煤样试片制备方法对煤水接触角测定影响分析①

闫智婕 陈学习 许鸿雁

(1.河北联合大学矿业工程学院,河北唐山 063009;2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

煤样试片制备方法对煤水接触角测定影响分析①

闫智婕1②陈学习2许鸿雁1

(1.河北联合大学矿业工程学院,河北唐山 063009;2.华北科技学院安全工程学院,北京东燕郊 101601)

在分析研磨法制备煤样测定煤水接触角优缺点的基础上,采用压制煤样试片制备方法,压制了两组具有光滑表面的煤样试片。利用 FTA-200新型动态接触角分析仪分别在两组煤样试片表面测定了其接触角,并对测定结果的标准差数值分析,结果表明:在压制煤样试片上测得的接触角比较准确,工作量小,可重复性好。

煤样制备;煤水接触角;试验测定

0 引言

研究煤的润湿性,最简单直观的方法是测定煤表面的接触角。在接触角测定过程中,煤样制备是一个十分关键的环节。目前常用的煤样制备方法有两种:研磨法和压制煤样试片法。传统的研磨法操作复杂,工作量大,而且受研磨方法的影响,在所制备的煤样上,不能得到误差较小的接触角可信值;而利用压制煤样试片测得的接触角误差小且重复性好[1-2]。本文在分析研磨法制备煤样测定接触角优缺点的基础上,采用压制煤样试片制备方法,进行了煤水接触角测定试验,并分析了该方法的特点,对指导煤样接触角测定具有参考意义。

1 研磨法制备煤样对煤水接触角的影响分析

1.1 直接研磨法

此法通过选取原煤的块煤,直接进行研磨制备煤水接触角测定所需煤样。一些学者认为通过研磨法制备煤样,不会改变煤样本身的物理化学性质,在其表面上测得的接触角更接近真实值。在研磨时,由于研磨的材料不同,会对接触角的测定有影响,降低接触角测定的准确度。英国哥伦比亚大学在此做了大量的研究发现[3]:

1)首先用 600硬度的细砂纸研磨煤样测得一接触角值;

2)其次用 5μm和 1μm铝粉研磨煤样,在其面上又测取一接触角值,其值明显比只用 600硬度的细砂纸磨过的煤面上测得的接触角的值要小;

3)再用 0.06μm铝粉研磨煤样,研磨后用抛光布进行打磨。再次测取一接触角值,其值又有所增大。

可见通过不同的研磨材料,研磨到不同的程度都会使接触角的测定值受到影响,也并非研磨材料粒度越细,测得的接触角越准确;而且这种研磨法需要重复操作,多次测量,确定煤样表面粗糙度在实验误差允许的范围内,才能取其接触角值,步骤繁琐,不易把握。

1.2 切割研磨法

此法首先将原煤切割成块,然后清洗,研磨,制备出符合接触角实验要求的煤样,大致分为以下几步[1]:

1)用 60～1200硬度不等的细砂纸对煤样进行带水粗磨;

2)用蒸馏水清洗煤样,以除去研磨时掉下的粘附在煤面上的煤粒和砂粒;

3)用干净的毛玻璃对用细砂纸粗磨后的粗煤面再次湿磨;

4)用超声波清洗槽对煤样清洗几分钟;

5)按顺序重复以上步骤 4～5次。

图 1 粗糙表面上液滴的两种亚稳构型

由于煤的不均质性,利用研磨法制备的煤样,原煤的不同位置,孔隙及结构也不同,故不能保证每个煤样表面的性质相同,即使在同一煤样表面的不同位置,测定出来的接触角值也有所不同,这样测得的接触角误差很大。

2 压制煤样试片测定煤水接触角试验

2.1 压制煤样试片的制备

首先将原煤破碎成块 (粒径小于 25mm),放在真空干燥箱中干燥。待原煤彻底干燥后,放在球磨机中进行球磨。针对不同煤质的煤样,可以合理安排球磨时间。当被研磨的煤样可磨性小时,煤样越难磨,研磨生产率低时间消耗长;可磨性大时,煤样则易磨,研磨生产率高时间消耗短。煤样粒度越小,越容易被磨到指定粒度[5]。

将原煤 (1#煤样和 2#煤样)磨到 300目粉体占80%以上。由于 300目的粉体用过筛的方法不容易将需要的粉体取出,故将粉体放在显微镜下观察其直径是否小于 48μm。传统的试验中,是将煤粉磨到 200目粉体占 80%以上。但在本试验中,将煤粉磨到 200目时,用模具压制煤样试片,其成型效果差,表面粗糙不光滑,在饱和食盐水中浸泡 24小时之后,煤样试片边缘被损坏的很严重,而且一碰极容易碎,不能作为煤水接触角测定的煤样试片。通过多次试验,将煤粉磨到 300目之后,压制出来的试片符合试验要求。取粉体 500mg,用加压成型模具在 500MPa的压力下形成直径 13mm,厚度2～4mm的具有压光平面的圆柱体试片。

2.2 实验测定仪器

利用 FTA-200新型动态接触角分析仪 (下文简称 FTA-200)测定溶液的相关性能参数。FTA-200是一款用于测量接触角、表 /界面张力、润湿性和吸附性的非常灵活的视频系统,观察到的图象可存储于计算机中用于以后的处理。抓图速度可从 60幅 /s变化到 1幅 /几小时,且该指标可根据需要进行非线性的调整。瞬时分析功能可持续地抓图并且在启动之后调用任何数量的图片。本试验中采用的是 10幅/s,这样就可以在很短的时间内拍下几百张图片,消除了煤样试片表面液滴蒸发的影响。仪器外形见图 2,滴在煤样试片上的形状见图 3。

图 2 FTA-200接触角测定仪

图 3 煤样试片上的液滴形状

大多数情况下,表面张力测量的标准偏差小于 0.5mN/m,接触角测量的标准偏差小于 1°。实际测量结果会因样本制备、图像聚焦、台面震动和空气流动而有轻微影响。FTA-200接触角和张力的分辨率都是 0.1个单位,因此测量精度高。

2.3 煤水接触角测量结果分析

在煤样试片的压光平面上,接触角实验的液滴很小,可以忽略重力的影响,而表面张力的影响增强,液滴表面形状会近似于球形。图 4所示的球形为仪器下接触角平面切开的形状。在煤样试片的压光平面上的水滴,即通过 FTA-200测定出来的接触角为视接触角θ1,其值可用式 (1)表示:

式中,h—水滴的高度,m;

a—水滴的底面半径,m。

图 4 煤样试片表面液滴的视接触角

然而,水滴越小,蒸发的影响就越大。因此,在测量接触角时对液滴进行快速摄影是非常必要的。否则,会产生滞后现象,测出接触角的值幅度变大,临界值的再现性也就变差,很难得到可信值。对于图 4所示的水滴,采用直接读数测定接触角,必须注意:

1)接触角测定仪中的读数为视接触角,而非真实接触角;

2)成型煤粉表面并非完全平滑,而充满微小孔隙[6],在测定前,要对成型煤样用饱和食盐水进行完全浸泡 24h,让液体充满煤样试片微小孔隙以减少其影响。

实验中分别采用了Ⅰ、Ⅱ两种阴离子和非离子表面活性剂溶液及蒸馏水对 1#、2#两个煤样试片做了接触角分析。实验结果如图 5-7所示。

图 5 煤样在Ⅰ溶液下的接触角值变化

图 6 煤样在Ⅱ溶液下的接触角值变化

图 7 煤样在蒸馏水下的接触角值变化

根据所测得的接触角的值,利用标准差公式

可以计算 1#、2#两个煤样试片在每种溶液下接触角的标准差,结果如表 1所示。

表 11#、2#煤样在各种溶液下的接触角值的标准差

通过图 5-7可以看出,虽然不同的表面活性剂和蒸馏水所测得的接触角值不同,但是每一个值都在平均值附近上下波动,幅度很小。用标准差衡量其离散程度,结果不超过 0.28,故每一个接触角值都可以作为煤水的视接触角,不需要多次重复取其平均值。由此可以说明这种测量方法的误差小,重复性好,操作简单,工作量小。

3 结论

1)采用研磨法制备煤样试片测量接触角,煤样制作要求高、工作量大,所测得的接触角受表面粗糙度的影响较大,可重复性差。

2)压制煤样试片测定煤水接触角,操作简单,适用性强,且测得的误差较小,再现性高。

3)在测定接触角值时,利用压制的煤样试片模拟整个煤层,忽略了孔隙率的影响,这种模拟误差是存在的。

[1]王彩云,梅国民,杨建国 .煤的润湿性测量中煤样制备方法的探讨 [J].洁净煤技术,2005,11(2)

[2]许志华 .煤炭加工利用概论 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1988

[3]J.S.Laskowski.Coal Flotation and Fine CoalUtilization[M].Elsevier Science Press,2001

[4]徐燕莉 .表面活性剂的功能 [M].北京:化学工业出版社,2004

[5]罗杰 .球磨机在煤样制备中的应用[J].煤质技术,2008,1(1)

[6]解兴智,傅贵 .煤润湿性测量方法的探讨[J].煤炭科学技术,2004,32(2)

The Influence of Coal Sample Preparation M ethod on the Determ ination of Coal-water Contact Angle Analysis

YAN Zhijie1,CHEN Xuexi2,XU Hongyan1

(1.HebeiUnited University,Tangshan Hebei 063009;2.North China Institute of Science and Technology,Yanjiao Beijing-East 101601)

In the analysis of coal samples prepared by grinding the contact angle measured on the basis of advantages and disadvantages of using compressed coal sample specimen preparationmethods,suppression of the two coal sampleswith smooth surface specimens.Using FTA-200 contact angle analyzerwith new-type dynamic to measure the surface contact angle of two coal samples respectively,and analyze the standard deviation of determination.The results showed that:the contact angle is accurate,smallworkload and reproducible in the suppression of coal specimen.

coal preparation;coal-water contact angle;test determination

TD921

A

1672-7169(2011)02-0066-04

2011-03-11

闫智婕 (1984-),女,河北张家口人,硕士研究生,河北联合大学矿业工程学院,研究方向:矿山环境保护。