系列的不同表面活性劑對(duì)溶液與煤塊相互作用的影響，實(shí)驗(yàn)選取了基團(tuán)和鏈結(jié)構(gòu)相同但氧乙烯鏈聚合程度不同，量濃度均為1.5×10-4mol/L 的3種脂肪醇聚氧乙烯醚AEO7、AEO9、AEO12 溶液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，量濃度均為1.5×10-4mol/L 的3 種試劑表面力對(duì)比如圖4，不同試劑表面力相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 不同試劑表面力相關(guān)參數(shù)Table 2 Relevant parameters obtained by measuring the surface force of different reagents

圖4 量濃度為1.5×10-4 mol/L 的3 種試劑表面力對(duì)比Fig.4 Comparison of surface forces of three reagents with a concentration of 1.5×10-4 mol/L

由圖4 及表2 可知，煤塊與液滴間最大斥力大小關(guān)系為AEO9＜AEO7＜AEO12，表明量濃度同為1.5×10-4mol/L 的3 種試劑中，AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塵的效率最高，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。對(duì)比3 種試劑到達(dá)最大斥力所用時(shí)間可知，其大小關(guān)系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。表明3 種試劑中，AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塊速率最快，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。將3 種試劑對(duì)煤塊的潤(rùn)濕效率和潤(rùn)濕速率綜合對(duì)比，可知AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塵的能力最強(qiáng)。對(duì)比三者最大三相接觸線可知，三者長(zhǎng)度大小關(guān)系為AEO9＜AEO7＜AEO12，表明在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)，AEO12 溶液鋪展最快，AEO7 溶液次之，AEO9 溶液鋪展最慢，與其潤(rùn)濕煤塵能力正好相反，說明AEO7 溶液和AEO9 溶液液滴在煤塊表面鋪展的同時(shí)，均會(huì)有明顯地向煤塊里層滲透的現(xiàn)象，且AEO9 溶液比AEO7 溶液滲透的更多，所以也證實(shí)了其潤(rùn)濕能力最強(qiáng)的結(jié)論。從3 種試劑分子結(jié)構(gòu)角度分析：AEO7、AEO9、AEO12 的疏水端鏈結(jié)構(gòu)一致，親水端鏈長(zhǎng)依次變長(zhǎng)，理論上AEO7 溶液液滴潤(rùn)濕煤塵效果最差，AEO12 溶液潤(rùn)濕最強(qiáng)。但實(shí)際測(cè)得AEO9 溶液潤(rùn)濕性最強(qiáng)，可能是因?yàn)锳EO12鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)，分子在水中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)反而變得較慢，導(dǎo)致分子吸附到液體表層的速率變慢，從而導(dǎo)致其潤(rùn)濕性變差。

后續(xù)過程中，對(duì)比差異比較明顯的是，煤塊與液滴脫離接觸時(shí)液滴斷裂所需要的最大引力，也是AEO9 溶液最小，說明AEO9 溶液最容易分散成小液滴。這樣，AEO9 溶液液滴可以更好地分散，增大與煤塵之間的碰撞概率，以達(dá)到更高的降塵效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）實(shí)驗(yàn)測(cè)量了量濃度分別為5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L 的表面活性劑AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塊的相互作用過程，來考察表面活性劑量濃度對(duì)相互作用的影響。測(cè)量結(jié)果表明，3 個(gè)量濃度溶液最大斥力為5×10-5mol/L＞8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。到達(dá)最大斥力所用時(shí)間大小關(guān)系為：5×10-5mol/L≈8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。則綜合考慮3 種量濃度溶液潤(rùn)濕煤塵的效率和速率可知量濃度為1.5×10-4mol/L 的溶液潤(rùn)濕煤塵能力最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)所測(cè)最大引力隨著溶液量濃度增大，逐漸減小，說明液滴越容易被拉斷，在實(shí)際應(yīng)用中越容易被分散成小液滴，加大與煤塵顆粒結(jié)合的概率，降塵效率將更高。

2）實(shí)驗(yàn)測(cè)量了量濃度為1.5×10-4mol/L的3 種表面活性劑AEO7、AEO9、AEO12 溶液液滴潤(rùn)濕煤塊的相互作用過程，來考察表面活性劑種類對(duì)相互作用的影響。測(cè)量結(jié)果表明，3 種試劑最大斥力大小關(guān)系為AEO9＜AEO7＜AEO12。對(duì)比到達(dá)3 種試劑到達(dá)最大斥力所用時(shí)間，可知其大小關(guān)系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。綜合考慮3 種試劑對(duì)煤塊的潤(rùn)濕效率和潤(rùn)濕速率，可知AEO9 溶液潤(rùn)濕煤塵的能力最強(qiáng)。三者最大引力大小關(guān)系為：AEO9 ＜AEO7 ＜AEO12，則AEO9 溶液最易分散成小液滴與煤塵結(jié)合，以達(dá)到較高的降塵效率。