泡沫除塵劑配方研究

吳 景，馬有營，徐榮蕭，張樹立，孫慧赟

(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院 ，山東 濱州 256600)

泡沫除塵技術(shù)耗水量低、除塵效率高，有效提高了粉塵防治的效果[1-2]，在國外煤礦粉塵防治領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國關(guān)于泡沫除塵的研究比較晚，泡沫發(fā)泡劑的缺陷是泡沫除塵中存在的比較大的問題[3-5]。為此，本文通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)選得到的最佳泡沫除塵劑配方，具有發(fā)泡效果強(qiáng)、潤濕性能好、除塵效率高、對金屬腐蝕少、節(jié)省用水量等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1 發(fā)泡劑單體優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

本文選擇四種常用的發(fā)泡劑：1#發(fā)泡劑為十二烷基二甲基氧化胺、2#發(fā)泡劑為椰油酰胺丙基甜菜堿、3#發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉、4#發(fā)泡劑為月桂酰胺甜菜堿[6-7]。每種發(fā)泡劑配置成0.3%、0.5%、0.7%的濃度，使用羅氏泡沫儀對發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡能力測試，從而選出發(fā)泡能力強(qiáng)的發(fā)泡劑單體濃度。

1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

使用羅氏泡沫儀對發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡能力測量后得出數(shù)據(jù)如圖1～圖4。

圖1 1#發(fā)泡劑發(fā)泡能力圖

圖2 2#發(fā)泡劑發(fā)泡能力圖

圖3 3#發(fā)泡劑發(fā)泡能力圖

圖4 4#發(fā)泡劑發(fā)泡能力圖

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

每種發(fā)泡劑的發(fā)泡能力并不是隨著濃度增高而提升，每種發(fā)泡劑有一個最佳發(fā)泡濃度。如圖所示，1#發(fā)泡劑為十二烷基二甲基氧化胺濃度為0.7%時發(fā)泡能力最強(qiáng)，0.3%時發(fā)泡能力次之，0.5%時發(fā)泡能力較弱；2#發(fā)泡劑為椰油酰胺丙基甜菜堿濃度為0.9%時發(fā)泡能力最強(qiáng)，0.7%時發(fā)泡能力次之，0.3%時發(fā)泡能力較弱；3#發(fā)泡劑為十二烷基硫酸鈉濃度為0.9%時發(fā)泡能力最強(qiáng)，0.7%時發(fā)泡能力次之，0.5%時發(fā)泡能力較弱；4#發(fā)泡劑為月桂酰胺甜菜堿濃度為0.1%時發(fā)泡能力最強(qiáng)，0.3%時發(fā)泡能力次之，0.5%時發(fā)泡能力較弱。

2 發(fā)泡劑單體正交復(fù)配試驗(yàn)

將優(yōu)選出的發(fā)泡劑單體試劑按照四因素三水平的正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)。每種濃度試劑配置比例為1∶1∶1∶1，得到九種正交試劑，將復(fù)配出的試劑采用改進(jìn)的羅氏泡沫法測發(fā)泡劑的發(fā)泡能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

復(fù)配發(fā)泡劑發(fā)泡能力濃度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 復(fù)配發(fā)泡劑發(fā)泡能力濃度統(tǒng)計(jì)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，當(dāng)0.3%的十二烷基二甲基氧化胺、0.3%的椰油酰胺丙基甜菜堿、0.9%十二烷基硫酸鈉、0.3%的月桂酰胺甜菜堿按照1∶1∶1∶1的比例混合后，發(fā)泡能力在9種復(fù)配試劑中最強(qiáng)。四種試劑復(fù)配混合試劑使用羅氏泡沫儀測定值，試劑滴完5,10,15min時泡沫體積分別為310，290，260mL，5min與10min時泡沫體積減少率為0.65%。發(fā)泡體積多，泡沫減少率低，可作為本文實(shí)驗(yàn)的優(yōu)選復(fù)配試劑。

3 潤濕劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

選取三種潤濕劑1#十二烷基苯磺酸鈉、2#咪唑啉、3#月桂酰胺丙基氧化胺，分別配置成0.2%、0.4%、0.6%、0.8%四種濃度。記錄煤塵在不同潤濕劑不同濃度中的沉降時間，時間越短潤濕性能越強(qiáng)，時間越長潤濕性能越弱，從而得出潤濕劑的潤濕性差異。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

三種潤濕劑潤濕時間對比見圖5。

圖5 三種潤濕劑潤濕時間對比圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過此實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，0.8%的月桂酰胺丙基氧化胺的潤濕性在此實(shí)驗(yàn)中潤濕性能優(yōu)異，煤塵最快沉降時間為4s，煤塵全部沉降時間為60s；0.6%的咪唑啉試劑中，煤塵最快沉降時間為34s，煤塵全部沉降時間為6min；0.8%的十二烷基苯磺酸鈉試劑中，煤塵最快沉降時間為40s，煤塵全部沉降時間為600s。0.8%的月桂酰胺丙基氧化胺中煤塵沉降時間遠(yuǎn)小于其他兩種對比試劑，將其選為本實(shí)驗(yàn)的最佳潤濕劑，將優(yōu)選出的潤濕劑與最佳復(fù)配發(fā)泡劑進(jìn)行比例混合實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出發(fā)泡能力最佳的潤濕劑與發(fā)泡劑的配比比例。

4 發(fā)泡劑的配比實(shí)驗(yàn)

優(yōu)選出最佳潤濕劑0.8%的月桂酰胺丙基氧化胺后，與發(fā)泡劑進(jìn)行比例調(diào)配實(shí)驗(yàn)。將潤濕劑與發(fā)泡劑進(jìn)行配比，發(fā)泡劑與潤濕劑的配置比例為10∶0、9∶1、4∶1、7∶3、3∶2、1∶1、2∶3、3∶7、

1∶4、1∶9、0∶10。分析發(fā)泡劑與潤濕劑的混合試劑發(fā)泡能力的強(qiáng)弱，從而得出發(fā)泡能力強(qiáng)的混合試劑，從而得出發(fā)泡劑與潤濕劑的最佳混合比例。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

發(fā)泡劑與潤濕劑不同比例混合后的泡沫體積對比見圖6。

圖6 發(fā)泡劑與潤濕劑不同比例混合后的泡沫體積對比圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

發(fā)泡劑與潤濕劑充分混合后發(fā)泡能力會增強(qiáng)，當(dāng)混合試劑達(dá)到最佳配比后發(fā)泡能力最佳，由圖4.1可知當(dāng)發(fā)泡劑復(fù)配試劑與潤濕劑的混合試劑配比比例為4∶1時，混合試劑的發(fā)泡效果最佳，靜置5min時泡沫體積為350mL，靜置10min時泡沫體積為300mL。混合試劑的發(fā)泡體積和泡沫持續(xù)時間遠(yuǎn)高于其他對比數(shù)據(jù)，選其為最佳混合比例。

5 穩(wěn)泡劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

選出三種常用穩(wěn)泡劑：1#聚乙烯醇、2#淀粉、3#聚丙烯酰胺，配置成不同濃度的試劑，加入到優(yōu)選出的發(fā)泡劑復(fù)配試劑中，用攪拌器充分混合攪拌，觀察并比較泡沫體積減少率，從而得到最佳穩(wěn)泡劑。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

三種穩(wěn)泡劑復(fù)配發(fā)泡劑混合后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)柱狀見圖7。

圖7 三種穩(wěn)泡劑復(fù)配發(fā)泡劑混合后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)柱狀圖

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由圖可知，當(dāng)3%的聚乙烯醇與復(fù)配發(fā)泡劑混合攪拌后，泡沫體積減少率在19.09%左右，其余幾組實(shí)驗(yàn)結(jié)果泡沫體積減少率較大，與3%的聚乙烯醇相比較穩(wěn)泡效果差，故而3%的聚乙烯醇選為最佳穩(wěn)泡劑。

6 緩蝕劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

除塵劑泡沫會對金屬設(shè)備產(chǎn)生一定的腐蝕，故而在除塵發(fā)泡劑中添加緩蝕劑來減緩除塵泡沫對金屬設(shè)施的腐蝕。通過查閱資料選出三種緩蝕劑：1#苯并三唑、2#亞硝酸鈉、3#硼酸鈉。將三塊相同形狀、質(zhì)量的鐵釘分別侵泡在濃度為20%的苯并三唑溶液、亞硝酸鈉溶液和硼酸鈉溶液中，通過計(jì)算質(zhì)量減少率從而優(yōu)選出最佳緩蝕劑。

6.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

鐵釘質(zhì)量減少量柱狀見圖8。

圖8 鐵釘質(zhì)量減少量柱狀圖

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過圖中可以看出，加入硼酸鈉的鹽水中，鐵釘質(zhì)量減少率為4.81%；加入苯并三唑的鹽水中，鐵釘質(zhì)量減少率為5.78%；加入亞硝酸鈉的鹽水中，鐵釘質(zhì)量減少率為5.40%；未加入緩蝕劑的鹽水中，鐵釘質(zhì)量減少率為24.17%。加入硼酸鈉緩蝕劑的鹽水中，鐵釘質(zhì)量減少率明顯低于其他對照組，故而將硼酸鈉優(yōu)選為本文實(shí)驗(yàn)的最佳緩蝕劑。

7 結(jié)語

通過進(jìn)行發(fā)泡劑發(fā)泡能力單體實(shí)驗(yàn)、發(fā)泡劑單體正交實(shí)驗(yàn)、潤濕劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)、潤濕劑與發(fā)泡劑的配比實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)泡劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)、緩蝕劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，確定泡沫除塵劑的最佳配方為：0.3%的十二烷基二甲基氧化胺、0.3%的椰油酰胺丙基甜菜堿、0.9%十二烷基硫酸鈉、0.3%的月桂酰胺甜菜堿按照1∶1∶1∶1的比例混合后，得到最佳復(fù)配發(fā)泡劑，最佳復(fù)配發(fā)泡劑與0.8%的月桂酰胺丙基氧化胺以4∶1的比例進(jìn)行混合，并向復(fù)配試劑中加入0.6%的聚丙烯酰胺和硼酸鈉。