矿用泡沫降尘剂的研究

柏 松，王 军，万婷婷

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

粉尘，作为煤矿五大灾害之一，不仅会磨损机械设备，降低其工作精度，而且当粉尘浓度达到一定程度时会引起爆炸，造成人员伤亡。除此之外，煤尘对人体的危害也是相当严重，如由呼吸性粉尘引起的尘肺病，它对人体的伤害无法根除，因此煤矿防尘相当重要［1］。

传统的防尘措施，如通风除尘、湿式除尘等，前者对呼吸性粉尘的捕集效率比较差，后者用水量较大，对井下环境造成了一定的影响，由此，泡沫降尘技术应运而生［2］。

泡沫降尘技术主要是在水中加入矿用泡沫降尘剂，并搅拌产生泡沫，将泡沫喷入矿尘密集区域，泡沫黏附矿尘并沉降，从而达到降尘的作用。矿用泡沫降尘剂主要是由起泡剂、稳泡剂按照一定比例混合而成［3］。

1 起泡剂的选择及起泡性能试验

起泡剂要求起泡力强、泡沫稳定性好、成本较低、毒性小。综合考虑以上因素，我们选择了十二烷基苯磺酸钠(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、α－烯基磺酸钠(AOS)作为实验试剂进行试验，其发泡体积、半衰期随浓度变化曲线如下:

将三组实验数据进行对比，可以发现脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)与十二烷基苯磺酸钠(LAS)的起泡性能都比较好，但实验过程中发现脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠水溶性比十二烷基苯磺酸钠好，且半衰期也比十二烷基苯磺酸钠好，故选择脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠作为复配的表面活性剂之一。

图1 LAS起泡性能随浓度变化

图2 LAS半衰期随浓度变化曲线

图3 AES发泡体积随浓度变化

图4 AES半衰期随浓度变化曲线

图5 AOS发泡体积随浓度变化

图6 AOS半衰期随浓度变化曲线

2 稳泡剂的选择及其相关实验

根据泡沫破裂的机理，有效的稳泡剂主要分为两类，一类是增加泡沫的粘弹性，减小泡沫的透气性，从而增大泡沫的稳定性;另一类是增加泡沫的透气性，减缓泡沫的排液速率，提高泡沫的稳定性泡［4］。再考虑到成本和环境保护方面的因素，我们选择了脂肪醇类中脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)、辛基酚聚氧乙烯醚(OP－10)，和脂肪胺类表面活性剂中的脂肪醇酰胺(CAS)作为实验试剂进行试验，其发泡体积、半衰期随浓度变化曲线如下:

将三组实验数据作进行比较，发现脂肪醇酰胺的半衰期远远大于脂肪醇聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚，故而选择脂肪醇酰胺(CAS)进行表面活性剂复配剂。

图7 JFC发泡体积随浓度变化变化曲线

图8 JFC半衰期随浓度变化

图9 OP－10发泡体积随浓度变化曲线

图10 OP－10半衰期随浓度变化

图12 CAS半衰期随浓度变化

3 复配实验

3.1 复配方案的均匀设计

本次复配实验通过均匀设计安排实验方案。本次试验采取的是十水平、两因素、两指标的均匀设计，故均匀设计表选择U10*(108)，两因素分别为AES、CAS浓度，两指标分别为发泡体积、半衰期。

表1试验方案及试验结果

图13 复配溶液发泡体积随浓度变化曲线

图14 复配溶液半衰期随浓度变化曲线

由表1并对试验结果直接分析，第6号试验的两组指标值综合最高(发泡体积230 ml，半衰期155 min)，并且比对照值高。

3.2 实验数据处理与分析

用均匀设计3.0软件中的逐步回归分析对实验数据进行拟合，得到关于发泡体积Y1和半衰期Y2与AES和CAS浓度之间的线性关系分别如下:

预测得到优化配方为X1=0.9，X2=0.6。

对预测得到的优化配方进行验证试验，试验记录表如下表所示:

表2 复配试剂实验数据

验证试验中的发泡体积分别为273 ml、260 ml、265ml，误差在允许范围内。半衰期分别为157 min、159min、161min，误差也在允许范围内。

3.3 实验室模拟降尘实验

1)模拟降尘实验装置

模拟降尘实验装置由自制粉尘发生及控制系统(含晶体粉碎机、小型超微粉粹机及粉尘喷入装置组成)、自制模拟试验箱、降尘液起泡及喷入装置组成，如图15所示。

2)降尘实验过程

将矿渣和煤块按比例倒入自制粉尘发生及控制系统的晶体粉碎机入口，产生的粉尘喷入自制模拟试验箱中，静置15 min后，测定粉尘浓度作为原始浓度依据;喷水15 min后，静置15 min测试粉尘浓度作为对比数据;喷入降尘泡沫，1 h后用钢丝网搅动使泡沫破灭，静置15 min测试粉尘 浓度作为对比数据。实验结果如表3所示:

图15 模拟降尘实验装置示意

表3 模拟降尘实验数据

由实验数据可以看出，本次实验所配制降尘液降尘效果较好，甚至优于直接喷水的效果，可能是因为部分粉尘水溶性不好，直接喷水难以消除这部分粉尘;而降尘液中添加的表面活性剂改善了水对煤粉、矿粉的润湿性能，从而达到了更佳的降尘效果。

4 结论

1)矿用泡沫降尘剂配制的关键在于形成泡沫的起泡剂、维持泡沫稳定的稳泡剂的选择及复配，本实验通过起泡性试验及稳泡性试验验证，筛选出来作为复配试剂的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、脂肪醇酰胺，具有良好的起泡性、稳泡性。

2)本次试验中的复配实验采用均匀设计方法设计实验方案，并用均匀设计3.0软件中的逐步回归分析法对实验结果进行分析和优化，得到最优配方:0.9%的AES与0.6%的CAS复配。按该配方配好的溶液，产生的泡沫的发泡体积在273 ml、半衰期在 161 min。

3)经实验室模拟降尘实验验证，所配泡沫降尘剂有较好的降低空气中粉尘的效果，有一定的实用价值。

［1］ 王鹏.煤矿粉尘的危害及其防控措施刍议［J］.柴达木开发研究，2013，8:31 －34.

［2］ 卢有成.煤矿综采防尘新技术应用探析［J］.中小企业管理与科技，2014，1:176 －177.

［3］ 段健，谭允祯，刘超，等.煤矿泡沫降尘起泡剂选择的研究［J］.工业安全与环保，2008，34(12):6－7.

［4］ 陈学习，等.封堵钻孔裂隙的三相泡沫均匀试验研究［J］.煤炭工程，2009，1:71 －73.