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表面張力儀應用：研究活性磁化水對無煙煤塵的濕潤作用（一）
來源：北京理工大學學報 瀏覽 1095 次 發布時間:2025-03-06
煤塵是煤礦井下開采的主要危害之一，主要表現在煤塵爆炸和塵肺病職業危害兩方面。其產生位置主要在采煤工作面和掘進工作面。為了有效降低作業環境粉塵濃度，國內外學者做了大量嘗試。目前在煤礦井下應用最為廣泛的降塵措施為噴霧降塵，而傳統的噴霧降塵效果并不理想，其主要原因之一在于大多數情況下水滴難以濕潤煤塵形成大顆粒沉降。
許多學者通過添加表面活性劑改善煤的濕潤性，從而提高抑塵效率。關于表面活性劑的研究主要集中在離子表面活性劑、非離子表面活性劑、天然表面活性劑和復合表面活性劑的研究。而另一部分學者發現，采用磁場磁化方法可降低水的表面張力，從而改善水對煤塵的濕潤作用。NIE等研究發現采用磁場磁化方法可以降低礦井水的表面張力，在礦井水中添加適宜的表面活性劑，表面張力降低甚至大于磁化對礦井水的作用。從降低表面張力的角度來看，采用磁場磁化礦井水與表面活性劑的應用結合，會發揮更加明顯的作用。WANG等研究了不同溶質體積分數和磁場作用時間處理對抑塵劑的作用，發現磁化處理對非離子表面活性劑溶液的影響比較明顯。ZHOU等為了有效提高降塵水的潤濕性能，開發了一種具有表面活性磁化水的新型防塵技術，可以明顯提高降塵效率。
上述關于表面活性劑、活性磁化水改善煤塵濕潤性研究，所選煤樣多為褐煤和煙煤。而YAO等通過核磁共振（NMR）和X射線光電子能譜（XPS）實驗研究發現無煙煤相較于褐煤、氣煤，煤樣多環芳香結構緊湊，表面含氧官能團幾乎全部脫除，潤濕性差。
為此，一些學者試圖通過添加非離子試劑或離子試劑來改善水對無煙煤塵的濕潤作用。因此，為了提高無煙煤塵的降塵效率，對活性磁化水的試劑、濃度、磁化強度、磁化時間進行實驗研究，優選最佳表面活性劑及其添加濃度、最佳磁化參數，將之用于產生活性磁化水并進行現場應用，對于無煙煤塵降塵具有較好的現實意義。
1實驗材料
1.1煤樣
煤樣取自山西沁水煤田東南部15號煤，為無煙煤。將煤樣粉碎并篩至250目以下，由FW-4A型粉末壓片機以30 MPa壓力壓制，形成煤樣壓片，用于溶液的接觸角測量實驗。
1.2溶液
用于本實驗的溶液有4種，溶質分別為：十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基磺酸鈉和塵克C&C礦用除塵劑，溶劑為水，水取自山西沁水煤田煤礦井下管道靜壓水。依據實驗方案，以上溶液分別配備6種不同濃度（質量分數分別為0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，0.30%）。
2實驗設備及實驗方法
2.1實驗設備
2.1.1磁化儀器
磁化實驗磁場由TY1000型永磁測量儀提供。該儀器可通過直流電源進行勵磁，磁場穩定可調。為了確定最佳磁化強度和磁化時間，本研究中采用TY1000型永磁測量儀分別為實驗提供100，200，300，400，500 mT.
2.1.2表面張力測試儀
表面張力采用JYW-200B型微控全自動液體表面張力儀進行測試。采用脫環法測量液體的表面張力，可實時記錄脫環過程中液體薄膜的張力，直至薄膜破裂，取整個過程中的最大張力為液體的表面張力。
2.1.3接觸角測試儀
采用JY-PHb接觸角測定儀進行實驗液體的接觸角測量。測量時，先將待測液體滴于固體表面，待固~液~氣三相界面平衡后進行拍攝，在影像中做液面的切線，并測量切線與固體界面的夾角，所得夾角就是接觸角。
2.2實驗方法
2.2.1最佳溶液和最佳濃度
為了選取濕潤性最好的溶液，分別采用礦井管道水配備了十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）溶液、十二烷基磺酸鈉溶液和塵克C&C溶液。各溶液分別以6種濃度配備：質量分數0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，0.30%.然后，對所配備溶液進行表面張力測試，根據表面張力測試結果選取最優溶劑及溶液濃度。
2.2.2最佳磁化強度
礦井水在磁化1——5 min時，其表面張力趨于穩定。為了確定最佳磁化強度，分別對最優表面活性溶液施加磁場磁化并測定不同磁化強度下溶液的表面張力。實驗磁場強度依次為：100，200，300，400，500 mT.磁化時間為5 min.
2.2.3最佳磁化時間
為了確定最佳磁化時間，分別對最優表面活性溶液施加不同時間的最優磁場強度的磁場。磁化時間分別為：60，120，180，240，300 s.然后，選取最優磁化時間區間，并在最佳磁化時間區間內，分別對最優表面活性溶液進行磁化，磁化時間間隔為10 s，同時測試不同磁化時間下溶液的表面張力，以確定最佳磁化時間。
2.2.4活性磁化水優化參數評價
為了評價活性磁化水的濕潤性，其在低水分無煙煤煤樣壓片表面的接觸角是一個很重要的參數。在本研究中，分別測試了礦井管道水、最優表面活性溶液、最優活性磁化水在低水分無煙煤煤樣壓片表面的接觸角，并計算了粘附功、浸濕功、擴展功，以評價活性磁化水的優化效果。