泡沫除尘技术探析

2022-05-16程超男姚有利

山西大同大学学报(自然科学版) 2022年2期

程超男，姚有利

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037009）

国务院新闻办发布《新时代的中国能源发展》白皮书可知，2019 年我国的煤炭类消费占总能源消费总量的比重大于50%[1]。这表明在目前及今后较长的一段时间内，煤炭仍将作为我国社会经济发展的最主要能源，支撑起我国在21 世纪社会经济的发展与社会能源安全。

我们知道矿井粉尘是煤矿生产中出现的五大井下灾害之一。矿井粉尘主要包括一般性粉尘和呼吸性粉尘[2]，以尘肺病和煤尘爆炸两种形式危害着矿井工作人员的身心健康与生产安全[3]，故需做好井下除尘工作。

泡沫除尘是一种新型除尘技术手段。20世纪50年代以来，苏联、美国、日本等多国相继进行了泡沫除尘技术的实验与研究，并取得了相关成果。国内的泡沫除尘技术发展研究与国外相比较迟[4]。研究发现，经济成本成为制约泡沫除尘技术广泛应用于全国各煤矿的重要因素之一，如何在压缩经济成本的前提下，配比出高发泡体积的泡沫成为众多学者研究的重点[5]。

1 泡沫除尘机理

1.1 宏观机理

泡沫除尘是通过井下泡沫发生装置将水、空气、泡沫除尘剂进行三相混合产生泡沫，再将泡沫喷洒到作业环境当中进行除尘。

在工作面第一线，也就是矿井粉尘产生的源头，大量的泡沫堆积在一起，在尘源与空气当中形成一层阻断层组断层会阻挡粉尘从尘源处向外逸散；当泡沫通过发泡设备喷射到空气当中时，数量巨大、表面积巨大的泡沫会极大范围地包裹空气中的粉尘，在无规则运动当中与粉尘相遇并将之捕获沉降，达到除尘目的，如图1。喷射到空气中的泡沫数量越多，在空气中存在的时间越长，泡沫与粉尘接触的几率就越大，泡沫的除尘效率就会越高。

图1 泡沫除尘宏观机理

1.2 微观机理

泡沫除尘的微观除尘机理主要分为碰撞、润湿、粘附、沉降四个过程[6]，润湿与粘附同时进行。泡沫喷洒在空气中，单个泡沫的运动受惯性、重力、浮力、空气等多种因素影响，空气中的粉尘在与泡沫接触以后，停止扩散运动，转而迅速被泡沫润湿并粘附，随着泡沫一起沉降，最终达到除尘的目的，如图2。

图2 泡沫除尘微观机理

沉降有两种方式：①重力沉降，泡沫与泡沫上面的粉尘受自身重力作用，慢慢沉降至地面；②破裂沉降，泡沫破裂以后会形成许多的液滴微粒，携带着已经润湿的粉尘一起沉降到地面[7]。

破裂沉降有两种形式：①工作面中产生的粉尘质量、大小、粒径、运动速率、尖锐程度等均不同，与粉尘接触后，运动速率较大、较为尖锐的煤尘在与泡沫液膜表面接触时会直接破坏泡沫结构，致使泡沫直接破裂。破裂的泡沫会携带着已经润湿的粉尘一起沉降到地面，而部分来不及被完全润湿的煤尘则会在泡沫破裂时形成的反作用力下被反弹，在空气中做二次运动。直至被下一个泡沫捕获并沉降。②如果泡沫没有被粉尘直接击破，随着粘附的粉尘越来越多，泡沫液膜越来越薄，液膜的润湿能力逐渐下降，直至完全丧失对外界煤尘的润湿能力。由于煤尘大多属于疏水性粉尘，在泡沫丧失润湿能力以后，煤尘碰撞泡沫破坏泡沫液膜的表面结构，引起泡沫破裂[8]。

2 泡沫除尘剂优选实验

2.1 试剂选择

采用ROSS-Miles 法对六种不同的发泡试剂进行发泡性能试验。根据产生的泡沫体积和泡沫的半衰期评价试剂的发泡性能。

因不同试剂具有不同的发泡性能，故为了增强对比性，选用了共4种不同离子型表面活性剂进行单体发泡剂浓度优选，且选用两种非离子型表面活性剂（1#羧甲基纤维素钠和2#改性硅树脂聚醚微乳液）作为稳定剂进行复配优选，见表1。

表1 试剂的选择

2.2 试验结果

2.2.1 单体发泡剂试验结果分析

表面活性剂可以降低水溶液的表面张力，形成发泡性能更为优秀的发泡液[9]。活性剂添加浓度不同，发泡液的发泡性能不同。每一种活性试剂都存在着一种最佳浓度，此浓度下的发泡液的综合发泡性能最为优秀。

由图3～图6 可知，结合起泡能力和泡沫稳定性两个发泡性能，十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵的最佳发泡浓度分别为0.2、0.2、1.0、0.9%；十二烷基苯磺酸钠的发泡性能最为优秀，十二烷基硫酸钠和十二烷基磺酸钠的发泡性能次之，十六烷基三甲基溴化铵的发泡性能最差；三种阴离子型的发泡剂单体发泡性能均优于另外的一种阳离子型发泡剂。

图3 十二烷基硫酸钠发泡性能

图4 十二烷基苯磺酸钠发泡性能

图5 十二烷基磺酸钠发泡性能

图6 十六烷基三甲基溴化铵发泡性能

2.2.2 稳定剂复配试验结果分析

进行稳定剂复配实验是为了在保持高起泡能力的基础上增强泡沫的稳定性，而不是为了提高泡沫的稳定性而不顾原先的起泡能力是否下降。

1#稳定剂羧甲基纤维素对四种试剂的影响如图7 和图8。四种发泡剂的复配试剂的综合发泡性能都有所提升。随着羧甲基纤维素浓度的增加，产生泡沫体积先增大后减小，而泡沫的稳定性能逐步提高。

图7 1#稳定剂复配试验起泡能力图

图8 1#稳定剂复配试验稳定性能图

2#稳定剂改性硅树脂聚醚微乳液对四种试剂的影响如图9 和图10。原本单体发泡性能最为优秀的十二烷基苯磺酸钠的复配试剂发泡性能大大下降，而另外三种试剂的发泡性能却有所提升。其中单体起泡能力最低的十六烷基三甲基溴化铵在与2#稳定剂复配之后，其起泡能力大大增加，成为起泡能力最为优秀的复配试剂，但其泡沫的稳定性能却较差。十二烷基磺酸钠与2#稳定剂的复配效果最佳，起泡能力和稳定性能均有较大提升。