不同磁化抑塵劑對煤粉潤濕性影響規律的實驗研究*

荊德吉，任帥帥，葛少成

(1. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術大學 安全科學與工程研究院，遼寧 阜新 12300；3. 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室(遼寧工程技術大學)，遼寧 阜新 12300；4. 太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030000)

0 引言

在未來較長時間內，煤炭仍將是中國主要能源，而煤礦粉塵的污染問題日益突出，高濃度粉塵會對工作人員身體健康造成很大危害，加劇電氣設備磨損，存在嚴重安全隱患，因此治理輸煤系統中產生的粉塵至關重要,合理地防治粉塵污染,最大限度減小其危害,對礦山安全生產與治理而言有極其重要的意義[1-5]。

目前，普遍采用的噴霧降塵是建立在重力沉降機理上的一種簡單降塵方法[6]。許多學者通過研究水中加入表面活性劑降低水的表面張力，增強對煤塵的潤濕和捕集[7-14]。但即使加入活性劑，對微細粉塵的降塵效果不能達到預期效果。在磁化水研究領域，有關學者研究表明磁化水技術可以使水的黏性下降，從而改變水的表面張力[15]。水經磁化后，水分子極性增強，容易與其他物質形成物理鍵而產生吸附作用，但是磁化水降塵技術尚未成熟。

基于此，本文對表面活性劑進行不同強度磁化，采用座滴法測量各種表面活性劑在煤樣表面的接觸角，進而推斷磁化強度與不同濃度表面活性劑對煤塵的潤濕性影響，更好地得出活性劑種類、濃度和磁化強度對降塵效果的影響。

1 試驗

1.1 試驗試劑及樣品

實驗選用的3種表面活性劑，根據Critical Micelle Concertration(CMC,表面活性劑分子在溶劑中締合形成膠束的最低濃度，即達到水對煤樣的最佳潤濕性。)每種活性劑與蒸餾水配比出5種不同濃度的試劑，觀察磁化強度與濃度對煤樣的接觸角影響，進行橫向對比后再進行接觸角變化趨勢的縱向對比。表面活性劑的CMC值以及磁化強度見表1。實驗選用煤樣品的工業分析測定見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 實驗設計

實驗前，將配置好的溶液吸入接觸角測量特制針管進行5 min的磁化。之后，將電動注水系統使用后進行調零，把樣品平臺調至水平后升降樣品平臺進行相機對焦并設置幀數，再把制好的煤樣玻片水平放置在樣品平臺正中心，調節LED冷光源使相機顯示煤樣表面平整清晰可見，避免影響接觸角測定引起較大誤差。在待測液體接觸到煤樣之前按下拍攝鍵，避免遺漏接觸瞬間圖像。每進行1組接觸角測量，便重新更換新的煤樣玻片，避免重復利用對煤樣產生污染進而影響測定結果。

1.2.2 接觸角測量

將試驗煤樣用煤料篩分至61 um以下，置于帶圓形凹槽的玻璃片中，用薄玻璃片將其表面壓平，滴入95%純度乙醇進行分散，待乙醇揮發后，樣品固定在載玻片上，研磨裝片后煤樣見圖1。采用高純度乙醇處理的目的是模擬抑塵劑可以在較平整的煤粉表面條件下進行接觸試驗的相似環境，拍攝不同濃度、磁化強度的表面活性劑溶液在煤粉表層的接觸角。待測液體分別為十二烷基三甲基氯化銨 (DTAC)、辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)和十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS)，將磁化裝置設置為磁化強度分別300，500，700 mT，對3類5種濃度不同的溶劑進行磁化。使用ZJ-7000 接觸角測試儀采用座滴法測定煤樣表面的靜態接觸角，磁化裝置與接觸角測量儀見圖2，光學接觸角測量原理見圖3。通過使用微型注射器，每次增加1 μL，捕捉液滴下落與煤粉樣品接觸瞬間進行5組測試，取其平均值作為測試結果，使用工業相機進行拍攝，設置為30幀。所有實驗均在室溫下進行，溫度為25.0±0.5℃。

表1 試驗用表面活性劑Table 1 Surfactants used for testing

表2 試驗選用煤樣Table 2 Coal samples selected for testing

圖1 煤樣壓片Fig.1 Coal sample compression sheet

圖2 實驗儀器Fig.2 Experimental apparatus

圖3 視頻光學接觸角測量原理Fig.3 Principle of video optical contact angle measurement

2 實驗結果分析

2.1 不同磁化強度活性劑與煤樣表面的接觸角

本實驗選用的3類5種濃度不同的溶劑進行磁化，測得與煤樣接觸角度關系見圖4～6；濃度為1.2×10-3mol·L-1的SDBS溶液在磁化強度為500 mT時與煤樣的接觸角見圖7，圖中L為液滴與煤樣的左接觸角切線值，R為右接觸角切線值，CA為平均值。

圖4 DTAC溶液磁化后接觸角變化Fig.4 Change of contact angle after magnetization of DTAC solution

圖5 OP-10溶液磁化后接觸角變化Fig.5 Change of contact angle after magnetization of OP-10 solution

圖6 SDBS溶液磁化后接觸角變化Fig.6 Change of contact angle after magnetization of SDBS solution

2.2 表面活性劑對潤濕性的影響

根據圖4～7，當溶液濃度未達到CMC值，隨著溶液濃度的增加，接觸角值迅速減小，潤濕能力迅速提升。在溶液濃度達到CMC值后，隨著溶液濃度的增加接觸角值緩慢增加，變化效果趨于平穩。表明當表面活性劑濃度為CMC值時，表面張力趨于最小，潤濕能力良好；煤表面上3種表面活性劑的接觸角值隨著濃度的增加而降低，并且陰離子表面活性劑的接觸角的測量值小于其他2種表面活性劑的接觸角的測量值，非離子表面活性劑接觸角測量值小于陽離子接觸角測量值。表明在濃度達到臨界膠束濃度時陰離子表面活性劑制備的溶液的表面張力最小，非離子表面活性劑制備的溶液表面張力其次，陽離子表面活性劑的表面張力最大，陰離子表面活性劑溶液對煤樣潤濕能力最好，非離子表面活性劑溶液潤濕能力其次，陽離子表面活性劑對煤樣的潤濕能力最差；當表面活性劑的濃度接近其CMC值，不同表面活性劑對煤樣的潤濕性表現各異。這充分證明了活性劑的潤濕能力與其濃度及本身性質密切相關。

圖7 接觸角測量Fig.7 Measurement of contact angle

2.3 磁化強度對潤濕性的影響

經過磁化后的活性劑溶液對煤樣的浸潤性都有不同程度的增加，隨著接觸角的降低說明溶液的表面張力越小液滴更易破碎。在CMC值之前隨著磁化強度的增強接觸角下降幅度不大，是因為活性劑對水的活化效果已經達到最大，下降幅度只與磁化裝置對水的磁化強度有關。而在CMC值之后濃度越高的活性劑在300，500 mT磁化強度時接觸角減小速率沒有在700 mT磁化強度時的大，所以接觸角減小速率隨磁化強度增加而增大，在700 mT時降低幅度趨于平緩，其主要原因是高濃度活性劑在低磁化強度時并未完全發揮對水的活化效果，在達到一定磁化強度時水的磁化效果趨于平緩，進而導致接觸角、表面張力變化幅度也趨于平緩。其機理及解釋為：微小粒徑粉塵通過粘濕、鋪展和浸濕3個過程后重力沉降。粘濕是與粉塵接觸的空氣被水分子或活性劑分子取代的過程，也是決定對粉塵潤濕能力強弱的決定性因素，其磁化前后形式見圖8。活性劑由2種極性的親水基與疏水基組成，活性劑配置為溶液后，活性劑分子完全被水分子包圍，親水基居于水分子表面內，疏水基被排斥而向外伸展，活性劑的分子在水溶液表面形成緊密的定向排列層，又稱為界面吸附層。在磁化之后，界面吸附層允許更多的活性劑分子被添加到水分子界面的表面層，使得水分子和空氣之間的接觸面積大大減小，這導致水的表面張力降低，使得水滴易于破碎并在粉塵表面上擴散浸濕。同時，疏水基的極性吸附作用將灰塵顆粒吸入水中，界面吸附層可以將低能粉塵的表面變成高能表面,增強與水的親和性。

圖8 磁化前后對比Fig.8 Comparison before and after magnetization

2.4 煤塵沉降Walker實驗

將100 mg煤粉輕輕地堆放于清水與4組質量分數為1.2×10-3mol/L的SDBS溶液表面,其中3組SDBS溶液進行300，500 ，700 mT磁化。使煤粉自然沉入液體中, 分別記錄煤粉完全沒入液面所需時間, 以沉降過程中的浸潤表現、清濁狀況和所需時間來評價溶液對粉塵的潤濕能力，沉降時間見表4，沉降效果見圖9。結果發現：SDBS溶液較清水煤塵沉降時間變化明顯，SDBS溶液經300 mT磁化后浸潤煤塵效果提升顯著，但在500 mT后效果穩定無明顯增長。清水時煤塵浸入水中表現松散無明顯沉降規律，但在加入SDBS溶劑進行磁化后沉降過程變化呈逐漸清晰的線性軌跡。煤塵沉降實驗時間較長，考慮到試劑消磁現象，會與接觸角測量實驗結果有些許誤差。

表3 煤塵沉降時間Table 3 Settlement time of coal dust

圖9 煤塵沉降效果Fig.9 Settlement effect of coal dust

3 結論

1)當表面活性劑濃度接近CMC值，潤濕能力表現良好。表面活性劑的潤濕能力隨濃度的升高而增強。當濃度增加到臨界膠束濃度后，潤濕能力沒有顯著變化。

2)以臨界膠束濃度為衡量基準，活性劑對煤樣的潤濕能力，陰離子表面活性劑SDBS潤濕能力最佳，非離子表面活性劑OP-10潤濕能力其次，陽離子表面活性劑DTAC潤濕能力最差。

3)磁化后溶液對煤塵潤濕能力有顯著提升，在磁化強度為300 mT時潤濕性變化效果明顯,500 mT后變化效果增強但潤濕性提升不多并趨于穩定。

4)抑塵劑加磁后煤塵沉降效果顯著提升，300 mT磁化降塵效果變化最大，浸潤效果清晰均勻，500 mT磁化效果最好，在700 mT時趨于穩定，沉降效果不再提升。

5)對比研究了不同活性劑與磁化強度的協同增效作用，為今后的深入研究奠定基礎，但未能在工作面進行實際應用，在實際應用中應加入循環水泵進行往復磁化，提升磁化效果。