粉塵污染是礦山企業(yè)面臨的最嚴(yán)重的問(wèn)題之一，采掘面機(jī)械化、自動(dòng)化裝備使工作面采掘進(jìn)度加快，同時(shí)使礦山開采環(huán)節(jié)中產(chǎn)塵量增大。特別是微米級(jí)的粉塵濃度較大，造成大范圍的粉塵污染和職業(yè)危害。傳統(tǒng)濕式除塵較為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，但實(shí)際應(yīng)用效果卻不佳，特別是對(duì)于大多數(shù)礦塵具有憎水性，濕潤(rùn)性較差，通常采用將表面活性劑添加到水中以降低水的表面張力，但是由于對(duì)添加劑的機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，在實(shí)際使用中，導(dǎo)致添加劑的使用濃度不當(dāng)或者沒有衡量指標(biāo)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。許多學(xué)者從表面活性劑質(zhì)量濃度的角度去分析，探究濃度和濕潤(rùn)效果之間的關(guān)系，且集中于對(duì)煤塵的研究，很少開展對(duì)金屬礦塵的研究。筆者選取的是3種具有代表性的硫化礦石，其特點(diǎn)是成分復(fù)雜、憎水性、危害大且較為普遍。以濕潤(rùn)劑的表面張力為衡量指標(biāo)，采用毛細(xì)管反向滲透試驗(yàn)，綜合礦塵的吸濕量和吸濕速度以表征濕潤(rùn)劑的濕潤(rùn)性能，比較分析3種陰離子濕潤(rùn)劑濕潤(rùn)性能大小，結(jié)合表面吸附機(jī)理探討臨界表面張力對(duì)濕潤(rùn)效果和濕潤(rùn)行為的影響。

1實(shí)驗(yàn)制備

1.1礦樣的制備

實(shí)驗(yàn)所選取的礦塵由安徽省銅陵銅山礦的礦樣加工而成，分別編號(hào)a，b，c。經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎，由頂擊式振篩機(jī)篩選出粒徑范圍在160～180目之間的礦塵待用；由馬爾文Mastersizer 3000測(cè)出礦塵粒徑分布。其中3種礦塵的粒徑信息分別為礦樣a的比表面積為55.05 m2/kg，Dv1(90)=170μm;礦樣b的比表面積為133.7 m2/kg，Dv2(90)=163μm;礦樣c的比表面積為167.1 m2/kg，Dv3(90)=161μm。

1.2濕潤(rùn)劑選擇

試驗(yàn)選擇3種陰離子表面活性劑(均為化學(xué)純)。分別是：十二烷基苯磺酸鈉(簡(jiǎn)稱SDBS)、十二烷基磺酸鈉(SDS)、十二烷基硫酸鈉(K12)。使用QBZY系列全自動(dòng)表面張力儀測(cè)出不同溶液的表面張力，將3種濕潤(rùn)劑均配制成表面張力范圍在25～40 mN/m的7種水溶液。

2實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果分析

2.1吸濕量和吸濕速度的測(cè)量及分析

研究礦塵濕潤(rùn)性能的裝置有很多，根據(jù)實(shí)際出發(fā)，試驗(yàn)采用毛細(xì)管反向滲透法實(shí)驗(yàn)裝置。(1)本實(shí)驗(yàn)選用的玻璃管長(zhǎng)度為200 mm，內(nèi)徑為4 mm，給每個(gè)玻璃管劃好刻度，其下端用纖維濾膜密封；(2)用分度值為0.1 mg的光學(xué)讀數(shù)分析天平稱取1.5 g的礦塵裝入干燥過(guò)后的玻璃管中，為提高精度，每次初填至60 mm，然后振實(shí)；(3)將玻璃管固定在固定臺(tái)上，盛有濕潤(rùn)劑溶液(約20 mL)的玻璃皿置于載物臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，使玻璃管底部與溶液表面接觸；(4)當(dāng)液面透過(guò)濾膜后，打開錄像設(shè)備記錄反向滲透到20，30，40 mm所需時(shí)間，同時(shí)記錄3 min后玻璃管的增重作為吸濕量。每種溶液對(duì)礦塵做3次試驗(yàn)，取平均值。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1毛細(xì)管反向滲透實(shí)驗(yàn)裝置

分別將3種不同礦塵編號(hào)為a，b，c，其吸濕量和表面張力如圖2所示。

注：吸濕增重百分比為增重量除以樣品重，Z1，Z2，Z3代表增重百分比最大圖2吸濕增重百分比與表面張力versus surface tension

通過(guò)表面張力和吸濕增重的關(guān)系圖，可以分析得到如下結(jié)果：(1)3種礦塵對(duì)應(yīng)的每種試劑的最佳濕潤(rùn)表面張力不盡相同，SDBS最佳濕潤(rùn)表面張力位于27.1～28.3 mN/m，SDS最佳濕潤(rùn)表面張力位于28.2～29.1 mN/m，K12最佳濕潤(rùn)表面張力位于29.1～30.2 mN/m。(2)吸濕增重隨著表面張力的變化并非呈現(xiàn)線性關(guān)系，整體趨勢(shì)是隨著表面張力值的增加，吸濕量先增加，出現(xiàn)峰值后逐漸下降。(3)表面張力最小不一定吸濕最重，即氣-液界面的表面張力也不是準(zhǔn)確衡量其對(duì)礦塵的濕潤(rùn)能力的唯一指標(biāo)，且對(duì)于3種陰離子試劑來(lái)說(shuō)，即使表面張力在同一值附近，其吸濕增重也出現(xiàn)較大差異。對(duì)于同一表面張力值的同種試劑，3種礦塵的吸濕效果也有不同程度的差異，說(shuō)明溶液對(duì)煤塵的濕潤(rùn)性能跟表面活性劑的種類結(jié)構(gòu)和礦塵種類均有很大關(guān)系。

通過(guò)測(cè)定液面滲透到20，30，40 mm的時(shí)間，繪制3種礦塵反滲時(shí)間與表面張力的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3中可以看出：(1)隨著表面張力值的增加，3種表面活性劑的吸濕時(shí)間總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，所需時(shí)間大小整體上為K12最長(zhǎng)，SDS次之，SDBS所需時(shí)間最短，其上升時(shí)間可以宏觀反映濕潤(rùn)性的大小；(2)3種表面活性劑在反滲溶液中均產(chǎn)生一個(gè)濃度梯度，當(dāng)反滲長(zhǎng)度延長(zhǎng)，其反滲時(shí)間也在不斷增加。(3)結(jié)合吸濕圖可以分析得出吸濕量最大所對(duì)應(yīng)的表面張力值吸濕速度

注：20 mm指的是液面從10 mm處反滲到20 mm處所用的時(shí)間圖3表面張力與滲透時(shí)間關(guān)系

不一定是最大，3種礦塵吸濕速度出現(xiàn)峰值的位置也略有差別。但總體來(lái)說(shuō)吸濕速度的峰值所對(duì)應(yīng)的表面張力SDBS位于26.8～27.3 mN/m，SDS所對(duì)應(yīng)的表面張力為28.2～29.1 mN/m，K12所對(duì)應(yīng)的表面張力為29.1 mN/m，綜合吸濕量和吸濕速度2個(gè)指標(biāo)可以得出最佳濕潤(rùn)效果的表面張力值范圍，3種陰離子活性劑表面張力最佳范圍在26.8～30.2 mN/m。

2.3接觸角的測(cè)定

使用JGW-360A接觸角測(cè)定儀對(duì)表面活性劑溶液和3種礦石表面接觸角的測(cè)量；采用濕潤(rùn)性能較好的SDBS溶液配制成8種不同表面張力的水溶液，并測(cè)定出接觸角，如圖4所示(選取礦樣a不同表面張力②④⑤時(shí)接觸角測(cè)量示意圖)。

圖4靜滴法接觸角測(cè)量

其中3種礦樣的表面張力和接觸角對(duì)應(yīng)值如表1所示。

2.4臨界表面張力的計(jì)算

液體與固體接觸時(shí)液體能濕潤(rùn)固體，從熱力學(xué)觀點(diǎn)，就是恒溫恒壓體系的表面自由能降低，若自由能降低的越多潤(rùn)濕程度越好，固液接觸時(shí)體系表面自由能ΔG的變化。此處：

-ΔG=δlg+δlgcosθ=δlg(1+cosθ)(1)

式中：δlg指的是固-液界面的表面張力，mN/m；cosθ固液接觸角的余弦值。

表1表面張力與平衡接觸角

由公式可知當(dāng)θ值越小，-ΔG越大，濕潤(rùn)性越好。研究表明粉塵潤(rùn)濕通常包括沾濕、鋪展和浸沒3個(gè)過(guò)程[10]，取θ=0°時(shí)，此時(shí)液體對(duì)固體完全濕潤(rùn)，液體在固體表面上完全展開，鋪成一薄層，鋪展的標(biāo)準(zhǔn)又是濕潤(rùn)的最高標(biāo)準(zhǔn)，能鋪展則必能沾濕、浸濕。以此得出濕潤(rùn)性能最佳所對(duì)應(yīng)的液面的臨界表面張力[11-12]。這里的臨界表面張力的意義δ臨指的是[13]：在該液體的同系物中，凡是表面張力大于δ臨者不能在固體表面鋪展，而表面張力小于δ臨者才能在固體表面鋪展。試驗(yàn)中通過(guò)選取濕潤(rùn)性能較好的十二烷基苯磺酸鈉配置成8種不同表面張力的水溶液，分別對(duì)3種礦樣測(cè)定不同溶液表面張力時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸角，利用最小二乘法擬合出cosθ和δlg之間的線性回歸直線，如圖5所示。

其中，擬合出的直線方程為：

-0.024 69x+1.673 96=yR2=0.97(2)

-0.023 75x+1.630 89=yR2=0.95(3)

-0.023 07x+1.598 22=yR2=0.96(4)

式中：自變量為δlg，因變量為cosθ，R2為cosθ與δlg的線性相關(guān)系數(shù)。

分析表明：從圖中可以看出液滴在表面形成的接觸角主要是液體表面張力的δlg的函數(shù)，cosθ和δlg有近似線性關(guān)系；當(dāng)θ=0時(shí)，cosθ=1，此時(shí)代入式(2)，(3)，(4)，得出臨界表面張力值分別為27.3，26.6，26.0 mN/m，故3種硫化礦表面均屬于低能表面，若單純的用水濕潤(rùn)，效果不佳，只有添加一定量的表面活性劑降低水的表面張力才能達(dá)到顯著效果。即當(dāng)濕潤(rùn)劑表面張力小于礦石各自的臨界表面張力時(shí)，可在該硫化礦表面鋪展開來(lái)，當(dāng)表面張力大于臨界表面張力時(shí)，其浸濕的速度和能力受表面活性劑的種類、表面張力大小的影響；綜合十二烷基苯磺酸鈉溶液吸濕量和吸濕速度，可知其峰值出現(xiàn)的位置所對(duì)應(yīng)的表面張力為26.8～28.3 mN/m，與3種硫化礦的臨界表面張力值接近；3種陰離子表面活性劑的最佳濕潤(rùn)表面張力范圍均在26～30 mN/m，其峰值的出現(xiàn)與活性劑溶液在礦體表面鋪展作用密不可分。

需要說(shuō)明的問(wèn)題：試驗(yàn)中不同陰離子表面活性劑溶液的表面張力隨著濃度增加急劇下降，但達(dá)到臨界濃度值，其表面層已飽和，表面張力并無(wú)明顯變化，故每種試劑均有一下限值，為防止形成膠束，該實(shí)驗(yàn)均在臨界膠束濃度以下配制而成；吸濕試驗(yàn)所用的裝置有很多，但是之間并沒有普遍相關(guān)性，測(cè)定結(jié)果不能完全反映濕潤(rùn)劑濕潤(rùn)粉塵的特性；本文選用160～180目之間的硫化礦塵，因?yàn)槿袅教?，反向滲透時(shí)間很短，粒徑太小，在吸濕過(guò)程容易出現(xiàn)氣泡、斷痕等現(xiàn)象，均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)精度，由于尺度有限，和實(shí)際礦塵粒徑分布有所差別；采用的反向毛細(xì)吸濕試驗(yàn)與實(shí)際毛細(xì)管吸濕特性等均有一定差別。

3結(jié)論

1)微觀的表面張力值可以作為反映表面活性劑宏觀濕潤(rùn)性能大小的參考依據(jù)，通過(guò)繪制表面張力與吸濕增重和吸濕速度的關(guān)系圖可以得出試驗(yàn)所用的3種陰離子表面活性劑的濕潤(rùn)性能依次是SDBS>SDS>K12，且3種活性劑最佳表面張力值范圍為26～30 mN/m。

2)表面張力不是完全準(zhǔn)確衡量濕潤(rùn)劑濕潤(rùn)性能的唯一指標(biāo)，即使表面張力為最小值，其吸濕速度和吸濕增重也不一定為最大值，且3種濕潤(rùn)劑表面張力接近時(shí)，其潤(rùn)濕效果也不盡相同，相同表面張力的同種濕潤(rùn)劑對(duì)不同種礦塵的濕潤(rùn)效果不同。

3)通過(guò)表面張力和接觸角的關(guān)系得出實(shí)驗(yàn)所用的3種硫化礦臨界表面張力值分別為27.3，26.6，26.0 mN/m，可為優(yōu)選復(fù)配表面活性劑提供定量判據(jù)，且吸濕實(shí)驗(yàn)的峰值與臨界表面張力值接近，其峰值大小跟濕潤(rùn)劑在固體表面的鋪展過(guò)程密不可分，為濕潤(rùn)劑的選擇提供了衡量指標(biāo)和技術(shù)服務(wù)。