湿润剂表面张力对硫化矿尘吸湿效果的影响*

李 明，李梦娜，白倩倩

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

粉尘污染是矿山企业面临的最严重的问题之一，采掘面机械化、自动化装备使工作面采掘进度加快[1]，同时使矿山开采环节中产尘量增大。特别是微米级的粉尘浓度较大，造成大范围的粉尘污染和职业危害[2]。传统湿式除尘较为简便、经济，但实际应用效果却不佳，特别是对于大多数矿尘具有憎水性，湿润性较差，通常采用将表面活性剂添加到水中以降低水的表面张力[3-5]，但是由于对添加剂的机理认识不足，在实际使用中，导致添加剂的使用浓度不当或者没有衡量指标，无法达到预期效果。许多学者从表面活性剂质量浓度[6-7]的角度去分析，探究浓度和湿润效果之间的关系，且集中于对煤尘的研究,很少开展对金属矿尘的研究。笔者选取的是3种具有代表性的硫化矿石，其特点是成分复杂、憎水性、危害大且较为普遍。以湿润剂的表面张力为衡量指标，采用毛细管反向渗透试验[8]，综合矿尘的吸湿量和吸湿速度以表征湿润剂的湿润性能，比较分析3种阴离子湿润剂湿润性能大小，结合表面吸附机理探讨临界表面张力对湿润效果和湿润行为的影响。

1 实验制备

1.1 矿样的制备

实验所选取的矿尘由安徽省铜陵铜山矿的矿样加工而成，分别编号a,b,c。经颚式破碎机破碎,由顶击式振筛机筛选出粒径范围在160～180目之间的矿尘待用；由马尔文Mastersizer 3000测出矿尘粒径分布。其中3种矿尘的粒径信息分别为矿样a的比表面积为55.05 m2/kg，Dv1(90)=170 μm;矿样b的比表面积为133.7 m2/kg，Dv2(90)=163 μm;矿样c的比表面积为167.1 m2/kg,Dv3(90)=161 μm。

1.2 湿润剂选择

试验选择3种阴离子表面活性剂(均为化学纯)[9]。分别是：十二烷基苯磺酸钠(简称SDBS)、十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基硫酸钠(K12)。使用QBZY系列全自动表面张力仪测出不同溶液的表面张力，将3种湿润剂均配制成表面张力范围在25～40 mN/m的7种水溶液。

2 实验方法和结果分析

2.1 吸湿量和吸湿速度的测量及分析

研究矿尘湿润性能的装置有很多，根据实际出发，试验采用毛细管反向渗透法实验装置。(1)本实验选用的玻璃管长度为200 mm，内径为4 mm，给每个玻璃管划好刻度，其下端用纤维滤膜密封；(2)用分度值为0.1 mg的光学读数分析天平称取1.5 g的矿尘装入干燥过后的玻璃管中，为提高精度，每次初填至60 mm，然后振实；(3)将玻璃管固定在固定台上，盛有湿润剂溶液(约20 mL)的玻璃皿置于载物台上,旋转载物台，使玻璃管底部与溶液表面接触；(4)当液面透过滤膜后，打开录像设备记录反向渗透到20,30,40 mm所需时间，同时记录3 min后玻璃管的增重作为吸湿量。每种溶液对矿尘做3次试验，取平均值。实验装置如图1所示。

图1 毛细管反向渗透实验装置Fig.1 Schematic diagram of upward capillary seep experiments

分别将3种不同矿尘编号为a，b，c,其吸湿量和表面张力如图2所示。

注：吸湿增重百分比为增重量除以样品重,Z1，Z2，Z3代表增重百分比最大图2 吸湿增重百分比与表面张力Fig.2 The weight gain percentage of Moisture absorption versus surface tension

通过表面张力和吸湿增重的关系图，可以分析得到如下结果：(1)3种矿尘对应的每种试剂的最佳湿润表面张力不尽相同，SDBS最佳湿润表面张力位于27.1～28.3 mN/m,SDS最佳湿润表面张力位于28.2～29.1 mN/m,K12最佳湿润表面张力位于29.1～30.2 mN/m。(2)吸湿增重随着表面张力的变化并非呈现线性关系，整体趋势是随着表面张力值的增加，吸湿量先增加，出现峰值后逐渐下降。(3)表面张力最小不一定吸湿最重，即气-液界面的表面张力也不是准确衡量其对矿尘的湿润能力的唯一指标，且对于3种阴离子试剂来说，即使表面张力在同一值附近，其吸湿增重也出现较大差异。对于同一表面张力值的同种试剂，3种矿尘的吸湿效果也有不同程度的差异，说明溶液对煤尘的湿润性能跟表面活性剂的种类结构和矿尘种类均有很大关系。

通过测定液面渗透到20，30，40 mm的时间，绘制3种矿尘反渗时间与表面张力的关系，如图3所示。

从图3中可以看出：(1)随着表面张力值的增加，3种表面活性剂的吸湿时间总体上呈现上升趋势，所需时间大小整体上为K12最长，SDS次之，SDBS所需时间最短，其上升时间可以宏观反映湿润性的大小；(2)3种表面活性剂在反渗溶液中均产生一个浓度梯度，当反渗长度延长，其反渗时间也在不断增加。(3)结合吸湿图可以分析得出吸湿量最大所对应的表面张力值吸湿速度

注：20 mm指的是液面从10 mm处反渗到20 mm处所用的时间图3 表面张力与渗透时间关系Fig.3 up-seepage time versus surface tension

不一定是最大，3种矿尘吸湿速度出现峰值的位置也略有差别。但总体来说吸湿速度的峰值所对应的表面张力SDBS位于26.8～27.3 mN/m,SDS所对应的表面张力为28.2～29.1 mN/m,K12所对应的表面张力为29.1 mN/m，综合吸湿量和吸湿速度2个指标可以得出最佳湿润效果的表面张力值范围,3种阴离子活性剂表面张力最佳范围在26.8～30.2 mN/m。

2.3 接触角的测定

使用JGW-360A接触角测定仪对表面活性剂溶液和3种矿石表面接触角的测量；采用湿润性能较好的SDBS溶液配制成8种不同表面张力的水溶液，并测定出接触角，如图4所示(选取矿样a不同表面张力②④⑤时接触角测量示意图)。

图4 静滴法接触角测量Fig.4 Contact angle images of different agents

其中3种矿样的表面张力和接触角对应值如表1所示。

2.4 临界表面张力的计算

液体与固体接触时液体能湿润固体，从热力学观点，就是恒温恒压体系的表面自由能降低，若自由能降低的越多润湿程度越好，固液接触时体系表面自由能ΔG的变化。此处：

-ΔG=δlg+δlgcosθ=δlg(1+cosθ)

(1)

式中：δlg指的是固-液界面的表面张力,mN/m；cosθ固液接触角的余弦值。

表1 表面张力与平衡接触角

由公式可知当θ值越小,-ΔG越大，湿润性越好。研究表明粉尘润湿通常包括沾湿、铺展和浸没3个过程[10]，取θ=0°时，此时液体对固体完全湿润，液体在固体表面上完全展开，铺成一薄层，铺展的标准又是湿润的最高标准，能铺展则必能沾湿、浸湿。以此得出湿润性能最佳所对应的液面的临界表面张力[11-12]。这里的临界表面张力的意义δ临指的是[13]：在该液体的同系物中，凡是表面张力大于δ临者不能在固体表面铺展，而表面张力小于δ临者才能在固体表面铺展。试验中通过选取湿润性能较好的十二烷基苯磺酸钠配置成8种不同表面张力的水溶液，分别对3种矿样测定不同溶液表面张力时对应的接触角，利用最小二乘法拟合出cosθ和δlg之间的线性回归直线，如图5所示。

其中，拟合出的直线方程为：

-0.024 69x+1.673 96=yR2=0.97

(2)

-0.023 75x+1.630 89=yR2=0.95

(3)

-0.023 07x+1.598 22=yR2=0.96

(4)

式中：自变量为δlg，因变量为cosθ，R2为cosθ与δlg的线性相关系数。

分析表明：从图中可以看出液滴在表面形成的接触角主要是液体表面张力的δlg的函数，cosθ和δlg有近似线性关系；当θ=0时，cosθ=1，此时代入式(2)，(3)，(4)，得出临界表面张力值分别为27.3，26.6，26.0 mN/m,故3种硫化矿表面均属于低能表面，若单纯的用水湿润，效果不佳，只有添加一定量的表面活性剂降低水的表面张力才能达到显著效果。即当湿润剂表面张力小于矿石各自的临界表面张力时，可在该硫化矿表面铺展开来[14]，当表面张力大于临界表面张力时，其浸湿的速度和能力受表面活性剂的种类、表面张力大小的影响；综合十二烷基苯磺酸钠溶液吸湿量和吸湿速度，可知其峰值出现的位置所对应的表面张力为26.8～28.3 mN/m,与3种硫化矿的临界表面张力值接近；3种阴离子表面活性剂的最佳湿润表面张力范围均在26～30 mN/m,其峰值的出现与活性剂溶液在矿体表面铺展作用密不可分。

需要说明的问题：试验中不同阴离子表面活性剂溶液的表面张力随着浓度增加急剧下降，但达到临界浓度值[15]，其表面层已饱和，表面张力并无明显变化，故每种试剂均有一下限值，为防止形成胶束，该实验均在临界胶束浓度以下配制而成；吸湿试验所用的装置有很多，但是之间并没有普遍相关性[16]，测定结果不能完全反映湿润剂湿润粉尘的特性；本文选用160～180目之间的硫化矿尘，因为若粒径太大，反向渗透时间很短，粒径太小，在吸湿过程容易出现气泡、断痕等现象，均会影响实验精度，由于尺度有限，和实际矿尘粒径分布有所差别；采用的反向毛细吸湿试验与实际毛细管吸湿特性等均有一定差别。

3 结论

1) 微观的表面张力值可以作为反映表面活性剂宏观湿润性能大小的参考依据，通过绘制表面张力与吸湿增重和吸湿速度的关系图可以得出试验所用的3种阴离子表面活性剂的湿润性能依次是SDBS>SDS>K12,且3种活性剂最佳表面张力值范围为26～30 mN/m。

2)表面张力不是完全准确衡量湿润剂湿润性能的唯一指标，即使表面张力为最小值，其吸湿速度和吸湿增重也不一定为最大值，且3种湿润剂表面张力接近时，其润湿效果也不尽相同，相同表面张力的同种湿润剂对不同种矿尘的湿润效果不同。

3)通过表面张力和接触角的关系得出实验所用的3种硫化矿临界表面张力值分别为27.3，26.6，26.0 mN/m，可为优选复配表面活性剂提供定量判据，且吸湿实验的峰值与临界表面张力值接近，其峰值大小跟湿润剂在固体表面的铺展过程密不可分，为湿润剂的选择提供了衡量指标和技术服务。

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