固態(tài)顆粒對(duì)水基泡沫溶液性能影響的實(shí)驗(yàn)研究＊

陳 鵬 劉子華 李 崢 楊永波

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

固態(tài)顆粒對(duì)水基泡沫溶液性能影響的實(shí)驗(yàn)研究＊

陳 鵬 劉子華 李 崢 楊永波

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

為了研究固相對(duì)泡沫性能的影響，本文采用粉煤灰為研究對(duì)象，在其漿液中加入一定劑量的起泡劑和穩(wěn)泡劑，高速攪拌發(fā)泡形成三相泡沫。實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了不同粉煤灰濃度和粒徑對(duì)泡沫性能的影響，得出了漿液起泡性和泡沫穩(wěn)定性較好時(shí)的粉煤灰濃度和粒徑范圍。

固態(tài)顆粒 水基泡沫 性能 三相泡沫

水基泡沫以其獨(dú)特的性能在很多領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，如礦山浮選、泡沫滅火以及泡沫驅(qū)油等，尤其是冷卻作用和隔離空氣的特性而在煤礦火災(zāi)防治方面得到普及。很多學(xué)者在原有兩相泡沫的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三相泡沫性能的研究，探討了固態(tài)物對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響。

在煤礦火災(zāi)防治方面，分析了粉煤灰類三相泡沫的穩(wěn)定性，研究表明灰水比對(duì)起泡性能影響。在泡沫浮選方面，研究了水硬鋁石固體顆粒大小和濃度對(duì)油酸鈉三相泡沫的影響，固體顆粒粒徑在小于0.01 mm時(shí)，泡沫的穩(wěn)定性較高，隨著粒徑的增大，泡沫穩(wěn)定性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而顆粒濃度對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響則因粒徑范圍的不同而有所差異。此外，分別研究了表面親水和表面憎水的二氧化硅微粒對(duì)水基泡沫性能的影響，結(jié)果顯示，與親水性的二氧化硅顆粒相比，疏水性的二氧化硅微粒對(duì)十二烷基磺酸鈉泡沫體系有明顯的穩(wěn)定作用。分析了固態(tài)顆粒提高泡沫穩(wěn)定性的方法，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)納米材料濃度達(dá)到2.0%時(shí)，泡沫的穩(wěn)定性隨其濃度的升高而不斷增強(qiáng)。然而，泡沫是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系，到目前為止，固態(tài)顆粒屬性對(duì)水基泡沫特性參數(shù)影響的分析研究較少。本文對(duì)不同工況下的十二烷基硫酸鈉 （Sodium dodecyl sulfate，SDS）水基泡沫的氣泡特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)固態(tài)顆粒對(duì)水基泡沫特性影響的參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

由于研究的對(duì)象涉及到固體顆粒物，不宜采用氣流法和改進(jìn)的ROSS-Miles法進(jìn)行發(fā)泡，本文采用攪拌法進(jìn)行發(fā)泡，攪拌儀器為JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器。實(shí)驗(yàn)材料為起泡劑、穩(wěn)泡劑和粉煤灰。

（1）起泡劑：選用SDS為起泡劑。

（2）穩(wěn)泡劑：選用羧甲基纖維素鈉 （CMC），質(zhì)量濃度為0.3%。

（3）粉煤灰：由于粉煤灰的來(lái)源不同，其顆粒大小也有一定的區(qū)別，本文選用北京市電力粉煤灰工業(yè)公司的粉煤灰，并通過(guò)分子篩將其按不同的粒徑 （D）分成4類：目數(shù)D＞200目；120＜目數(shù)D＜200目；80＜目數(shù)D＜120目；60＜目數(shù)D＜80目。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

具體實(shí)驗(yàn)方法為：先將一定量的粉煤灰，加入到盛有100 ml清水的攪拌杯中形成粉煤灰漿液，然后再加入一定量的起泡劑 （SDS）和穩(wěn)泡劑（CMC），混合均勻使其形成起泡劑溶液。調(diào)整攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為2000 r／min，持續(xù)攪拌1 min后停止攪拌，記錄此時(shí)泡沫的體積V。將產(chǎn)生的泡沫靜置，觀察并記錄攪拌杯底部析出50 ml液體時(shí)的時(shí)間t，即泡沫的半衰期值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證和分析起泡劑濃度和溫度對(duì)溶液起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響，確定合理的濃度和溫度參數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中采用改進(jìn)的Ross-Miles法對(duì)起泡劑濃度和起泡溫度進(jìn)行正交發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如表1所示，其中V0為泡沫的初始體積，V為改進(jìn)的Ross-Miles法中以液流停止后30 s時(shí)的泡沫體積。

從表1可以看出，在同一溫度下，SDS溶液的起泡性隨著濃度的增加而增加，當(dāng)其濃度在0.008 mol／L附近時(shí)起泡能力最強(qiáng)，隨著濃度的繼續(xù)增加起泡性出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)于相同濃度的溶液，起泡性與其所處的環(huán)境溫度也有較大的對(duì)應(yīng)關(guān)系，低于30℃時(shí)溶液的起泡性隨著溫度的升高而增加，高于30℃后隨著溫度的升高而降低，而且溫度越高，溶液起泡性越低，例如在55℃下，濃度為0.014 mol／L的溶液起泡體積僅有370 ml。

因此，SDS起泡劑溶液在臨界膠束濃度（cmc）附近溶液的起泡性最好，因而選用起泡劑的摩爾濃度為0.008 mol／L，轉(zhuǎn)化成質(zhì)量濃度為0.25%的環(huán)境溫度為30℃，在該條件下溶液的起泡性能較好，泡沫的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2.1 固體顆粒對(duì)溶液起泡性的影響

依次分析粉煤灰在4種粒徑條件下，灰水比分別為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶20、1∶50和0∶1時(shí)溶液的起泡體積V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表1 不同濃度和溫度下SDS溶液的發(fā)泡性能

從圖1可知，在同一粒徑條件下，隨著粉煤灰濃度的升高，溶液的起泡性總體上呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰粒徑目數(shù)大于120目時(shí)，固體顆粒較細(xì)，漿液濃度越高越不利于發(fā)泡，如當(dāng)粒徑目數(shù)大于200目，灰水比為1∶4時(shí)，發(fā)泡體積僅為200 ml。當(dāng)粒徑目數(shù)小于120目，灰水比低于1：6時(shí)，溶液的起泡性變化不大，發(fā)泡體積基本在550 ml左右，隨著漿液濃度升高，溶液的起泡性迅速降低，當(dāng)灰水比為1∶2時(shí)，溶液產(chǎn)生的泡沫只有300 ml。

在同一漿液濃度條件下，隨著粉煤灰粒徑的減小，溶液的起泡性呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)灰水比在1∶20以內(nèi)時(shí)，粒徑對(duì)溶液的發(fā)泡性影響不大，都維持在500 ml左右?；宜仍?∶20～1∶6之間，粒徑較小的粉煤灰比粒徑較大的粉煤灰更不利于溶液的發(fā)泡。當(dāng)灰水比大于1∶2時(shí)，粒徑大小對(duì)溶液起泡性的影響不是很明顯，起泡能力都很低。

圖1 粒徑和灰水比對(duì)溶液起泡性的影響

2.2 固體顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

將半衰期t與粒徑D和灰水比對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響繪成曲線，如圖2所示。

圖2 粒徑和灰水比對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

由圖2可得，同一粒徑條件下，隨著漿液濃度的升高，所形成的泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)；當(dāng)灰水比達(dá)到1∶2，粒徑目數(shù)小于80目時(shí)，泡沫的半衰期最長(zhǎng)，可達(dá)110 min。這主要是由于攪拌過(guò)程中，粉煤灰固體顆粒覆蓋在氣泡表面上，在氣泡與氣泡間形成了一層粉煤灰固體顆粒膜，漿液濃度越高，這層膜越致密，所生成的泡沫膜也就越堅(jiān)固，這樣就降低了液膜間的排液速率和氣泡的擴(kuò)散，從而使粉煤灰三相泡沫越穩(wěn)定。

在同一漿液濃度條件下，當(dāng)灰水比小于1∶20時(shí)，粒徑大小對(duì)泡沫的穩(wěn)定性基本沒有影響，因?yàn)榇藭r(shí)顆粒濃度較低，其被氣泡粘附而被夾帶到氣液界面的顆粒量相對(duì)較少。當(dāng)灰水比大于1∶10時(shí)，泡沫的穩(wěn)定性會(huì)因粉煤灰粒徑的大小而有所差異，粒徑較小的粉煤灰 （目數(shù)大于200目），顆粒會(huì)浸在液體中隨著液膜的排液而流走，不利于泡沫的穩(wěn)定，其半衰期在500 s左右；而粒徑較大的粉煤灰（目數(shù)小于200目），由于在該粒徑范圍內(nèi)的固體顆粒更容易被氣泡吸附在氣液界面上，對(duì)氣泡液膜的排液起到阻礙作用，使泡沫不容易破裂，因而能起到一定的穩(wěn)泡作用，半衰期達(dá)到1000 s以上。

3 結(jié)論

本文通過(guò)攪拌法分析固體顆粒粉煤灰濃度和粒徑大小對(duì)起泡劑溶液起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響，得到了如下結(jié)論。

（1）固態(tài)顆粒粉煤灰濃度升高不利于溶液發(fā)泡，產(chǎn)生的泡沫量較少，但有利于泡沫的穩(wěn)定。灰水比在1∶2左右產(chǎn)生的泡沫只有300 ml左右，但泡沫半衰期達(dá)到110 min。

（2）固體顆粒粒徑大小對(duì)溶液的起泡性影響比較大，對(duì)泡沫的穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。在同一漿液濃度下，粒徑目數(shù)大于120目的溶液發(fā)泡性比粒徑目數(shù)小于120目的溶液發(fā)泡性差，添加一定濃度的、粒徑目數(shù)在60～200目之間的粉煤灰有利于泡沫的穩(wěn)定。

（3）當(dāng)添加固態(tài)顆粒粉煤灰粒徑目數(shù)在60～120目之間，漿液灰水比在1∶4～1∶10之間時(shí)，溶液的起泡性相對(duì)較好，生成的泡沫比較穩(wěn)定。

［1］秦波濤，王德明等 .高性能防滅火三相泡沫的實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（1）

［2］秦波濤，李增華等 .防滅火三相泡沫添加劑的實(shí)驗(yàn)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）

［3］陳足章，趙慶民 .“三相泡沫”在礦井防滅火中的應(yīng)用 ［J］.煤礦現(xiàn)代化，2010（3）

［4］穆梟 .三相泡沫穩(wěn)定性與消泡研究 ［D］.湖南：中南大學(xué)，2005

［5］肖錚 .固體顆粒對(duì)泡沫體系穩(wěn)定性的影響 ［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院，1987

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) .表面活性劑發(fā)泡力的測(cè)定-改進(jìn) Ross-Miles法 ［S］.GB／T7462-94.北京，1994

［7］梁曉瑜，王德明等 .粉煤灰三相泡沫防治煤炭自燃的應(yīng)用研究 ［J］.中國(guó)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助 （51274205）；教育部博士點(diǎn)基金新教師項(xiàng)目 （20070290022）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SKLCRSM10KFB13）；廣西科學(xué)研究與科技開發(fā)項(xiàng)目 （桂科攻11145001-7）

陳鵬 （1971-），男，安徽淮南人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事燃燒學(xué)、火災(zāi)科學(xué)等方面的研究工作，主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、教育部博士點(diǎn)基金新教師項(xiàng)目等多項(xiàng)縱向課題。

（責(zé)任編輯 王雅琴）