礦用泡沫降塵劑的研究

柏 松，王 軍，萬(wàn)婷婷

(華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

粉塵，作為煤礦五大災(zāi)害之一，不僅會(huì)磨損機(jī)械設(shè)備，降低其工作精度，而且當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)引起爆炸，造成人員傷亡。除此之外，煤塵對(duì)人體的危害也是相當(dāng)嚴(yán)重，如由呼吸性粉塵引起的塵肺病，它對(duì)人體的傷害無(wú)法根除，因此煤礦防塵相當(dāng)重要［1］。

傳統(tǒng)的防塵措施，如通風(fēng)除塵、濕式除塵等，前者對(duì)呼吸性粉塵的捕集效率比較差，后者用水量較大，對(duì)井下環(huán)境造成了一定的影響，由此，泡沫降塵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［2］。

泡沫降塵技術(shù)主要是在水中加入礦用泡沫降塵劑，并攪拌產(chǎn)生泡沫，將泡沫噴入礦塵密集區(qū)域，泡沫黏附礦塵并沉降，從而達(dá)到降塵的作用。礦用泡沫降塵劑主要是由起泡劑、穩(wěn)泡劑按照一定比例混合而成［3］。

1 起泡劑的選擇及起泡性能試驗(yàn)

起泡劑要求起泡力強(qiáng)、泡沫穩(wěn)定性好、成本較低、毒性小。綜合考慮以上因素，我們選擇了十二烷基苯磺酸鈉(LAS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)、α－烯基磺酸鈉(AOS)作為實(shí)驗(yàn)試劑進(jìn)行試驗(yàn)，其發(fā)泡體積、半衰期隨濃度變化曲線如下:

將三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)與十二烷基苯磺酸鈉(LAS)的起泡性能都比較好，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉水溶性比十二烷基苯磺酸鈉好，且半衰期也比十二烷基苯磺酸鈉好，故選擇脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉作為復(fù)配的表面活性劑之一。

圖1 LAS起泡性能隨濃度變化

圖2 LAS半衰期隨濃度變化曲線

圖3 AES發(fā)泡體積隨濃度變化

圖4 AES半衰期隨濃度變化曲線

圖5 AOS發(fā)泡體積隨濃度變化

圖6 AOS半衰期隨濃度變化曲線

2 穩(wěn)泡劑的選擇及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)泡沫破裂的機(jī)理，有效的穩(wěn)泡劑主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是增加泡沫的粘彈性，減小泡沫的透氣性，從而增大泡沫的穩(wěn)定性;另一類(lèi)是增加泡沫的透氣性，減緩泡沫的排液速率，提高泡沫的穩(wěn)定性泡［4］。再考慮到成本和環(huán)境保護(hù)方面的因素，我們選擇了脂肪醇類(lèi)中脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)、辛基酚聚氧乙烯醚(OP－10)，和脂肪胺類(lèi)表面活性劑中的脂肪醇酰胺(CAS)作為實(shí)驗(yàn)試劑進(jìn)行試驗(yàn)，其發(fā)泡體積、半衰期隨濃度變化曲線如下:

將三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)脂肪醇酰胺的半衰期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脂肪醇聚氧乙烯醚和辛基酚聚氧乙烯醚，故而選擇脂肪醇酰胺(CAS)進(jìn)行表面活性劑復(fù)配劑。

圖7 JFC發(fā)泡體積隨濃度變化變化曲線

圖8 JFC半衰期隨濃度變化

圖9 OP－10發(fā)泡體積隨濃度變化曲線

圖10 OP－10半衰期隨濃度變化

圖12 CAS半衰期隨濃度變化

3 復(fù)配實(shí)驗(yàn)

3.1 復(fù)配方案的均勻設(shè)計(jì)

本次復(fù)配實(shí)驗(yàn)通過(guò)均勻設(shè)計(jì)安排實(shí)驗(yàn)方案。本次試驗(yàn)采取的是十水平、兩因素、兩指標(biāo)的均勻設(shè)計(jì)，故均勻設(shè)計(jì)表選擇U10*(108)，兩因素分別為AES、CAS濃度，兩指標(biāo)分別為發(fā)泡體積、半衰期。

表1試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

圖13 復(fù)配溶液發(fā)泡體積隨濃度變化曲線

圖14 復(fù)配溶液半衰期隨濃度變化曲線

由表1并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果直接分析，第6號(hào)試驗(yàn)的兩組指標(biāo)值綜合最高(發(fā)泡體積230 ml，半衰期155 min)，并且比對(duì)照值高。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

用均勻設(shè)計(jì)3.0軟件中的逐步回歸分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到關(guān)于發(fā)泡體積Y1和半衰期Y2與AES和CAS濃度之間的線性關(guān)系分別如下:

預(yù)測(cè)得到優(yōu)化配方為X1=0.9，X2=0.6。

對(duì)預(yù)測(cè)得到的優(yōu)化配方進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)記錄表如下表所示:

表2 復(fù)配試劑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

驗(yàn)證試驗(yàn)中的發(fā)泡體積分別為273 ml、260 ml、265ml，誤差在允許范圍內(nèi)。半衰期分別為157 min、159min、161min，誤差也在允許范圍內(nèi)。

3.3 實(shí)驗(yàn)室模擬降塵實(shí)驗(yàn)

1)模擬降塵實(shí)驗(yàn)裝置

模擬降塵實(shí)驗(yàn)裝置由自制粉塵發(fā)生及控制系統(tǒng)(含晶體粉碎機(jī)、小型超微粉粹機(jī)及粉塵噴入裝置組成)、自制模擬試驗(yàn)箱、降塵液起泡及噴入裝置組成，如圖15所示。

2)降塵實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將礦渣和煤塊按比例倒入自制粉塵發(fā)生及控制系統(tǒng)的晶體粉碎機(jī)入口，產(chǎn)生的粉塵噴入自制模擬試驗(yàn)箱中，靜置15 min后，測(cè)定粉塵濃度作為原始濃度依據(jù);噴水15 min后，靜置15 min測(cè)試粉塵濃度作為對(duì)比數(shù)據(jù);噴入降塵泡沫，1 h后用鋼絲網(wǎng)攪動(dòng)使泡沫破滅，靜置15 min測(cè)試粉塵 濃度作為對(duì)比數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示:

圖15 模擬降塵實(shí)驗(yàn)裝置示意

表3 模擬降塵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本次實(shí)驗(yàn)所配制降塵液降塵效果較好，甚至優(yōu)于直接噴水的效果，可能是因?yàn)椴糠址蹓m水溶性不好，直接噴水難以消除這部分粉塵;而降塵液中添加的表面活性劑改善了水對(duì)煤粉、礦粉的潤(rùn)濕性能，從而達(dá)到了更佳的降塵效果。

4 結(jié)論

1)礦用泡沫降塵劑配制的關(guān)鍵在于形成泡沫的起泡劑、維持泡沫穩(wěn)定的穩(wěn)泡劑的選擇及復(fù)配，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)起泡性試驗(yàn)及穩(wěn)泡性試驗(yàn)驗(yàn)證，篩選出來(lái)作為復(fù)配試劑的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、脂肪醇酰胺，具有良好的起泡性、穩(wěn)泡性。

2)本次試驗(yàn)中的復(fù)配實(shí)驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并用均勻設(shè)計(jì)3.0軟件中的逐步回歸分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化，得到最優(yōu)配方:0.9%的AES與0.6%的CAS復(fù)配。按該配方配好的溶液，產(chǎn)生的泡沫的發(fā)泡體積在273 ml、半衰期在 161 min。

3)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬降塵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所配泡沫降塵劑有較好的降低空氣中粉塵的效果，有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 王鵬.煤礦粉塵的危害及其防控措施芻議［J］.柴達(dá)木開(kāi)發(fā)研究，2013，8:31 －34.

［2］ 盧有成.煤礦綜采防塵新技術(shù)應(yīng)用探析［J］.中小企業(yè)管理與科技，2014，1:176 －177.

［3］ 段健，譚允禎，劉超，等.煤礦泡沫降塵起泡劑選擇的研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(12):6－7.

［4］ 陳學(xué)習(xí)，等.封堵鉆孔裂隙的三相泡沫均勻試驗(yàn)研究［J］.煤炭工程，2009，1:71 －73.