礦用泡沫除塵劑除塵機理及實驗研究

邢夢瑤,徐榮蕭 ,王宗陽,張樹立

(濱州學院 化工與安全學院，山東 濱州 256600)

隨著煤礦井下機械化程度的不斷提高，采掘工作面在生產過程中會產生大量的粉塵。根據現場實測結果，在沒有任何防塵措施的情況下，采掘工作面的粉塵濃度為1200～1500 mg/m3，個別地方達到3000 mg/m3左右，粉塵中呼吸性粉塵的濃度接近60%[1]。高濃度粉塵的危害性主要有以下三點：一是高濃度粉塵導致工人工作環境惡劣，是引發井下工人塵肺病的主要原因，嚴重危害礦工的身心健康。二是高濃度粉塵會降低工作現場的能見度、增加機械的磨損率、降低現場設備的使用壽命，增加工礦企業的成本。三是粉塵具有爆炸性，對礦井的安全生產有嚴重影響。因此，解決煤礦采掘工作面高濃度粉塵問題是一個十分重要且亟待解決的技術難題。

目前，國內外主要采取了煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、通風除塵、化學抑塵等措施來降低粉塵濃度。 但事實證明，這些措施均存在一定的不足和局限性，都沒有很好的解決礦井高濃度粉塵問題，煤礦采掘工作面工作現場仍然存在粉塵濃度超標的現象。 因此，進行礦用泡沫除塵劑除塵機理及實驗研究，探索新型高效除塵技術，對于保證礦井安全生產以及保證工人身心健康意義重大。

1 礦用泡沫除塵劑除塵機理

1.1 泡沫的生成

煤礦井下泡沫除塵技術所用的水來自井下防塵用水，所用的空氣來自井下壓風，泡沫除塵技術是通過比例添加泵將泡沫除塵劑添加到防塵管路中形成泡沫除塵液，再將泡沫除塵液輸送到發泡裝置中，同時將壓風管路中的空氣壓入發泡器中，發泡器所形成的泡沫通過泡沫輸送管道到達塵源將塵源覆蓋，最終達到除塵的目的[2]。

1.2 泡沫捕塵機理

泡沫除塵劑是一種表面活性劑，它的分子由親水基和疏水基構成，溶于水后在水的表面形成親水基向內、疏水基向外(即朝向空氣)的混合吸附分子層[3]。因此，泡沫除塵劑形成的泡沫液膜分子也呈現出親水基向內，疏水基向外的特性(如圖1所示)，當泡沫與煤塵接觸時，率先接觸煤塵的將是泡沫液膜分子的疏水基團(又稱為親油基)，疏水基由較長的有機碳鏈組成，類似于煤塵表面的分子特征，比水分子更容易吸附分子，因此，泡沫除塵技術的除塵效果與其他除塵措施相比均有顯著提高。

泡沫捕塵的過程可以分為攔截、粘附、濕潤和沉降四個過程[4]，塵源產生的粉塵在向外擴散的過程中被泡沫液膜表面的親水基所吸附并潤濕，隨著吸附的煤塵量越來越多，泡沫液膜在潤濕過程中也越來越薄，最終破碎并隨潤濕后的煤塵一起沉降，從而達到除塵的目的。

1-泡沫；2-泡沫液膜疏水基端；3-泡沫液膜分子；4-泡沫液膜親水基端

2 礦用泡沫除塵劑實驗研究及配方優選

2.1 礦用泡沫除塵劑的實驗研究

2.1.1 發泡劑和穩泡劑的優選

泡沫的除塵效果與泡沫除塵劑的配方有很大的關系，泡沫除塵劑通常由發泡劑、穩泡劑和潤濕劑組成。為了研制具有高發泡倍數和良好除塵效果的泡沫除塵劑，首先優選了十二烷基笨磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基(二甲基)甜菜堿、月桂酰胺丙基甜菜堿、十六烷基磺酸鈉和改性烷基糖苷做發泡劑；三乙醇胺、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺和可溶性淀粉做穩泡劑；二辛基磺基琥珀酸鈉、壬基酚聚氧乙烯醚、快T、JFC和OP-10做潤濕劑。具體實驗方法如下：將發泡劑配置成0.1%～1%(兩種濃度間隔0.1%)不同濃度的溶液，通過改進的ROSS-Miles 法(如圖2所示)分別測量各種發泡劑在不同濃度時的發泡倍數及半衰期(將450mL試劑溶液從50cm處滴入50mL相同濃度的溶液中，記錄溶液滴完后0min和5min泡沫體積，將其分別作為該試劑在該濃度下的發泡倍數和半衰期，重復三次取平均值)，從而確定出各種發泡劑的最優濃度。進而將每一種發泡劑以最優濃度與穩泡劑復配，穩泡劑濃度在0.01%～0.1%(兩種濃度間隔0.01%)之間各不相同，分別測量復配后溶液的發泡倍數和半衰期，最后確定出各種穩泡劑的最優濃度。通過對實驗結果進行對比分析，最終篩選出了三種發泡倍數最高、泡沫穩定性最強的泡沫除塵劑配方。配方一：將質量濃度為0.7%的發泡劑脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉與質量濃度為0.02%的穩泡劑羧甲基纖維素復配；配方二：將質量濃度為0.5%的發泡劑十二烷基硫酸鈉與質量濃度為0.06%的穩泡劑可溶性淀粉復配；配方三：將質量濃度為0.9%的發泡劑改性烷基糖苷與質量濃度為0.03%的穩泡劑三乙醇胺復配。

圖2 羅氏泡沫儀

圖3 DSA100視頻光學接觸角測量儀

2.1.2 潤濕劑的優選

按上述實驗得出的三種最優配方配制溶液并分別與五種潤濕劑復配且潤濕劑的濃度從0.1%～1%(兩種濃度間隔0.1%)不等，通過壓片機將相同煤質的煤粉壓成2 cm厚的煤餅，然后將配置好的泡沫除塵劑溶液滴到煤餅的表面上，用DSA100視頻光學接觸角測量儀(如圖3所示)測量泡沫除塵劑的接觸角以得出潤濕劑效果的好壞從而對潤濕劑進行篩選。

2.2 礦用泡沫除塵劑配方的確定

通過對比分析上述實驗結果，得到泡沫除塵劑CNSD-1，其發泡能力最強，穩定性最好，潤濕性最好。其組成成分為：質量濃度為0.5%的十二烷基硫酸鈉，質量濃度為0.06%的可溶性淀粉，質量濃度為0.3%的二辛基磺基琥珀酸鈉。改進的ROSS-Miles 法實驗中該泡沫除塵劑溶液滴完后0min其泡沫體積平均為580mL，5min以后泡沫體積平均為450mL，將其滴到煤餅表面后10s即可完全滲入煤餅中。

表1 泡沫除塵劑CNSD-1的改進ROSS-Miles 法實驗結果

3 泡沫除塵劑現場應用

對研制出的泡沫除塵劑CNSD-1在白莊煤礦7308綜掘工作面配以發泡器進行應用，將其產生的泡沫輸送到掘進迎頭將迎頭覆蓋，從而抑制粉塵擴散，結果顯示，泡沫除塵劑CNSD-1的除塵效率大大超過其他防塵措施的降塵率，效果顯著。現場應用之后的粉塵濃度測定結果如表2～表4所示。

表2 不使用任何降塵措施時工作面現場粉塵濃度

表3 使用傳統降塵措施后工作面現場粉塵濃度

表4 使用本泡沫除塵劑降塵后工作面現場粉塵濃度

通過表2～表4的數據可知，使用傳統降塵措施后，呼吸性粉塵的平均降塵效率僅為53.4%，全塵的降塵效率的平均值為54.4%，而采用本泡沫除塵劑進行降塵以后，呼吸性粉塵的平均降塵率提高到86.08%，全塵平均降塵率提高到96.35%，與傳統的降塵措施相比，泡沫除塵劑CNSD-1的除塵率更高，降塵效果更加理想。

4 結論

(1)通過研究泡沫除塵的機理，得出泡沫除塵主要包括攔截、粘附、濕潤和沉降四個過程，泡沫除塵劑是一種表面活性劑，其分子分為親水基和疏水基兩部分，在這兩部分中，疏水基對泡沫除塵效率的高低至關重要。

(2)通過改進的ROSS-Miles 實驗和接觸角測定實驗獲得了了一種最優的泡沫除塵劑CNSD-1。

(3)通過現場應用得出泡沫除塵劑CNSD-1對呼吸性粉塵的平均降塵率為86.08%，對全塵平均降塵率為96.35%。