固态颗粒对水基泡沫溶液性能影响的实验研究＊

陈 鹏 刘子华 李 峥 杨永波

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

固态颗粒对水基泡沫溶液性能影响的实验研究＊

陈 鹏 刘子华 李 峥 杨永波

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

为了研究固相对泡沫性能的影响，本文采用粉煤灰为研究对象，在其浆液中加入一定剂量的起泡剂和稳泡剂，高速搅拌发泡形成三相泡沫。实验对比分析了不同粉煤灰浓度和粒径对泡沫性能的影响，得出了浆液起泡性和泡沫稳定性较好时的粉煤灰浓度和粒径范围。

固态颗粒 水基泡沫 性能 三相泡沫

水基泡沫以其独特的性能在很多领域得到广泛运用，如矿山浮选、泡沫灭火以及泡沫驱油等，尤其是冷却作用和隔离空气的特性而在煤矿火灾防治方面得到普及。很多学者在原有两相泡沫的基础上进行了三相泡沫性能的研究，探讨了固态物对泡沫稳定性的影响。

在煤矿火灾防治方面，分析了粉煤灰类三相泡沫的稳定性，研究表明灰水比对起泡性能影响。在泡沫浮选方面，研究了水硬铝石固体颗粒大小和浓度对油酸钠三相泡沫的影响，固体颗粒粒径在小于0.01 mm时，泡沫的稳定性较高，随着粒径的增大，泡沫稳定性呈现降低趋势，而颗粒浓度对泡沫稳定性的影响则因粒径范围的不同而有所差异。此外，分别研究了表面亲水和表面憎水的二氧化硅微粒对水基泡沫性能的影响，结果显示，与亲水性的二氧化硅颗粒相比，疏水性的二氧化硅微粒对十二烷基磺酸钠泡沫体系有明显的稳定作用。分析了固态颗粒提高泡沫稳定性的方法，实验表明当纳米材料浓度达到2.0%时，泡沫的稳定性随其浓度的升高而不断增强。然而，泡沫是热力学上的不稳定体系，到目前为止，固态颗粒属性对水基泡沫特性参数影响的分析研究较少。本文对不同工况下的十二烷基硫酸钠 （Sodium dodecyl sulfate，SDS）水基泡沫的气泡特征进行了实验研究，并对固态颗粒对水基泡沫特性影响的参数进行了分析。

1 实验材料及方法

1.1 实验装置与材料

由于研究的对象涉及到固体颗粒物，不宜采用气流法和改进的ROSS-Miles法进行发泡，本文采用搅拌法进行发泡，搅拌仪器为JJ-1型精密增力电动搅拌器。实验材料为起泡剂、稳泡剂和粉煤灰。

（1）起泡剂：选用SDS为起泡剂。

（2）稳泡剂：选用羧甲基纤维素钠 （CMC），质量浓度为0.3%。

（3）粉煤灰：由于粉煤灰的来源不同，其颗粒大小也有一定的区别，本文选用北京市电力粉煤灰工业公司的粉煤灰，并通过分子筛将其按不同的粒径 （D）分成4类：目数D＞200目；120＜目数D＜200目；80＜目数D＜120目；60＜目数D＜80目。

1.2 实验方法

具体实验方法为：先将一定量的粉煤灰，加入到盛有100 ml清水的搅拌杯中形成粉煤灰浆液，然后再加入一定量的起泡剂 （SDS）和稳泡剂（CMC），混合均匀使其形成起泡剂溶液。调整搅拌机的转速为2000 r／min，持续搅拌1 min后停止搅拌，记录此时泡沫的体积V。将产生的泡沫静置，观察并记录搅拌杯底部析出50 ml液体时的时间t，即泡沫的半衰期值。

2 实验结果与分析

为了验证和分析起泡剂浓度和温度对溶液起泡性和泡沫稳定性的影响，确定合理的浓度和温度参数，试验过程中采用改进的Ross-Miles法对起泡剂浓度和起泡温度进行正交发泡实验，所得数据如表1所示，其中V0为泡沫的初始体积，V为改进的Ross-Miles法中以液流停止后30 s时的泡沫体积。

从表1可以看出，在同一温度下，SDS溶液的起泡性随着浓度的增加而增加，当其浓度在0.008 mol／L附近时起泡能力最强，随着浓度的继续增加起泡性出现逐渐降低的趋势。对于相同浓度的溶液，起泡性与其所处的环境温度也有较大的对应关系，低于30℃时溶液的起泡性随着温度的升高而增加，高于30℃后随着温度的升高而降低，而且温度越高，溶液起泡性越低，例如在55℃下，浓度为0.014 mol／L的溶液起泡体积仅有370 ml。

因此，SDS起泡剂溶液在临界胶束浓度（cmc）附近溶液的起泡性最好，因而选用起泡剂的摩尔浓度为0.008 mol／L，转化成质量浓度为0.25%的环境温度为30℃，在该条件下溶液的起泡性能较好，泡沫的稳定性较强。

2.1 固体颗粒对溶液起泡性的影响

依次分析粉煤灰在4种粒径条件下，灰水比分别为1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶20、1∶50和0∶1时溶液的起泡体积V，实验结果如图1所示。

表1 不同浓度和温度下SDS溶液的发泡性能

从图1可知，在同一粒径条件下，随着粉煤灰浓度的升高，溶液的起泡性总体上呈现降低的趋势。当粉煤灰粒径目数大于120目时，固体颗粒较细，浆液浓度越高越不利于发泡，如当粒径目数大于200目，灰水比为1∶4时，发泡体积仅为200 ml。当粒径目数小于120目，灰水比低于1：6时，溶液的起泡性变化不大，发泡体积基本在550 ml左右，随着浆液浓度升高，溶液的起泡性迅速降低，当灰水比为1∶2时，溶液产生的泡沫只有300 ml。

在同一浆液浓度条件下，随着粉煤灰粒径的减小，溶液的起泡性呈现降低的趋势。当灰水比在1∶20以内时，粒径对溶液的发泡性影响不大，都维持在500 ml左右。灰水比在1∶20～1∶6之间，粒径较小的粉煤灰比粒径较大的粉煤灰更不利于溶液的发泡。当灰水比大于1∶2时，粒径大小对溶液起泡性的影响不是很明显，起泡能力都很低。

图1 粒径和灰水比对溶液起泡性的影响

2.2 固体颗粒对泡沫稳定性的影响

将半衰期t与粒径D和灰水比对泡沫稳定性的影响绘成曲线，如图2所示。

图2 粒径和灰水比对泡沫稳定性的影响

由图2可得，同一粒径条件下，随着浆液浓度的升高，所形成的泡沫稳定性增强；当灰水比达到1∶2，粒径目数小于80目时，泡沫的半衰期最长，可达110 min。这主要是由于搅拌过程中，粉煤灰固体颗粒覆盖在气泡表面上，在气泡与气泡间形成了一层粉煤灰固体颗粒膜，浆液浓度越高，这层膜越致密，所生成的泡沫膜也就越坚固，这样就降低了液膜间的排液速率和气泡的扩散，从而使粉煤灰三相泡沫越稳定。

在同一浆液浓度条件下，当灰水比小于1∶20时，粒径大小对泡沫的稳定性基本没有影响，因为此时颗粒浓度较低，其被气泡粘附而被夹带到气液界面的颗粒量相对较少。当灰水比大于1∶10时，泡沫的稳定性会因粉煤灰粒径的大小而有所差异，粒径较小的粉煤灰 （目数大于200目），颗粒会浸在液体中随着液膜的排液而流走，不利于泡沫的稳定，其半衰期在500 s左右；而粒径较大的粉煤灰（目数小于200目），由于在该粒径范围内的固体颗粒更容易被气泡吸附在气液界面上，对气泡液膜的排液起到阻碍作用，使泡沫不容易破裂，因而能起到一定的稳泡作用，半衰期达到1000 s以上。

3 结论

本文通过搅拌法分析固体颗粒粉煤灰浓度和粒径大小对起泡剂溶液起泡性和泡沫稳定性的影响，得到了如下结论。

（1）固态颗粒粉煤灰浓度升高不利于溶液发泡，产生的泡沫量较少，但有利于泡沫的稳定。灰水比在1∶2左右产生的泡沫只有300 ml左右，但泡沫半衰期达到110 min。

（2）固体颗粒粒径大小对溶液的起泡性影响比较大，对泡沫的稳定性影响相对较小。在同一浆液浓度下，粒径目数大于120目的溶液发泡性比粒径目数小于120目的溶液发泡性差，添加一定浓度的、粒径目数在60～200目之间的粉煤灰有利于泡沫的稳定。

（3）当添加固态颗粒粉煤灰粒径目数在60～120目之间，浆液灰水比在1∶4～1∶10之间时，溶液的起泡性相对较好，生成的泡沫比较稳定。

［1］秦波涛，王德明等 .高性能防灭火三相泡沫的实验研究 ［J］.中国矿业大学学报，2005（1）

［2］秦波涛，李增华等 .防灭火三相泡沫添加剂的实验［J］.辽宁工程技术大学学报，2003（4）

［3］陈足章，赵庆民 .“三相泡沫”在矿井防灭火中的应用 ［J］.煤矿现代化，2010（3）

［4］穆枭 .三相泡沫稳定性与消泡研究 ［D］.湖南：中南大学，2005

［5］肖铮 .固体颗粒对泡沫体系稳定性的影响 ［D］.北京：中国科学院，1987

［6］中华人民共和国国家标准 .表面活性剂发泡力的测定-改进 Ross-Miles法 ［S］.GB／T7462-94.北京，1994

［7］梁晓瑜，王德明等 .粉煤灰三相泡沫防治煤炭自燃的应用研究 ［J］.中国煤炭，2006（10）

Experimental study on water-based foam solution properties with solid additives

Chen Peng，Liu Zihua，Li Zhen，Yang Yongbo
（Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

In order to analyze the influence of particles on foam solution properties，fly ash has been used as subject of research.Certain amount of foaming agent and stabilizer are added into the slurry to form three-phase foam stirred by a high speed agitator.The effects of different fly ash concentrations and particle size on foam solution properties are analyzed comparatively.A range of fly ash concentrations and particle sizes have been obtained that have good foaming property and form stability.

solid additives，water-based foam，properties，three-phase foam

TD943.7

A

国家自然科学基金资助 （51274205）；教育部博士点基金新教师项目 （20070290022）；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题（SKLCRSM10KFB13）；广西科学研究与科技开发项目 （桂科攻11145001-7）

陈鹏 （1971-），男，安徽淮南人，中国矿业大学 （北京）副教授，博士，硕士研究生导师。主要从事燃烧学、火灾科学等方面的研究工作，主持国家自然科学基金面上项目、教育部博士点基金新教师项目等多项纵向课题。

（责任编辑 王雅琴）