表面活性剂强化喷雾用水润湿性能的实验研究

刘黎明

(湖南九九智能环保股份有限公司， 湖南 长沙 410007)

0 引言

煤炭是中国的主体能源，约占一次能源消费总量的三分之二[1]。煤炭开采过程中产生大量粉尘，在粉尘浓度高的环境中，长时间工作的劳动者的健康和生活的安全性受到严重威胁。目前，煤矿井下采掘作业场所主要采用煤体预注水[2]、通风控尘、除尘器抽尘净化[3]、喷雾降尘及封闭隔尘等防尘措施[4]。喷雾降尘具有经济、简便等优点，已成为煤矿粉尘防治的主体技术[5]。煤尘具有一定的疏水性，是因为其表面有极性基团[6]。同时，由于常规喷雾降尘用水表面张力较大，空气中煤尘不易被雾滴湿润和捕捉，尤其是呼吸性粉尘，造成喷雾降尘效率普遍偏低[7]。表面活性剂可吸附于固-液和气-液界面，降低其界面张力，改善喷雾用水润湿能力，提高喷雾降尘效率[4]。

近年来，国内外学者开展了大量有关表面活性剂溶液物理性质方面的研究工作，表面张力是液体十分重要的一个物性参数。长期以来学者们对表面活性剂溶液的表面张力做了许多详尽的研究，研究的内容包括表面活性剂种类、质量浓度等。部分学者也对表面活性剂溶液的表面张力进行了研究，考察了不同种类和配比的表面活性剂溶液的表面张力情况。村田逞诠通过化学方法，定量分析了煤的表面官能团，得到煤的润湿性与其有紧密的关系[8]。Russell J等人通过研究不同煤中的不同煤阶、不同无机矿物与润湿性的关系，得出煤表面润湿性主要取决于氢和氧元素含量之比的结论[9]。

目前，各国学者对表面活性剂溶液表面张力及润湿煤尘性能研究已取得了较大进展，特别是在表面活性剂种类和溶液质量浓度的影响研究方面。本论文拟研究表面活性剂对煤尘润湿性的影响，结合表面活性剂的物理化学性质分析影响煤尘润湿性的主要因素，充分认识煤尘润湿过程，探究煤尘润湿的本质，可为表面活性剂在煤矿喷雾降尘领域的现场应用提供理论指导。

1 实验材料和方案

1.1 材料

在参考国内外喷雾降尘矿用表面活性剂的基础上，优选出在实际应用中使用频率较高的阴、非离子两类试剂各两种进行实验研究，考察表面活性剂溶液润湿性能。实验中使用的表面活性剂见表1。

选择中国主要煤炭生产基地的3种不同类型的煤尘进行润湿性能实验研究。实验所用煤样分别选自湖南兴源的无烟煤、贵州发耳的瘦煤、山西万峰的焦煤。将3种煤样分别通过粉碎机破碎1 min后，采用100目标准工业筛筛分出煤尘样品。将煤尘样品放入真空干燥箱内干燥，设定温度80℃，干燥时间480 min，干燥完后放入密封袋内备用。表2为所选煤粉的工业性能指标。

表1 实验所选用的4种表面活性剂

表2 实验所选用煤尘的工业性能分析指标

1.2 方案

（1）表面张力实验。表面张力是影响表面活性剂溶液润湿性能的重要参数。设定所有溶液温度为25℃，使用表面张力仪对各溶液在不同质量分数下测定其表面张力。实验共设置了6个质量分数，分别是0、0.000 05%、0.0005%、0.005%、0.05%和0.5%，依次测量各表面张力。

（2）接触角实验。对上述 4种表面活性剂溶液和6种质量分数组合下的24种溶液的润湿性能进行了测定。实验采用接触角来评价表面活性剂溶液对3种不同类型煤尘的润湿性能。取各煤粉400 mg加入模具，将模具放入台式粉末压片机，施加50 MPa的成型压力，并维持1 min，制成厚度约为2 mm的表面平滑的圆柱体试片。利用CA100B接触角测量仪测定接触角，每个煤尘样品测量3个试片，取平均值。

2 实验结果与分析

2.1 对表面张力的影响

为了分析表面张力的变化趋势，对这 24组溶液的表面张力进行测定，测定数据见图1。

由图1可看出，在表面活性剂处于较低浓度范围时，浓度增加，表面张力逐渐降低。最终表面张力会有一个最低点，这个点就是表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）[10]。过了CMC以后，表面张力下降趋势就趋于平缓。

从图1还可以看出，在浓度为0.005%以前，表面张力呈现指数下降趋势，之后的表面张力下降到最低，浓度再增加时下降趋势变为平缓，由此而得出所选的表面活性剂溶液的CMC在0.005%～0.05%之间。对于所选的试剂，当试剂浓度在0～0.005%时，呈指数下降，这是因为在较低浓度时，溶解于水中的试剂是以单个分子形式存在的，由于两亲性，这些分子吸附在水中的表面，使空气和水的接触面减少，从而引起水溶液的表面张力急剧下降[11]；当溶液浓度增加，单分子在液面的吸附基本达到饱和，空气和水的接触面不再减小，只有溶液中的胶束数目在增加时，表面张力不再变化[12]。Tween-80在质量浓度为0.05%时，其表面张力为40.8 mN/m，其他试剂在各CMC下表面张力的范围为28.8 mN/m～31.9 mN/m。

图1 表面活性剂在不同浓度下的表面张力

在质量分数大于0.005%时，溶液可以达到较好的润湿效果，从经济条件出发并结合矿山使用习惯，选择溶液质量浓度大概为0.05%。所选的表面活性剂的表面活性大小为 SDBS＞SDS＞OP-10＞Tween-80。

2.2 表面活性剂对接触角的影响

通过对这24组溶液在3种不同煤样上的接触角进行测量，依据实验数据做出图2。

从图2可以看出，3种煤样表面上的接触角均随溶液浓度的增加面减小，试剂对煤样的润湿能力也就变强。这是因为表面活性剂可以提高溶液的表面活性，从而降低表面张力，使得煤尘吸附变得简单[13]。以SDBS在瘦煤上的接触角为例，其实验投影图像如图3所示。

溶液浓度为0.005%时，SDBS在3种煤样煤尘上的接触角依次为24.73°、56.34°、51.87°，无烟煤的接触角最小更易被润湿。表面活性剂溶液浓度增加时所选试剂的接触角不断降低，得出所选的表面活性剂均能在适当范围内增强煤尘的润湿性的结论[14]。实验数据见图4。

从图4中看出，OP-10溶液的润湿性能最优，在相同的质量浓度下，其在3种煤粉上能够获得最小的接触角，更易吸附在煤粉表面。在质量浓度为0.05%时，OP-10在这些煤尘上的接触角依次为15.70°、29.68°、32.12°，从图4还可以看出，Tween-80的接触角最大。

图2 表面活性剂对接触角的影响

图3 SDBS溶液在瘦煤表面的接触角投影

图4 表面活性剂溶液的润湿性能

3 结论

在本次研究中，通过表面张力、接触角等润湿性实验，掌握了表面活性剂溶液润湿煤尘的性能，重点考察了表面活性剂种类、质量分数等对表面活性剂溶液润湿性能的影响，得出如下结论。

（1）表面张力的研究结果表明，溶液的表面张力均随着表面活性剂质量分数的增大呈现降低的趋势；当表面活性剂质量分数达到CMC后，溶液的表面张力不会再因为浓度而明显下降；所选试剂中非离子表面活性剂SDBS在减小表面张力的效率和效能方面最优。

（2）接触角实验表明，表面活性剂质量分数的提高，液滴在煤尘压片上的接触角不断在减小，表面活性剂溶液润湿性能不断在提高；OP-10溶液的润湿性能最优，在相同的质量分数下，能够获得最小的接触角。

（3）表面活性剂因其自身的理化性质不同，其对不同煤质的润湿性也不同。