復(fù)配型表面活性劑協(xié)同無機(jī)鹽潤(rùn)濕煤塵性能研究*

劉 合，葛少成，孫麗英，陳 曦，張小偉，韓宗琪，陳景序

（1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

粉塵作為我國(guó)煤礦開采的主要污染源，不僅嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)安全，也嚴(yán)重危害職工健康安全，因此，應(yīng)加快推進(jìn)我國(guó)煤礦粉塵治理工作[1]。噴霧降塵是井下廣泛采用的除塵技術(shù)[2-3]，影響其降塵效果的主要因素有：煤塵性質(zhì)、霧化參數(shù)和液體介質(zhì)。煤塵性質(zhì)在生產(chǎn)過程中不易發(fā)生改變，因此相關(guān)研究大多集中在霧化參數(shù)優(yōu)化和液體介質(zhì)選用2 個(gè)方面[4-6]。

關(guān)于液體介質(zhì)的選用，趙璐等[7]、張京兆等[8]通過測(cè)定不同類型表面活性劑單體溶液與復(fù)配溶液的表面張力、接觸角等參數(shù)，探究復(fù)配型表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響規(guī)律；Wang等[9]、翁安琦等[10]通過對(duì)比各類型表面活性劑的潤(rùn)濕效果，發(fā)現(xiàn)陰、非離子型表面活性劑單體與復(fù)配溶液潤(rùn)濕煤塵的效果均較優(yōu)，且可與無機(jī)鹽配合抑塵；程錦等[11]采用試驗(yàn)與理論模型相結(jié)合的方法，研究混合表面活性劑各組分間的協(xié)同效應(yīng)。關(guān)于霧化參數(shù)的優(yōu)化，蔣仲安等[12]研究噴嘴的霧化特性、沖擊氣流對(duì)噴霧捕塵能力的影響；張?zhí)斓萚13]提出超音速噴霧降塵技術(shù)，通過試驗(yàn)研究得到不同工況參數(shù)對(duì)降塵速率的影響規(guī)律?，F(xiàn)有研究表明陰、非離子型表面活性劑復(fù)配協(xié)同效應(yīng)顯著，但其復(fù)配方式對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響機(jī)理尚未達(dá)到共識(shí)[14]。因此，本文在采用新型超音速虹吸式空氣霧化噴嘴的基礎(chǔ)上，將陰、非離子表面活性劑進(jìn)行兩兩復(fù)配，并添加無機(jī)鹽保水劑，針對(duì)長(zhǎng)焰煤開展接觸角、表面張力等試驗(yàn)，從靜態(tài)及動(dòng)態(tài)角度分析復(fù)配型表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為霧化降塵技術(shù)提供潤(rùn)濕效果優(yōu)良的溶液配方。

1 試驗(yàn)樣品制備

1.1 煤樣樣品制備

試驗(yàn)采用內(nèi)蒙古黃玉川煤礦的長(zhǎng)焰煤。用球磨機(jī)將煤塊碾磨粉碎后過濾篩選200 目及以上的煤塵，收集并烘干，作為本次試驗(yàn)所用樣品。

1.2 表面活性劑選取

選取常用的6 種表面活性劑具體參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)所用表面活性劑Table 1 Surfactants for testing

2 靜態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及步驟

試驗(yàn)采用東莞市晟鼎精密儀器有限公司的科研型SDC-350 接觸角測(cè)量?jī)x，該儀器可以同時(shí)測(cè)定接觸角與表面張力，具體試驗(yàn)步驟如下：

1）測(cè)定不同濃度下6 種表面活性劑單體的接觸角及表面張力，記錄數(shù)據(jù)并確定其臨界膠束濃度（CMC）。

2）根據(jù)團(tuán)隊(duì)前期研究成果得知，6 種表面活性劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)均已達(dá)到臨界膠束濃度，故按總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%將6 種表面活性劑等比例兩兩復(fù)配，通過測(cè)定與計(jì)算復(fù)配液接觸角和表面張力對(duì)比清水的下降率，選出協(xié)同效果最優(yōu)的3 組復(fù)配液，分別記為復(fù)配液Ⅰ，復(fù)配液Ⅱ，復(fù)配液Ⅲ。

3）選取硫酸鈣GaSO4、硫酸鈉Na2SO4、氯化鈣GaCl2、氯化鈉NaCl 4 種無機(jī)鹽，分別加入復(fù)配液Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中攪拌均勻，測(cè)定混合體系的接觸角和表面張力，對(duì)比優(yōu)選出最適合復(fù)配液Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的無機(jī)鹽。

4）將復(fù)配液Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ與優(yōu)選出的無機(jī)鹽進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定3 組配方的最佳濃度。

2.2 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）復(fù)配型表面活性劑優(yōu)選

對(duì)表面活性劑單體及復(fù)配液進(jìn)行表面張力、接觸角測(cè)定（當(dāng)?shù)厮慕佑|角為54.55°，表面張力為73.74 mN/m），測(cè)定結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

由圖1（a）可知，SAS-60 與AES 復(fù)配液的表面張力為26.88 mN/m，比SAS-60、AES 單體溶液的表面張力都小，存在協(xié)同增效效應(yīng)；而SAS-60 與快T和AES與快T的復(fù)配液表面張力值均處于單體之間，說明出現(xiàn)拮抗現(xiàn)象。由圖1（b）～圖1（c）可知，存在協(xié)同效應(yīng)的復(fù)配液組合為JFC-C+AEO-7、SAS-60 +X-100、SAS-60 +JFC-C、SAS-60 +AEO-7，其他復(fù)配液組合都存在拮抗作用。

由圖1可知，陰+陰、非+非、陰+非離子型復(fù)配液組合的表面張力都在35 mN/m以下，且對(duì)比清水的表面張力下降比都約在60%及以上，說明在水中添加表面活性劑能顯著降低水的表面張力。同時(shí)，對(duì)比圖1中不同類型表面活性劑的復(fù)配效果可知，無論是同一種表面活性劑還是不同種表面活性劑之間進(jìn)行復(fù)配，其結(jié)果都存在不一致性，即可能存在協(xié)同增效作用，也可能出現(xiàn)拮抗現(xiàn)象。因此針對(duì)不同類型的煤種，在選擇表面活性劑進(jìn)行復(fù)配時(shí)，應(yīng)注意利用不同組分的特點(diǎn)，使復(fù)配體系具有比單一表面活性劑更優(yōu)越的性能。

圖1 復(fù)配溶液與單體溶液表面張力變化對(duì)比Fig.1 Comparison of surface tension change between compound solution and monomer solution

由圖2可知，復(fù)配液中存在協(xié)同效應(yīng)的組合為SAS-60 +AES、X-100 +JFC-C、JFC-C+AEO-7、SAS-60 +X-100、SAS-60 +AEO-7、AES +X-100，其中SAS-60 +X-100 復(fù)配液接觸角最小，說明SAS-60 +X-100 復(fù)配液具有良好的煤塵潤(rùn)濕性。

圖2 復(fù)配溶液與單體溶液接觸角變化對(duì)比Fig.2 Comparison of contact angle change between compound solution and monomer solution

噴霧除塵技術(shù)中，溶液從噴嘴噴出到接觸煤塵共經(jīng)歷2 次界面變化。第1 階段：溶液噴射到空氣中，此時(shí)氣相與液相接觸，氣液兩相界面引起的分子作用力為表面張力，表面張力越小，液滴越易破碎，捕集微小煤塵的能力越強(qiáng)；第2 階段：溶液與煤塵碰撞，此時(shí)氣、液、固三相接觸，自固-液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角即為接觸角，接觸角越小，則液滴越易浸潤(rùn)煤塵，除塵效果更佳。綜上，表面張力與接觸角均為表征溶液潤(rùn)濕煤塵性能的關(guān)鍵因素，但其表征的對(duì)象不同，故可能存在接觸角具有協(xié)同效應(yīng)而表面張力出現(xiàn)拮抗的現(xiàn)象。有效潤(rùn)濕煤塵顆粒的臨界表面張力值約為45 mN/m，本文試驗(yàn)所得復(fù)配液的表面張力值均在35 mN/m以下，故在表面張力已滿足需求，而接觸角與表面張力又存在相反效果時(shí)，以接觸角的值作為衡量溶液對(duì)煤塵潤(rùn)濕性能的參數(shù)更佳。

由圖1～2 可知，SAS-60 +JFC-C 2 組復(fù)配液雖存在表面張力具有協(xié)同效應(yīng)，但接觸角皆存在拮抗作用的現(xiàn)象；X-100 +AES、X-100 +JFC-C 2 組復(fù)配液的接觸角雖存在協(xié)同效應(yīng)，但其接觸角的值相對(duì)偏大，故這3組復(fù)配液不做采用。綜上優(yōu)選出接觸角值和表面張力值都偏低且存在一致協(xié)同效應(yīng)的復(fù)配液有3 組，分別記為復(fù)配液Ⅰ：SAS-60 +X-100；復(fù)配液Ⅱ：SAS-60 +AES；復(fù)配液Ⅲ：AEO-7 +JFC-C。

2）無機(jī)鹽優(yōu)選

按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的重量稱取4 種無機(jī)鹽，將其分別加入復(fù)配液Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中攪拌均勻，對(duì)所得混合體系進(jìn)行接觸角、表面張力的測(cè)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 混合體系表面張力、接觸角變化對(duì)比Fig.3 Comparison of surface tension and contact angle change of mixed system

由圖3可知，3 組復(fù)配液僅與CaCl2混合后，表面張力與接觸角明顯下降，這是由于Na2SO4，GaSO4對(duì)非離子型表面活性劑疏水基的鹽溶作用會(huì)使表面活性劑的CMC變大；且CaCl2相對(duì)于NaCl，Ga2+所帶正電荷比Na+多，更容易中和陰離子型表面活性劑中的電荷，減小極性基中的相互作用，降低表面張力。故優(yōu)選GaCl2作為3 組復(fù)配液的保水劑。

3）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文以接觸角大小作為衡量溶液潤(rùn)濕煤塵性能的指標(biāo)，采用SPSS 軟件生成三因素四水平正交試驗(yàn)表，記復(fù)配液Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ與CaCl2的正交設(shè)計(jì)分別為方案A，B，C，試驗(yàn)結(jié)果如表2～4 所示。

接觸角越小，潤(rùn)濕性越好，故3 個(gè)因素中K值最小的水平即為最佳濃度，極差R的大小可以表征影響因素的主次，R值越大，則影響越顯著。由表2～4 可知，方案A的最佳濃度配比為0.08%SAS-60 +0.04%X-100 +0.04%GaCl2，SAS-60 為主要影響因素；方案B的最佳濃度配比為0.04%SAS-60 +0.06%AES +0.08%GaCl2，AES 為主要影響因素；方案C的最佳濃度配比為0.06%AEO-7 +0.08%JFC-C+0.06%GaCl2，AEO-7為主要影響因素。

表2 方案A試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of scheme A

表3 方案B試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of scheme B

表3 （續(xù)）

表4 方案C試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of scheme C

3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 噴嘴選用

試驗(yàn)采用新型超音速虹吸式空氣霧化噴嘴如圖4所示，該噴嘴采用拉瓦爾結(jié)構(gòu)，其霧化機(jī)理為：當(dāng)液體流過探針到達(dá)噴嘴出口段時(shí)，與通過拉瓦爾結(jié)構(gòu)加速的超音速氣流相撞，此時(shí)液體速度遠(yuǎn)小于氣體速度，在空氣動(dòng)力作用下，液體表面受到巨大沖擊和劇烈摩擦，碰撞產(chǎn)生的剪切力使液體被拉成無數(shù)微小細(xì)絲，霧化效果得到大幅改善。

圖4 超音速虹吸式空氣霧化噴嘴Fig.4 Supersonic siphon air atomizing nozzle

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）粒徑測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)和霧滴分析系統(tǒng)組成，如圖5所示。試驗(yàn)過程中將方案A，B，C的最佳濃度混合液均勻攪拌后倒入儲(chǔ)水倉(cāng)，再經(jīng)噴嘴噴出，噴嘴支架固定在距激光粒度儀中心軸0.30 m處，給定0.40 MPa的供氣壓力（井下供氣壓力應(yīng)不超過0.50 MPa），待溶液穩(wěn)定噴出后實(shí)時(shí)檢測(cè)溶液粒徑大小，每個(gè)方案測(cè)試6 次，取平均值，清水作對(duì)照。

圖5 粒徑測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Particle size measurement test system

2）噴霧降塵試驗(yàn)系統(tǒng)

采用自行設(shè)計(jì)搭建的模擬礦井巷道進(jìn)行噴霧降塵試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)由噴塵系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)組成，如圖6所示。

圖6 噴霧降塵試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Spr ay dust r eduction test system

試驗(yàn)過程中煤塵由粉塵氣溶膠發(fā)生器在一定風(fēng)速下以進(jìn)給速度35 mm/min 均勻穩(wěn)定地噴入框體，混合溶液由空氣壓縮機(jī)給定0.40 MPa的壓力，通過超音速虹吸式空氣霧化噴嘴穩(wěn)定噴出，全自動(dòng)粉塵測(cè)定儀定時(shí)采樣檢測(cè)框體內(nèi)煤塵濃度。

《煤礦安全規(guī)程》[15]規(guī)定，采煤工作面最低容許風(fēng)速為0.25 m/s，最高容許風(fēng)速為4 m/s，故本試驗(yàn)采用變頻箱控制柜式離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為0.50 m/s。

3.3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）粒徑測(cè)定

如圖7（a）所示，4 組溶液的霧滴粒徑都在100 μm以下，霧滴粒徑頻度分布均勻且集中，曲線呈“單駝峰”狀。相對(duì)來說，方案A的“駝峰”位置最靠前且最高，說明方案A溶液在噴灑過程中出現(xiàn)頻率最高的霧滴粒徑最小；方案C的“駝峰”位置比方案B靠前，說明方案C溶液在噴灑過程中出現(xiàn)頻率最高的霧滴比方案B的霧滴粒徑??；清水在噴灑過程中出現(xiàn)頻率最高的霧滴粒徑最大。如圖7（b）所示，為霧滴粒徑累積分布圖，其表示小于或大于某粒徑顆粒的百分含量，一般常用D50 表示樣品的平均粒度，即樣品的累積粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑，由圖7可知，溶液在D50 處所對(duì)應(yīng)的粒徑大小依次為：方案A＜方案C＜方案B＜清水，與圖7（a）的規(guī)律一致。

圖7 霧滴粒徑分布規(guī)律Fig.7 Law of droplet size distribution

2）降塵效率

采用噴霧降塵試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，首先測(cè)定初始條件下（僅噴塵）的全塵濃度、呼塵濃度，其次測(cè)定噴灑各個(gè)方案溶液后的全塵濃度、呼塵濃度，每個(gè)方案進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值，并與清水做對(duì)照。溶液的降塵效率結(jié)果如圖8所示。

圖8 各方案溶液的降塵效率對(duì)比Fig.8 Comparison of dust reduction efficiency of solutions in different schemes

由圖8可知，各方案溶液的降塵效率對(duì)比清水都有大幅提升，全塵降塵效率與呼塵降塵效率規(guī)律一致，降塵效率依次為：方案A＞方案C＞方案B＞清水。方案A的降塵效果最佳，其全塵降塵效率為92.55%，比清水提升79.95%；呼塵降塵效率為91.27%，比清水提升82.36%。

4 結(jié)論

1）由接觸角、表面張力等靜態(tài)試驗(yàn)可以確定陰與陰、陰與非、非與非表面活性劑復(fù)配都存在協(xié)同增效效應(yīng)，且浸潤(rùn)長(zhǎng)焰煤效果最優(yōu)的復(fù)配液組合是SAS-60 +X-100；SAS-60 +AES；AEO-7 +JFC-C。

2）無機(jī)鹽GaCl2的加入使復(fù)配液的協(xié)同效應(yīng)更顯著。試驗(yàn)得出協(xié)同效果最優(yōu)的3 組配方為：0.08% SAS-60 +0.04% X-100 與0.04% GaCl2的復(fù)合溶液；0.04% SAS-60 +0.06% AES 與0.08% GaCl2的復(fù)合溶液；0.06%AEO-7 +0.08%JFC-C與0.06%GaCl2的復(fù)合溶液。

3）從粒徑測(cè)量、噴霧降塵等動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)比分析3 組方案，綜合優(yōu)選出降塵效果最優(yōu)的方案為SAS-60 +X-100 和GaCl2的復(fù)合溶液，其降全塵效率高達(dá)92.55%，降呼塵效率為91.27%。