表面活性劑強化噴霧用水潤濕性能的實驗研究

劉黎明

(湖南九九智能環保股份有限公司， 湖南 長沙 410007)

0 引言

煤炭是中國的主體能源，約占一次能源消費總量的三分之二[1]。煤炭開采過程中產生大量粉塵，在粉塵濃度高的環境中，長時間工作的勞動者的健康和生活的安全性受到嚴重威脅。目前，煤礦井下采掘作業場所主要采用煤體預注水[2]、通風控塵、除塵器抽塵凈化[3]、噴霧降塵及封閉隔塵等防塵措施[4]。噴霧降塵具有經濟、簡便等優點，已成為煤礦粉塵防治的主體技術[5]。煤塵具有一定的疏水性，是因為其表面有極性基團[6]。同時，由于常規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，國內外學者開展了大量有關表面活性劑溶液物理性質方面的研究工作，表面張力是液體十分重要的一個物性參數。長期以來學者們對表面活性劑溶液的表面張力做了許多詳盡的研究，研究的內容包括表面活性劑種類、質量濃度等。部分學者也對表面活性劑溶液的表面張力進行了研究，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。村田逞詮通過化學方法，定量分析了煤的表面官能團，得到煤的潤濕性與其有緊密的關系[8]。Russell J等人通過研究不同煤中的不同煤階、不同無機礦物與潤濕性的關系，得出煤表面潤濕性主要取決于氫和氧元素含量之比的結論[9]。

目前，各國學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展，特別是在表面活性劑種類和溶液質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，結合表面活性劑的物理化學性質分析影響煤塵潤濕性的主要因素，充分認識煤塵潤濕過程，探究煤塵潤濕的本質，可為表面活性劑在煤礦噴霧降塵領域的現場應用提供理論指導。

1 實驗材料和方案

1.1 材料

在參考國內外噴霧降塵礦用表面活性劑的基礎上，優選出在實際應用中使用頻率較高的陰、非離子兩類試劑各兩種進行實驗研究，考察表面活性劑溶液潤濕性能。實驗中使用的表面活性劑見表1。

選擇中國主要煤炭生產基地的3種不同類型的煤塵進行潤濕性能實驗研究。實驗所用煤樣分別選自湖南興源的無煙煤、貴州發耳的瘦煤、山西萬峰的焦煤。將3種煤樣分別通過粉碎機破碎1 min后，采用100目標準工業篩篩分出煤塵樣品。將煤塵樣品放入真空干燥箱內干燥，設定溫度80℃，干燥時間480 min，干燥完后放入密封袋內備用。表2為所選煤粉的工業性能指標。

表1 實驗所選用的4種表面活性劑

表2 實驗所選用煤塵的工業性能分析指標

1.2 方案

（1）表面張力實驗。表面張力是影響表面活性劑溶液潤濕性能的重要參數。設定所有溶液溫度為25℃，使用表面張力儀對各溶液在不同質量分數下測定其表面張力。實驗共設置了6個質量分數，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）接觸角實驗。對上述 4種表面活性劑溶液和6種質量分數組合下的24種溶液的潤濕性能進行了測定。實驗采用接觸角來評價表面活性劑溶液對3種不同類型煤塵的潤濕性能。取各煤粉400 mg加入模具，將模具放入臺式粉末壓片機，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，每個煤塵樣品測量3個試片，取平均值。

2 實驗結果與分析

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行測定，測定數據見圖1。

由圖1可看出，在表面活性劑處于較低濃度范圍時，濃度增加，表面張力逐漸降低。最終表面張力會有一個最低點，這個點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，表面張力呈現指數下降趨勢，之后的表面張力下降到最低，濃度再增加時下降趨勢變為平緩，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，當試劑濃度在0～0.005%時，呈指數下降，這是因為在較低濃度時，溶解于水中的試劑是以單個分子形式存在的，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]；當溶液濃度增加，單分子在液面的吸附基本達到飽和，空氣和水的接觸面不再減小，只有溶液中的膠束數目在增加時，表面張力不再變化[12]。Tween-80在質量濃度為0.05%時，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

在質量分數大于0.005%時，溶液可以達到較好的潤濕效果，從經濟條件出發并結合礦山使用習慣，選擇溶液質量濃度大概為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行測量，依據實驗數據做出圖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。這是因為表面活性劑可以提高溶液的表面活性，從而降低表面張力，使得煤塵吸附變得簡單[13]。以SDBS在瘦煤上的接觸角為例，其實驗投影圖像如圖3所示。

溶液濃度為0.005%時，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范圍內增強煤塵的潤濕性的結論[14]。實驗數據見圖4。

從圖4中看出，OP-10溶液的潤濕性能最優，在相同的質量濃度下，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。在質量濃度為0.05%時，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 結論

在本次研究中，通過表面張力、接觸角等潤濕性實驗，掌握了表面活性劑溶液潤濕煤塵的性能，重點考察了表面活性劑種類、質量分數等對表面活性劑溶液潤濕性能的影響，得出如下結論。

（1）表面張力的研究結果表明，溶液的表面張力均隨著表面活性劑質量分數的增大呈現降低的趨勢；當表面活性劑質量分數達到CMC后，溶液的表面張力不會再因為濃度而明顯下降；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。

（2）接觸角實驗表明，表面活性劑質量分數的提高，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，在相同的質量分數下，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不同，其對不同煤質的潤濕性也不同。