基于表面力測量的煤塵潤濕劑與煤相互作用研究

陳 曦，張志強，李仲文，鄔叢珊

（太原理工大學礦業工程學院，山西太原 030024）

煤炭在開采和生產過程中會產生大量粉塵，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會導致職工患塵肺病、加劇設備磨損、造成煤塵爆炸的嚴重事故等[3-5]。常用的抑塵方法有：通風、靜電除塵、個人防護、封閉隔離、噴霧除塵等[6-10]。

然而目前對化學抑塵劑抑制煤塵的表征方法還缺乏深入研究，依舊存在潤濕煤塵性能差的現象。通常測量煤塵潤濕性的方法有：煤塵沉降實驗法、接觸角法、動力試驗法、上下向毛細管滲透法、還可以通過測量動態表面張力考察表面活性劑分子在水中的運動情況等等[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濕煤塵或煤塊的實驗。如果測量試劑與被測物體之間的相互作用力，無疑可以更本質上理解二者之間的相互作用。Wang等[15]設計了集成的薄膜排水設備（ITFDA）；Zhang等[16]使用雙壓壓電晶片力傳感器對此裝置進一步改進，且它的力的分辨率為1 μN。在此基礎上，對上述裝置做了進一步改進，研究了表面活性劑溶液液滴潤濕煤塊過程的作用力，為煤塵潤濕研究提供參考。

1 實驗材料與方法

接觸力測量裝置圖如圖1。

圖1 接觸力測量裝置圖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轉換器將信號傳輸到電腦，用labview 程序測量數據。壓電片探針右端連接透明玻璃管，用來連接液滴。右端正對液滴處放置攝像頭，用來錄制實驗過程中液滴形狀的變化。液滴下方為電機，用于控制煤塊的上下移動，電機上放置升降臺，用于微調煤塊的移動，煤塊置于升降臺上，并位于液滴正下方的位置。然后，玻璃管端附著液滴后，啟動電機，以0.58 mm/s 勻速向上移動。發生附著后，停滯5 s 后以相同速度勻速向下移動煤塊，直至液滴斷裂。每組實驗進行3 次，最終取平均值。

2 實驗結果

2.1 煤塊與液滴相互作用動態過程

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

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#點前，煤塊向上朝著液滴以0.58 mm/s的速度勻速移動的過程，煤塊和液滴距離逐漸減小，此時煤塊還未觸碰到液滴。到了2#點時，煤塊離液滴很近，處于即將要接觸前的一刻，此時煤塊對液滴有1 個很小的引力，液滴會發生垂直向下地微變形，使得液滴尖端離煤塊更近，此誘導時間段煤塊運動距離設為1.5 cm。

2）煤塊繼續向上運動到達3#點時，煤塊與液滴接觸，形成了煤-空氣-液滴三相接觸線（TPC）。煤塊繼續向上運動，三相接觸線增大，說明液滴在煤塊表面鋪展。發生此現象是因為，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，所以系統傾向于向液-固接觸面積大的方向轉變，即液體在煤表面擴散是吉布斯自由能降低的自發過程；此過程中伴隨著產生1 個向上的斥力，斥力逐漸增大，發生此現象可能是因為液滴在煤塊表面鋪展的速度較慢，而煤塊繼續向上運動，液滴被壓縮，導致液滴與煤塊之間的斥力持續增大。到4#點時，液橋寬度達到最大斥力產生之前的最小值，而三相接觸線達到最大值，此過程煤塊運動的距離約為0.2 mm。煤塊再繼續向上運動0.91 mm 后在5#點時停止。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到最大，此時液橋寬度達到最大。

3）之后煤塊停止運動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，但此過程液橋寬度和三相接觸線長度均未發生改變，分析其可能是因為液滴向煤塊里層的滲入引起的。

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

2.2 不同量濃度AEO9 溶液與煤塊作用動態過程

為了探究表面活性劑溶液量濃度對相互作用力的影響，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間變化的曲線，不同量濃度AEO9 溶液表面力隨時間變化圖如圖3。不同量濃度AEO9 溶液的表面力相關參數見表1。

圖3 不同量濃度AEO9 溶液表面力隨時間變化圖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，表明溶液潤濕煤塵的效率也隨量濃度的增大逐漸減小；對比三者到達最大斥力所用時間發現，5×10-5、8×10-5mol/L的溶液所用時間幾乎相同，而1.5×10-4mol/L 溶液所用時間略短，表明1.5×10-4mol/L 的溶液潤濕速率比5×10-5、8×10-5mol/L 的溶液要高。將潤濕效率和潤濕速率綜合對比可知，1.5×10-4mol/L 的溶液的潤濕能力最強。對比三者最大三相接觸線（最大TPC）長度可知，其大小關系為1.5×10-4mol/L＜5×10-5mol/L＜8×10-5mol/L。這表明，在幾乎相同的時間內，量濃度為8×10-5mol/L 溶液鋪展最快，5×10-5mol/L 的溶液次之，可忽略其向煤塊內部的滲入；而1.5×10-4mol/L 的溶液鋪展最慢，但對比溶液潤濕能力可知，理論上1.5×10-4mol/L 的溶液鋪展應是最快的，但是實際測得的卻最小，分析應該是由于其量濃度太大，導致鋪展過程中發生了向煤塊里層的滲入，所以會發生三相接觸線較短的現象，證實了其潤濕能力最強的結論。

表1 不同量濃度AEO9 溶液的表面力相關參數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動過程中變化的快慢對比那么明顯，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，所以液體潤濕煤塊速度的快慢沒有顯著差別。煤塊接著向下運動時，量濃度為1.5×10-4mol/L 的試劑引力的“突然增大時刻”明顯比其它2 條曲線更快到達，說明溶液在所受外界施加的拉力比較小時，就會到達其將要斷裂的點，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向下才會使得毛細液橋被“拉斷”。表1 中，3 種試劑能夠達到斷裂時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，潤濕煤塵的能力越強。

2.3 相同量濃度不同試劑與煤塊相互作用動態過程

為了探究脂肪醇聚氧乙烯醚（下文簡稱為AEO）系列的不同表面活性劑對溶液與煤塊相互作用的影響，實驗選取了基團和鏈結構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 溶液進行對比實驗，量濃度均為1.5×10-4mol/L 的3 種試劑表面力對比如圖4，不同試劑表面力相關參數見表2。

表2 不同試劑表面力相關參數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 溶液潤濕煤塵的效率最高，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。對比3 種試劑到達最大斥力所用時間可知，其大小關系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。表明3 種試劑中，AEO9 溶液潤濕煤塊速率最快，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。將3 種試劑對煤塊的潤濕效率和潤濕速率綜合對比，可知AEO9 溶液潤濕煤塵的能力最強。對比三者最大三相接觸線可知，三者長度大小關系為AEO9＜AEO7＜AEO12，表明在幾乎相同的時間內，AEO12 溶液鋪展最快，AEO7 溶液次之，AEO9 溶液鋪展最慢，與其潤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，均會有明顯地向煤塊里層滲透的現象，且AEO9 溶液比AEO7 溶液滲透的更多，所以也證實了其潤濕能力最強的結論。從3 種試劑分子結構角度分析：AEO7、AEO9、AEO12 的疏水端鏈結構一致，親水端鏈長依次變長，理論上AEO7 溶液液滴潤濕煤塵效果最差，AEO12 溶液潤濕最強。但實際測得AEO9 溶液潤濕性最強，可能是因為AEO12鏈長越長，分子在水中擴散運動反而變得較慢，導致分子吸附到液體表層的速率變慢，從而導致其潤濕性變差。

后續過程中，對比差異比較明顯的是，煤塊與液滴脫離接觸時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，以達到更高的降塵效率。

3 結 語

1）實驗測量了量濃度分別為5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L 的表面活性劑AEO9 溶液潤濕煤塊的相互作用過程，來考察表面活性劑量濃度對相互作用的影響。測量結果表明，3 個量濃度溶液最大斥力為5×10-5mol/L＞8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。到達最大斥力所用時間大小關系為：5×10-5mol/L≈8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。則綜合考慮3 種量濃度溶液潤濕煤塵的效率和速率可知量濃度為1.5×10-4mol/L 的溶液潤濕煤塵能力最強。實驗所測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，在實際應用中越容易被分散成小液滴，加大與煤塵顆粒結合的概率，降塵效率將更高。

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