基于表面力测量的煤尘润湿剂与煤相互作用研究

陈 曦，张志强，李仲文，邬丛珊

（太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024）

煤炭在开采和生产过程中会产生大量粉尘，这些粉尘通常具有悬浮和疏水特性，使其管理非常困难[1-2]。而空气中有大量粉尘时会导致职工患尘肺病、加剧设备磨损、造成煤尘爆炸的严重事故等[3-5]。常用的抑尘方法有：通风、静电除尘、个人防护、封闭隔离、喷雾除尘等[6-10]。

然而目前对化学抑尘剂抑制煤尘的表征方法还缺乏深入研究，依旧存在润湿煤尘性能差的现象。通常测量煤尘润湿性的方法有：煤尘沉降实验法、接触角法、动力试验法、上下向毛细管渗透法、还可以通过测量动态表面张力考察表面活性剂分子在水中的运动情况等等[11-14]。

以上所述中都用了比较宏观的方法研究去离子水或不同表面活性剂分子溶液润湿煤尘或煤块的实验。如果测量试剂与被测物体之间的相互作用力，无疑可以更本质上理解二者之间的相互作用。Wang等[15]设计了集成的薄膜排水设备（ITFDA）；Zhang等[16]使用双压压电晶片力传感器对此装置进一步改进，且它的力的分辨率为1 μN。在此基础上，对上述装置做了进一步改进，研究了表面活性剂溶液液滴润湿煤块过程的作用力，为煤尘润湿研究提供参考。

1 实验材料与方法

接触力测量装置图如图1。

图1 接触力测量装置图Fig.1 Device diagram for measuring contact force

左端压电片探针与电脑相连，通过电压放大器和信号转换器将信号传输到电脑，用labview 程序测量数据。压电片探针右端连接透明玻璃管，用来连接液滴。右端正对液滴处放置摄像头，用来录制实验过程中液滴形状的变化。液滴下方为电机，用于控制煤块的上下移动，电机上放置升降台，用于微调煤块的移动，煤块置于升降台上，并位于液滴正下方的位置。然后，玻璃管端附着液滴后，启动电机，以0.58 mm/s 匀速向上移动。发生附着后，停滞5 s 后以相同速度匀速向下移动煤块，直至液滴断裂。每组实验进行3 次，最终取平均值。

2 实验结果

2.1 煤块与液滴相互作用动态过程

5×10-5mol/L AEO9 溶液与煤表面相互作用图如图2。图中力为“正”时代表斥力，力为“负”时代表引力。

图2 5×10-5 mol/L AEO9 溶液与煤表面相互作用图Fig.2 Graphs of the interaction between 5×10-5 mol/L AEO9 solution and coal surface

1）在2#点前，煤块向上朝着液滴以0.58 mm/s的速度匀速移动的过程，煤块和液滴距离逐渐减小，此时煤块还未触碰到液滴。到了2#点时，煤块离液滴很近，处于即将要接触前的一刻，此时煤块对液滴有1 个很小的引力，液滴会发生垂直向下地微变形，使得液滴尖端离煤块更近，此诱导时间段煤块运动距离设为1.5 cm。

2）煤块继续向上运动到达3#点时，煤块与液滴接触，形成了煤-空气-液滴三相接触线（TPC）。煤块继续向上运动，三相接触线增大，说明液滴在煤块表面铺展。发生此现象是因为，通常情况下，气-液、气-固之间的界面张力比液-固之间的界面张力要大得多，所以系统倾向于向液-固接触面积大的方向转变，即液体在煤表面扩散是吉布斯自由能降低的自发过程；此过程中伴随着产生1 个向上的斥力，斥力逐渐增大，发生此现象可能是因为液滴在煤块表面铺展的速度较慢，而煤块继续向上运动，液滴被压缩，导致液滴与煤块之间的斥力持续增大。到4#点时，液桥宽度达到最大斥力产生之前的最小值，而三相接触线达到最大值，此过程煤块运动的距离约为0.2 mm。煤块再继续向上运动0.91 mm 后在5#点时停止。此过程中，三相接触线保持不变，说明液滴在煤块表面已停止铺展，且液体与煤块之间斥力达到最大，此时液桥宽度达到最大。

3）之后煤块停止运动5 s，其间煤块与液滴间斥力开始渐渐减小，一直减小到6#点，但此过程液桥宽度和三相接触线长度均未发生改变，分析其可能是因为液滴向煤块里层的渗入引起的。

4）从6#点开始，煤块同样以0.58 mm/s 的速度向下移动，液滴受到向上的斥力继续减小，直至为0，继而液滴开始受到煤块向下的引力。一直到7#点之前，可以观察到力曲线是线性的，表明液滴在该区域的力和弹簧的力是一样的。从7#点开始，由于液滴大的变形，力曲线不再遵循胡克定律，7#～8#点时，毛细液桥在收缩过程中变薄，在8#点时，煤块对液滴的引力达到最大值。煤块继续向下运动，相互作用力减小，直至毛细液桥断裂，9#点为液断裂过程中的1 点，煤表面残留部分液体。

2.2 不同量浓度AEO9 溶液与煤块作用动态过程

为了探究表面活性剂溶液量浓度对相互作用力的影响，绘制量浓度为5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L的表面活性剂AEO9 溶液与煤块作用力随时间变化的曲线，不同量浓度AEO9 溶液表面力随时间变化图如图3。不同量浓度AEO9 溶液的表面力相关参数见表1。

图3 不同量浓度AEO9 溶液表面力随时间变化图Fig.3 The surface force of different concentrations of AEO9 solution with time

由图3 及表1 可知，3 种浓度表面活性剂溶液的最大斥力随量浓度的增大逐渐减小，表明溶液润湿煤尘的效率也随量浓度的增大逐渐减小；对比三者到达最大斥力所用时间发现，5×10-5、8×10-5mol/L的溶液所用时间几乎相同，而1.5×10-4mol/L 溶液所用时间略短，表明1.5×10-4mol/L 的溶液润湿速率比5×10-5、8×10-5mol/L 的溶液要高。将润湿效率和润湿速率综合对比可知，1.5×10-4mol/L 的溶液的润湿能力最强。对比三者最大三相接触线（最大TPC）长度可知，其大小关系为1.5×10-4mol/L＜5×10-5mol/L＜8×10-5mol/L。这表明，在几乎相同的时间内，量浓度为8×10-5mol/L 溶液铺展最快，5×10-5mol/L 的溶液次之，可忽略其向煤块内部的渗入；而1.5×10-4mol/L 的溶液铺展最慢，但对比溶液润湿能力可知，理论上1.5×10-4mol/L 的溶液铺展应是最快的，但是实际测得的却最小，分析应该是由于其量浓度太大，导致铺展过程中发生了向煤块里层的渗入，所以会发生三相接触线较短的现象，证实了其润湿能力最强的结论。

表1 不同量浓度AEO9 溶液的表面力相关参数Table 1 Measured parameters related to the surface force of different concentrations of AEO9 solution

之后煤块停滞期间，各曲线斜率没有之前运动过程中变化的快慢对比那么明显，分析原因是此过程没有外力作用，且3 种量浓度值差异较小，所以液体润湿煤块速度的快慢没有显著差别。煤块接着向下运动时，量浓度为1.5×10-4mol/L 的试剂引力的“突然增大时刻”明显比其它2 条曲线更快到达，说明溶液在所受外界施加的拉力比较小时，就会到达其将要断裂的点，所以液体更容易断裂。相反，量浓度更小的试剂需要煤块继续向下才会使得毛细液桥被“拉断”。表1 中，3 种试剂能够达到断裂时所需的最大引力也随着量浓度的增大逐渐减小，说明量浓度越大，液体越有利于其被分散成小液滴，增加了与煤尘颗粒碰撞的概率，润湿煤尘的能力越强。

2.3 相同量浓度不同试剂与煤块相互作用动态过程

为了探究脂肪醇聚氧乙烯醚（下文简称为AEO）系列的不同表面活性剂对溶液与煤块相互作用的影响，实验选取了基团和链结构相同但氧乙烯链聚合程度不同，量浓度均为1.5×10-4mol/L 的3种脂肪醇聚氧乙烯醚AEO7、AEO9、AEO12 溶液进行对比实验，量浓度均为1.5×10-4mol/L 的3 种试剂表面力对比如图4，不同试剂表面力相关参数见表2。

表2 不同试剂表面力相关参数Table 2 Relevant parameters obtained by measuring the surface force of different reagents

图4 量浓度为1.5×10-4 mol/L 的3 种试剂表面力对比Fig.4 Comparison of surface forces of three reagents with a concentration of 1.5×10-4 mol/L

由图4 及表2 可知，煤块与液滴间最大斥力大小关系为AEO9＜AEO7＜AEO12，表明量浓度同为1.5×10-4mol/L 的3 种试剂中，AEO9 溶液润湿煤尘的效率最高，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。对比3 种试剂到达最大斥力所用时间可知，其大小关系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。表明3 种试剂中，AEO9 溶液润湿煤块速率最快，AEO7 溶液次之，AEO12 溶液最差。将3 种试剂对煤块的润湿效率和润湿速率综合对比，可知AEO9 溶液润湿煤尘的能力最强。对比三者最大三相接触线可知，三者长度大小关系为AEO9＜AEO7＜AEO12，表明在几乎相同的时间内，AEO12 溶液铺展最快，AEO7 溶液次之，AEO9 溶液铺展最慢，与其润湿煤尘能力正好相反，说明AEO7 溶液和AEO9 溶液液滴在煤块表面铺展的同时，均会有明显地向煤块里层渗透的现象，且AEO9 溶液比AEO7 溶液渗透的更多，所以也证实了其润湿能力最强的结论。从3 种试剂分子结构角度分析：AEO7、AEO9、AEO12 的疏水端链结构一致，亲水端链长依次变长，理论上AEO7 溶液液滴润湿煤尘效果最差，AEO12 溶液润湿最强。但实际测得AEO9 溶液润湿性最强，可能是因为AEO12链长越长，分子在水中扩散运动反而变得较慢，导致分子吸附到液体表层的速率变慢，从而导致其润湿性变差。

后续过程中，对比差异比较明显的是，煤块与液滴脱离接触时液滴断裂所需要的最大引力，也是AEO9 溶液最小，说明AEO9 溶液最容易分散成小液滴。这样，AEO9 溶液液滴可以更好地分散，增大与煤尘之间的碰撞概率，以达到更高的降尘效率。

3 结 语

1）实验测量了量浓度分别为5×10-5、8×10-5、1.5×10-4mol/L 的表面活性剂AEO9 溶液润湿煤块的相互作用过程，来考察表面活性剂量浓度对相互作用的影响。测量结果表明，3 个量浓度溶液最大斥力为5×10-5mol/L＞8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。到达最大斥力所用时间大小关系为：5×10-5mol/L≈8×10-5mol/L＞1.5×10-4mol/L。则综合考虑3 种量浓度溶液润湿煤尘的效率和速率可知量浓度为1.5×10-4mol/L 的溶液润湿煤尘能力最强。实验所测最大引力随着溶液量浓度增大，逐渐减小，说明液滴越容易被拉断，在实际应用中越容易被分散成小液滴，加大与煤尘颗粒结合的概率，降尘效率将更高。

2）实验测量了量浓度为1.5×10-4mol/L的3 种表面活性剂AEO7、AEO9、AEO12 溶液液滴润湿煤块的相互作用过程，来考察表面活性剂种类对相互作用的影响。测量结果表明，3 种试剂最大斥力大小关系为AEO9＜AEO7＜AEO12。对比到达3 种试剂到达最大斥力所用时间，可知其大小关系也符合AEO9＜AEO7＜AEO12。综合考虑3 种试剂对煤块的润湿效率和润湿速率，可知AEO9 溶液润湿煤尘的能力最强。三者最大引力大小关系为：AEO9 ＜AEO7 ＜AEO12，则AEO9 溶液最易分散成小液滴与煤尘结合，以达到较高的降尘效率。