磁化對表面活性劑性能影響及降塵效果研究

徐丹丹，邱進(jìn)偉

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著煤礦開采機(jī)械化程度的提高，割煤和垮落沖擊產(chǎn)生的粉塵量更大，治理難度高[1]。高濃度的粉塵會(huì)導(dǎo)致礦井工作人員患塵肺病，目前，我國已處于職業(yè)病高發(fā)和凸顯期，患病及死亡人數(shù)均處世界首位；因此，礦井粉塵防治是礦井安全生產(chǎn)與職業(yè)健康迫切需要解決的重大問題[2-4]。

面對煤礦井下的粉塵問題，目前采用的控、除塵技術(shù)有噴霧降塵、煤層注水、泡沫除塵等[5-7]。其中噴霧降塵技術(shù)因其成本低，操作便捷，技術(shù)難度較低等優(yōu)點(diǎn)而被廣范應(yīng)用。噴霧除塵主要是依靠霧化后的水分子與煤塵結(jié)合，從而捕捉煤塵，達(dá)到沉降后除塵的目的。但水的表面張力過大，加之煤塵表面的潤濕性相對較差[8]，僅僅依靠水的霧化降塵不能達(dá)到較高的降塵效率[9]。因此，為有效捕捉井下粉塵，需研發(fā)一種適用于綜采工作面的高效噴霧降塵技術(shù)[10]。

磁現(xiàn)象存在于所有物質(zhì)中，與物質(zhì)的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。磁場會(huì)破壞水原來的分子結(jié)構(gòu)，使未經(jīng)過磁化的較大的水分子集團(tuán)變成較小的水分子集團(tuán)，甚至變成單個(gè)的小分子，水分子中的氫鍵也會(huì)因?yàn)槁鍌惼澚Χ鴶嗔?，使水分子極性發(fā)生改變。我國從20世紀(jì)70年代開始研究磁化水的特性及除塵機(jī)理。陳梅嶺、平原和劉志超等學(xué)者將其用于噴霧降塵技術(shù)，取得了一定的成果[11-13]。此外，秦波濤等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)磁化水的潤濕性比非磁化水更強(qiáng)，且其降塵率也優(yōu)于非磁化水[14]。劉金璐和谷明月基于磁化復(fù)配表面活性劑與壓風(fēng)細(xì)霧噴嘴耦合協(xié)同降塵機(jī)理，開展了關(guān)于溶液表面張力及霧化效率的實(shí)驗(yàn)研究[15]。秦波濤[16]等學(xué)者基于表面活性物質(zhì)協(xié)同除塵和磁化理論，研發(fā)了與磁化相互作用的活性添加劑，通過磁化與表面活性物質(zhì)的耦合作用，獲得了最佳的磁化參數(shù)，從而提高了溶液中粉塵的潤濕性能。

本文依靠磁場和表面活性劑的協(xié)同作用，利用磁化器對表面活性劑溶液進(jìn)行磁化，研究磁化后表面活性劑溶液的降塵特性，并將其用于噴霧降塵實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選最佳的磁化表面活性劑溶液，用于綜采工作面降塵。

1 水的磁化機(jī)理

水分子以一定的流速通過穩(wěn)定的磁場時(shí)，在磁場的作用下，其理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，目前市面上最常見的磁化水處理器就是高能磁化水處理器，它是采用目前磁力強(qiáng)度最高的釹鐵硼制作而成，通過強(qiáng)磁力去除鈣鎂等陽離子，軟化水質(zhì)，將自來水變?yōu)樾》肿訄F(tuán)活性水，而小分子水更易與粉塵結(jié)合形成沉降，達(dá)到降塵的效果。水經(jīng)過磁化處理，其表 面張力和動(dòng)力黏度顯著降低，且隨著磁水器距離出 水口距離的減少，降低幅度也會(huì)更大，從而使磁化 效果更加顯著。

磁化水處理器是根據(jù)法拉第的電磁理論制作而成的，磁化器內(nèi)部具有兩塊磁鐵，分為N極和S極，原水分子具有一定的導(dǎo)電性，以一定的速度流經(jīng)N極和S極的磁力之間時(shí)，在電場的作用下，大分子團(tuán)逐漸分離，變?yōu)樾》肿訄F(tuán)，從磁化器的另一端流出，完成磁化過程，具體如圖1所示。

圖1 水的磁化過程

帶電荷水分子以一定的流速經(jīng)過磁場時(shí)，水分子對磁場做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力，由于水流方向與磁場方向垂直，則此時(shí)產(chǎn)生的洛倫茲力最大。

F=qvB

(1)

式中，q為帶電粒子的電荷量，C；v為帶電粒子的速度，m/s；B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，Gs。

在流速一定的情況下，磁場強(qiáng)度越大，洛倫茲力也就越大。由于磁鐵在磁化器內(nèi)部是上下平行放置的，所以磁場方向是從上到下的。水是對抗性分子，水分子中含有成對的電子，因此水會(huì)收到磁場輕微的排斥力，磁鐵產(chǎn)生的磁場會(huì)使抗磁性物質(zhì)建立一個(gè)附加磁矩：

這個(gè)附加磁矩的方向與磁場的方向相反，水分子受到的排斥力大小為：

式中，F(xiàn)為抗磁性分子在磁場中所受到的斥力，N；n0為磁場方向的正法向單位矢量。

上式中，n是磁場方向，當(dāng)磁場方向與Z軸的方向一致時(shí)，則有：

磁化器磁場如圖2所示，由圖2可以看出，磁場方向是由N極指向S極，且靠近兩極處的磁場越強(qiáng)，其中兩端磁極處的磁場強(qiáng)度最大，?B/?Z也是最大，水分子受到的斥力也最大。

圖2 磁化器磁場示意

雖然磁場能夠改變水的理化性質(zhì)，但僅將水磁化仍不能達(dá)到很好的降塵效果，因此為了提高降塵效率，本文將磁化技術(shù)與表面活性劑相結(jié)合，研究磁化對表面活性劑溶液特性的影響，將磁化后的表面活性劑溶液用于噴霧降塵，提高降塵效果。

2 磁化性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

考慮到表面活性劑溶解于水形成表面活性劑溶液，而水中存在鈣、鎂等陽離子可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故而不選用陽離子表面活性劑；選用選擇木質(zhì)素磺酸鈉、二異丁基萘磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉等四種陰離子表面活性劑，見表1。磁化器生產(chǎn)于萊陽市東明凈水設(shè)備廠，長度320 mm，直徑63 mm；采用力學(xué)法表面張力儀進(jìn)行表面張力測量實(shí)驗(yàn)。

表1 陰離子表面活性劑

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)磁化水的降塵效果優(yōu)于非磁化水，因此將磁化技術(shù)應(yīng)用于表面活性劑，考察其微觀特性變化。本實(shí)驗(yàn)使用自來水將四種表面活性劑分別配置成0.0005%、0.005%、0.05%、0.5%等16種以及磁化水共17種不同種類、濃度的添加劑溶液，并將其進(jìn)行磁化，并測量其表面張力。

2)煤塵在表面活性劑溶液中的潤濕性可通過煤塵在溶液中的沉降速度體現(xiàn)，因此選用紅柳林煤礦25212工作面的煤粉，經(jīng)過篩分，選取200目的煤粉進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)配置17種不同濃度的磁化后的表面活性劑溶液100 mL，并稱取0.1 g的煤粉，靜置3 min后將煤粉置于表面活性劑溶液中，記錄全部煤塵沉降到燒杯底部所用的時(shí)間。

3)磁化強(qiáng)度對表面活性劑溶液的降塵性能有一定影響，選用7000、8000、9000、10000 Gs等四種不同強(qiáng)度的磁化器對潤濕性較好的溶液進(jìn)行磁化，研究最佳的磁化強(qiáng)度。

2.3 陰離子表面活性劑優(yōu)選

在降塵的基礎(chǔ)上，表面活性劑的表面張力越小，煤塵的濕潤性越好，越易于降塵。為了考察表面活性劑的種類及濃度對表面張力的影響，對17種不同種類、濃度的表面活性劑溶液進(jìn)行磁化，考察其微觀特性，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，測量結(jié)果為磁化水的表面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 表面張力測試值

表面張力與表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖3所示，四種表面活性劑在經(jīng)過磁化后的表面張力隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢，磁化后表面活性劑的表面張力均小于磁化水的表面張力，說明磁化后表面活性劑的潤濕性比磁化水好，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要是表面活性劑本身的表面張力就小于水，與磁化效應(yīng)協(xié)同作用后，表面活性劑溶液本身含有的活性基團(tuán)在溶液的界面形成親水基層，將溶液與空氣隔絕，優(yōu)化了表面活性劑溶液的潤濕性能。

圖3 表面張力與表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，四種磁化后的表面活性劑溶液的表面張力都處于最小值，其中十二烷基苯磺酸鈉在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)的表面張力最小。磁化作用主要是通過破壞分子間的氫鍵來降低溶液黏聚力，磁化與表面活性劑的協(xié)同作用，使得磁化后的活性劑溶液的降塵能力增強(qiáng)。與磁化水相比，磁化后的表面活性劑溶液的表面張力更小，潤濕性更強(qiáng)，因此對不同溶液的潤濕效果進(jìn)行測試(圖3)。選用紅柳林煤礦25212工作面的煤塵為實(shí)驗(yàn)材料，并篩選出200目的煤粉進(jìn)行煤塵潤濕性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)根據(jù)表面活性劑的種類及濃度分為六組(表3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

通過煤塵在不同磁化表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間可知，煤塵的在溶液中的沉降速度并不像表面張力那樣呈現(xiàn)單一的下降的趨勢，且除木質(zhì)素磺酸鈉溶液外，其他三種添加劑均在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)的沉降速度最快，其中煤塵在0.5%的磁化二異丁基萘磺酸鈉溶液中沉降時(shí)間為9.6 s，潤濕性最好；

表3 實(shí)驗(yàn)分組

圖4 沉降時(shí)間與表面活性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

煤塵在表面活性劑、水以及磁化水中的潤濕性存在較大的差異，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，煤塵在磁化后的表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間均小于水和磁化水，由上圖可知，表面活性劑溶液在經(jīng)過磁場磁化后煤塵的沉降速度大于普通的磁化水，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的二異丁基萘磺酸鈉溶液在經(jīng)過磁化后的沉降速度最快，較其他磁化表面活性劑溶液潤濕性更好。

2.4 磁場強(qiáng)度對表面活性劑磁化效果影響

根據(jù)表面張力測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及煤塵在磁化后的表面活性劑溶液中的潤濕效果，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉溶液以及二異丁基萘磺酸鈉溶液進(jìn)行磁場強(qiáng)度對表面活性劑磁化效果影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選用7000、8000、9000、10000 Gs等四種不同強(qiáng)度的磁化器研究磁場強(qiáng)度對陰離子表面活性劑的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 0.5%的十二烷基苯磺酸鈉

圖6 0.5%二異丁基萘磺酸鈉

由圖5和圖6分析得出，磁場強(qiáng)度對表面張力影響不大，二者的表面張力在經(jīng)過不同強(qiáng)度磁場磁化后沒有明顯變化，其中十二烷基硫酸鈉溶液在磁化強(qiáng)度為7000 Gs時(shí)表面張力最?。环蹓m沉降時(shí)間能反應(yīng)溶液的潤濕性，二者均在磁化強(qiáng)度為9000 Gs時(shí)的沉降速度最快，此時(shí)二異丁基萘磺酸鈉溶液潤濕性最好。

3 磁化溶液降塵效果實(shí)驗(yàn)研究

為研究磁化對表面活性劑溶液降塵性能影響，將磁化表面活性劑溶液與普通表面活性劑溶液用于噴霧降塵實(shí)驗(yàn)，研究其降塵效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用自主搭建的粉塵實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，裝置包括磁化水溶液制取裝置，粉塵發(fā)生裝置、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)裝置、實(shí)驗(yàn)管道，噴霧除塵系統(tǒng)，粉塵濃度測量系統(tǒng)等。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由1 m×1 m×3.6 m的亞克力板和1 m×1 m×0.4 m的除塵復(fù)合裝置搭建而成。除塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前段采用圓形亞克力透明實(shí)驗(yàn)管道，管道系統(tǒng)的總長度為7 m，直徑為650 mm，壁厚6 mm；后端采用矩形亞克力板3塊(1 m×1 m×1.2 m)，并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后端布置四個(gè)孔徑為1.6 mm、額定流量為2.6 L/min、 額定壓力為3 MPa的高壓噴頭；在管道下方搭建磁化水制取平臺(tái)，通過水泵直接用于噴霧降塵；采用公稱壓力為3 MPa，2JET-35G型增壓水泵作為加壓裝置；粉塵從發(fā)射器上端進(jìn)入，從前端以點(diǎn)狀向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)前端管道發(fā)射粉塵；利用CCZ-20A型礦用粉塵采樣器進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為1 min，流量為20 L/min，在噴嘴前后兩端布置測點(diǎn)，測量粉塵濃度變化，在高壓噴嘴前側(cè)2 m和后側(cè)1 m處分別對稱布置兩組測點(diǎn)，共四個(gè)測點(diǎn)(圖8)，并忽略這一距離內(nèi)的自由沉降。粉塵的采樣通過粉塵采樣儀內(nèi)部采樣濾膜和抽氣機(jī)來完成，將粉塵濃度測量儀布置在四個(gè)測點(diǎn)處，采用濾膜取樣稱重法測定降塵效率，萬分之一電子天平進(jìn)行稱重。

圖8 測點(diǎn)位置

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究磁場對表面活性劑溶液降塵性能的影響，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，四種表面活性劑均在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)潤濕性較好，因此配置4種未經(jīng)磁化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的表面活性劑溶液與4種經(jīng)過9000 Gs強(qiáng)度的磁場磁化后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的表面活性劑溶液；控制噴霧量為450 L/(h·m2)，風(fēng)速為3 m/s，利用控制變量法實(shí)驗(yàn)對比分析磁化對表面活性劑溶液的降塵效率；實(shí)驗(yàn)條件見表4，其中BX(C)、CAS(C)、SDS(C)、SDBS(C)均為經(jīng)過磁化的表面活性劑溶液。

表4 實(shí)驗(yàn)條件

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)研究磁化器對表面活性劑溶液的降塵性能，在4個(gè)測點(diǎn)處分別安放粉塵采樣器，共采樣3次，干燥后計(jì)算得到粉塵質(zhì)量濃度平均值(表5)，粉塵質(zhì)量濃度計(jì)算式為：

式中，m1為采樣前濾膜質(zhì)量，mg；m2為采樣后濾膜質(zhì)量，mg；V為采樣空氣體積，L。

表5 應(yīng)用不同降塵技術(shù)后粉塵濃度對比

表面活性劑降塵效率如圖9所示，根據(jù)圖9分析得出，相比于傳統(tǒng)的水霧除塵，采用磁化水對呼吸性粉塵及全塵的降低效果比傳統(tǒng)水噴霧降塵的技術(shù)分別提高了19.8%、26.86%。表面活性劑溶液與高壓噴霧結(jié)合的降塵效率普遍高于水噴霧，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的四種表面活性劑溶液在經(jīng)過磁化后降塵效果均比磁化前好，其中四種質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的表面活性劑溶液磁化后的降塵效率比磁化前均提高了近10%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉溶液在經(jīng)過磁場磁化后對呼吸性粉塵的降塵效率比傳統(tǒng)水噴霧技術(shù)的降塵效率提高了38.89%，比磁化前提高了8.91%；0.5%十二烷基硫酸鈉溶液在磁化后對全塵的降塵效率比傳統(tǒng)水噴霧技術(shù)提高了45.46%。

圖9 表面活性劑降塵效率

4 結(jié) 論

1)針對煤塵具有較強(qiáng)的疏水性，結(jié)合磁化器對水分子的磁化原理，將磁化技術(shù)與表面活性劑相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)研究磁化后的表面活性劑溶液對粉塵的潤濕性效果；表面張力測量實(shí)驗(yàn)及煤塵在磁化后的添加劑溶液中的沉降時(shí)間表明在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，二異丁基萘磺酸鈉與十二烷基苯磺酸鈉溶液在經(jīng)過磁化器磁化后對煤塵都具有較強(qiáng)的潤濕性。

2)磁化條件對表面活性劑的降塵性能有一定的影響，選用7000、8000、9000、10000 Gs等四種不同強(qiáng)度的磁化器對潤濕性能較好的0.5%的十二烷基苯磺酸鈉溶液以及二異丁基萘磺酸鈉溶液進(jìn)行磁化，研究最佳的磁化強(qiáng)度，結(jié)果表明9000 Gs的磁場強(qiáng)度下的0.5%二異丁基萘磺酸鈉潤濕性最好。

3)將磁化后的表面活性劑溶液用于噴霧降塵實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁化后的表面活性劑溶液的降塵性能優(yōu)于原有的表面活性劑溶液；相對于傳統(tǒng)的噴霧降塵技術(shù)，磁化后的表面活性劑溶液的降塵效率普遍較好，其中磁化后的十二烷基苯磺酸鈉溶液對呼吸性粉的降塵效率提高了38.35%、十二烷基硫酸鈉溶液對全塵的降塵效率提高了45.46%。