吳愛軍，唐 銘，楊 苗

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010;2.四川江油新川礦山機(jī)械有限公司，四川 江油 621700)

我國是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國[1]。煤礦生產(chǎn)過程中的煤塵，不僅嚴(yán)重威脅著工人健康，因其具有爆炸性，還對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重影響。因此，煤塵治理是煤礦安全生產(chǎn)一項(xiàng)關(guān)鍵措施。常規(guī)的煤塵治理有通風(fēng)、噴水霧、化學(xué)藥劑、泡沫、風(fēng)幕等除塵工藝[1-2]。近年來，泡沫除塵技術(shù)受到了人們?nèi)找嬷匾?，其中英國、前蘇聯(lián)、日本、美國和中國等都相繼進(jìn)行了泡沫除塵技術(shù)研究[3-4]。目前，現(xiàn)有的泡沫除塵技術(shù)多采用塵源覆蓋式[4-5]，存在污染工作面和設(shè)備，有礙生產(chǎn)視線，對呼吸性粉塵治理效果差等諸多問題。為此，為了治理呼吸性粉塵，吳愛軍[6]提出了泡泡除塵新技術(shù)，即利用泡泡相對粉塵具有大體積效應(yīng)，通過發(fā)泡機(jī)向含塵的空氣中噴出巨量泡泡，使其長時間在在空氣中飛行、捕捉所遇到的煤塵，將其潤濕后一起降落到地面。此技術(shù)一個關(guān)鍵因素是發(fā)泡液，而決定其性能的主要組分是表面活性劑。因?yàn)槊旱V產(chǎn)生的煤塵特性差異較大，所以除塵所用的表面活性劑種類也是千差萬別。為此，本文選擇無煙煤粉塵，通過要對市面上的表面活性劑的性能分析、測試，篩選，以及復(fù)配，最終給出發(fā)泡液的最優(yōu)的配方。

本文重要研究兩個問題：一是煤塵發(fā)泡液的配置；二是選擇煤塵除塵效率模擬實(shí)驗(yàn)。

1 表面活性劑單體優(yōu)選

表面活性劑是發(fā)泡液的主要組成成分，其發(fā)泡性能的高低可直接決定除塵效率。在配制泡沫溶液時要求發(fā)泡液需要具有很好的發(fā)泡能力、穩(wěn)定性和潤濕性，使得泡沫液可以充分的與煤塵接觸從而高效降塵。本文首先對市面上的表面活性劑進(jìn)行初選，然后通過單體測試、復(fù)配等實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析后確定最佳配方。

本文選擇無煙煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表面活性劑如表1所示。實(shí)驗(yàn)材料主要有表面活性劑、水、無煙煤。

表1 表面活性劑

根據(jù)GB/T 7462-1994，針對以上不同類型表面活性劑，利用改進(jìn)羅氏泡沫儀進(jìn)行發(fā)泡液制備。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)可知，發(fā)現(xiàn)濃度低于0.7%時產(chǎn)生泡泡數(shù)量較少，而濃度過大時溶液容易飽和，因此本文選取的濃度范圍為0.7%～1.1%.通過對8種表面活性劑不同濃度的發(fā)泡性能和穩(wěn)定性測試后，選取每個試劑發(fā)泡性能和穩(wěn)定性最優(yōu)秀的一種濃度進(jìn)行潤濕性能測試[6]。利用沉降裝置測出其3次沉降時間后取平均值。8種表面活性劑的起泡體積、消泡體積與濃度關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 起泡體積與濃度關(guān)系

圖2 消泡體積與濃度關(guān)系

從圖1可知，每種表面活性劑發(fā)泡性能并不是隨著濃度的增加而增大，而是在一定范圍內(nèi)有一個最佳的濃度。在0.7%～1.0%濃度范圍內(nèi)，如SDS在濃度為0.8%時達(dá)到最大起泡體積515 mL；而AOS液在濃度為0.9%時達(dá)到最大起泡體積521.67 mL，SDBS濃度在1.1%時達(dá)到最大起泡體積僅為450 mL，其他表面活性劑發(fā)泡量的最高值如圖1所示。這其中起泡能力最好的為0.9%的AOS液。可見，陰離子型表面活性劑發(fā)泡能力優(yōu)于其它兩種類型。

從圖2可知，在0.7%～1.0%濃度范圍內(nèi)，當(dāng)濃度為1%時，SDS的最小消泡體積為203.67 mL；當(dāng)濃度為0.9%時，APG的最小消泡體積為69.33 mL，其他表面活性劑發(fā)泡量的最高值如圖2所示。穩(wěn)定性最好的為0.9%的CAB-35。

結(jié)合8種表面活性劑的起泡高度和穩(wěn)定性，選取每種表面活性劑起泡能力和穩(wěn)定性較好的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)(0.8%SDS、0.9%AOS液、1.1%SDBS、0.9%K12A、0.8% BS-12、0.9% CAB-35、0.7%APG、1% AEO9)，具體如圖3所示。

圖3 無煙煤分別在8種表面活性劑溶液中的沉降曲線

潤濕性較好的為SDS、AOS液和AEO9，其沉降速度都超過了15 mg/s；而潤濕性較差的為K12A、SDBS、CAB-35和BS-12，其沉降速度都不到5 mg/s。對于無煙煤的潤濕性，其潤濕性快慢排序?yàn)椋?.9%AOS液(17.65)>0.8%SDS(16.67)>1%AEO9(15.79)>0.7%APG(5.26)>0.9% K12A(3.33)>1.1%SDBS(2.73)>0.9% CAB-35(1.3)>0.8% BS-12(1.22)。

根據(jù)單一表面活性劑的發(fā)泡性能、穩(wěn)定性測試結(jié)果和對煤塵的潤濕性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文選取0.8%SDS、0.9%AOS液、0.9%K12A、1%AEO9四種試劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)。復(fù)配配比如表2所示。

表1 復(fù)配組合

由圖4可知，在兩兩復(fù)配中，對于SDS(1)-(3)，它與AOS液復(fù)配后發(fā)泡體積為470 mL，與單體試劑相比發(fā)泡體積減少了45 mL；復(fù)配后其消泡體積為172 mL，與單體的消泡體積相比減少了48.33 mL；它與K12A復(fù)配后發(fā)泡體積為531.66 mL，與單體試劑相比發(fā)泡體積增加了16.66 mL；復(fù)配后其消泡體積為68.33 mL，與單體的消泡體積相比減少了152 mL；它與AEO9復(fù)配后發(fā)泡體積為506.66 mL，與單體試劑相比發(fā)泡體積減少了8.34 mL；復(fù)配后其消泡體積為136.33 mL，與單體的消泡體積相比減少了84 mL。其他組合分析相類似。如在三三復(fù)配中(7)-(10)，SDS與AOS液與K12A復(fù)配發(fā)泡效果最好，為550 mL；四四復(fù)配發(fā)泡效果不好，為490 mL。

圖4 復(fù)配起泡與消泡體積

通過分析，優(yōu)選的復(fù)配組合為SDS+AOS液+K12A。為了探究3個試劑對復(fù)配起泡體積的影響。本文采取了正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將SDS、AOS液和K12A作為正交實(shí)驗(yàn)的三因素，實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)方案

綜上：①復(fù)配后消泡體積大都有所減少，說明復(fù)配后溶液穩(wěn)定性有所增強(qiáng)；②SDS與K12A復(fù)配發(fā)泡效果最好；③單體發(fā)泡性能都好，復(fù)配后不一定發(fā)泡性能就一定好；④加入的試劑越多，復(fù)配效果不一定越好。

對以上11種復(fù)配組合進(jìn)行潤濕性測試，具體如圖5所示為沉降實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖5 復(fù)配溶液沉降實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，復(fù)配后沉降速度均在20 mg/s左右，而單體溶液大多<10 mg/s，說明復(fù)配后溶液的潤濕性變得更好，單體表面活性劑復(fù)配后彼此之間具有協(xié)同效應(yīng)。其中最好的是第7組，沉降速度為30 mg/s。結(jié)合泡沫發(fā)泡性、穩(wěn)定性及潤濕性，優(yōu)選第7組作為復(fù)配組合。

實(shí)驗(yàn)的評判指標(biāo)是泡沫起泡體積，起泡體積越大越好。如圖5可知，影響泡沫起泡體積的因素主次順序?yàn)椋篕12A>SDS>AOS液。最佳的復(fù)配方案為K12A的添加量為0.7%，SDS的添加量為0.9%，AOS液的添加量為1.0%。此方案配出的泡沫起泡體積為576.67 mL，消泡體積為90 mL。通過分析，選出配方為0.7%K12A、0.9%SDS、1%AOS液，發(fā)泡液中的表面活性劑質(zhì)量濃度比為2.6%，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期指標(biāo)。

2 發(fā)泡設(shè)備性能測試

發(fā)泡設(shè)備見文獻(xiàn)[6]。本文通過發(fā)泡設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)，測試其發(fā)泡效率。

1) 檔位風(fēng)速測試。調(diào)整風(fēng)扇調(diào)速器(共有9檔位)，用風(fēng)速表測量風(fēng)扇出口速度，每個檔位測試5次后取其平均值。

2) 測試發(fā)泡量。由于發(fā)泡設(shè)備在短時間內(nèi)會數(shù)量巨大的泡泡，因此借助了高速攝像機(jī)抓拍5 s內(nèi)從發(fā)泡設(shè)備中發(fā)出泡泡數(shù)量；通過測量落地后的泡泡直徑，通過計算得到發(fā)泡設(shè)備在單位時間(1 min)內(nèi)所產(chǎn)生泡泡的體積量。

從圖6可以看出，隨著檔位的增大，發(fā)泡風(fēng)扇的出口速度呈線性增加(從2檔位起)；發(fā)泡盤所產(chǎn)生泡泡體積量與風(fēng)速呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著檔位增大而增大。而在檔位1時，由于風(fēng)速較小，則無泡泡產(chǎn)生。

圖6 不同檔位下的風(fēng)速、發(fā)泡量曲線

通過測量落地后的泡泡直徑，大致在1.8～2.2 cm范圍，平均大小為2 cm。結(jié)合圖6數(shù)據(jù)，因此可以計算得到各個檔位下的單位時間內(nèi)的發(fā)泡速率(每分鐘的泡泡體積量)，最高檔(9檔)時的發(fā)泡速率為1 000 L/min，而在8檔時的發(fā)泡速率可以達(dá)到900 L/min左右，7檔時達(dá)到800 L/min左右，以此類推，最小發(fā)泡量為2檔時的300 L/min。可見，本文發(fā)泡設(shè)備在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的泡泡體積量與風(fēng)速(檔位)呈正相關(guān)。

3 除塵實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置仍采用文獻(xiàn)[6]中的布置。

除塵實(shí)驗(yàn)方案1(塵源10 g)、方案2(塵源30 g)、方案3(塵源50 g)的實(shí)驗(yàn)。如圖7所示，隨著煤塵塵源質(zhì)量的增加，模擬實(shí)驗(yàn)都在最高粉塵濃度也隨著增大，且呈正指數(shù)增大。

圖7 粉塵最高濃度隨塵源質(zhì)量變化曲線

如圖8中的圖(a)、(b)和(c)所示，在泡泡發(fā)泡設(shè)備噴出巨量泡泡作用下，模擬巷道內(nèi)無煙煤粉塵的濃度迅速降低，且近似呈負(fù)指數(shù)降低。而不同質(zhì)量的塵源條件下，隨著粉塵塵源質(zhì)量的的增大，除塵效率達(dá)到90%的時間反而呈遞減趨勢，如10 g塵源，除塵效率達(dá)到90%時所用時為2.5 min，30 g塵源時達(dá)到90%時所用時為2 min，50 g塵源時達(dá)到90%時所用時<2 min。但粉塵濃度越高時，使用泡泡除塵將其濃度降低到10 mg/m3以下所用時隨之增大，如10 g、30 g和50 g塵源所對應(yīng)其濃度<10 mg/m3時的除塵效率分別達(dá)到了98.26%、99.47%和99.86%.

圖8 除塵實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié) 語

針對泡泡除塵新技術(shù)，進(jìn)行了除塵發(fā)泡液配方的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及除塵實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1) 通過篩選市面上的表面活性劑，經(jīng)過其單體性能初篩，復(fù)配實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)分析最終給出了針對無煙煤粉塵除塵的發(fā)泡液最佳配方為0.7%K12A、0.9%SDS、1%AOS液。

2) 通過對發(fā)泡設(shè)備性能測試，發(fā)泡量與風(fēng)量大小呈正相關(guān)。風(fēng)速越大，其單位時間內(nèi)的發(fā)泡量就越大。

3) 通過無煙煤粉塵的除塵實(shí)驗(yàn)，2 min左右時間，即可達(dá)到90%除塵效率，而最終降到10 mg/m3以下濃度的時間隨著粉塵源質(zhì)量的增加而變長。