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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（三）
來源：北京理工大學學報 瀏覽 1094 次 發布時間:2025-03-06
3.5活性磁化水濕潤性評價
如圖5所示，礦井靜壓水的接觸角為74.2°.質量分數0.10%塵克C&C溶液的接觸角為34°.相較于礦井靜壓水，其接觸角減小了54.18%.質量分數0.10%塵克C&C磁化水的接觸角為15.5°.相較于礦井靜壓水，其接觸角減小了79.11%.由此可以看出，質量分數0.10%塵克C&C磁化水具有更好的潤濕性能，提升了溶液對低水分無煙煤顆粒的浸濕能力。
質量分數0.10%塵克C&C溶液的表面張力為33.2 mN/m.相較于礦井靜壓水，其表面張力減小了43.82%.質量分數0.10%塵克C&C磁化水的表面張力為31.3 mN/m.相較于礦井靜壓水，其接觸角減小了47.04%.由此可以看出，塵克C&C試劑和磁化相結合可更好地降低溶液的氣~液界面張力，使得溶液與低水分無煙煤顆粒接觸時，更容易排出固~氣~液三相界面的氣體，以減弱其濕潤阻力。
圖6展示了三種的溶液的粘附功、鋪展功和浸濕功。這三種功可表征溶液霧滴捕集低水分無煙煤顆粒的能力。
圖6溶液粘附功、鋪展功以及浸濕功的改善情況
噴霧降塵抑塵的過程中，煤塵的潤濕過程分為三個過程，即煤塵顆粒被沾濕，溶液在煤塵顆粒上鋪展，煤塵顆粒完全被浸濕。
煤塵的沾濕是指液體與煤體從不接觸到接觸，變液~氣界面和固~氣界面為固~液界面的過程。這個過程使得系統（初始為固~氣系統、液~氣系統，最終為固~液系統）的表面自由能降低，其降低值通常用Wa來表示，稱為粘附功，可用式（1）計算。粘附功越大，表明溶液濕潤性越好。
式中：γsg為氣~固界面張力（mN/m）；γlg為氣~液界面張力（mN/m）；γsl為固~液界面張力（mN/m）。
鋪展過程是固~液界面代替氣~固界面，且擴展了氣~液界面的過程，單位面積系統的自由能降低，降低值用S表示，稱為鋪展功?？捎檬剑?）計算。鋪展功越接近0，表明溶液越容易在煤塵顆粒表面鋪展，當鋪展功大于0時，溶液可在煤塵顆粒表面連續鋪展，取代煤塵顆粒表面的空氣。
式中：Wc為液滴的內聚功（mN/m），可由式（3）計算得出
煤塵的浸濕是指固體浸入液體，固~液界面變為固~氣界面的過程。系統（初始為固~液系統，最終為固~氣系統）自由能降低，其降低值通常用Wi表示，稱為浸濕功，可用式（4）計算。浸濕功越大，表明溶液的濕潤性越好。
式中θ為煤~溶液界面處的接觸角（°）。
根據YANG氏方程，即γlgcosθ=γsg-γsl,Wa，S的計算公式可簡化為式（5）式（6）
由圖6（a）和圖6（b）可以看出，礦井靜壓水的粘附功為75.23 mN/m，質量分數0.10%塵克C&C溶液的粘附功為60.73 mN/m，質量分數0.10%塵克C&C磁化水的粘附功為61.46 mN/m.礦井靜壓水沾濕低水分無煙煤顆粒的能力優于質量分數0.10%塵克C&C磁化水，而質量分數0.10%塵克C&C磁化水沾濕低水分無煙煤顆粒的能力優于質量分數0.10%塵克C&C磁化水。添加塵克C&C試劑削弱了溶液沾濕低水分無煙煤顆粒的能力，而對溶液進行磁化，可提升溶液沾濕低水分無煙煤顆粒的能力。
礦井靜壓水，質量分數0.10%塵克C&C溶液，質量分數0.10%塵克C&C磁化水的鋪展功分別為~42.97，~5.67，~1.14 mN/m.由圖6（b）可以看出，添加塵克C&C試劑和對溶液磁化，均可以提升溶液的鋪展功。相較于礦井靜壓水，質量分數0.10%塵克C&C磁化水的鋪展功最大，提升了97.35%，更趨近于0，更容易在低水分無煙煤顆粒表面鋪展。
礦井靜壓水的浸濕功為16.13 mN/m，質量分數0.10%塵克C&C溶液的浸濕功為27.53 mN/m，質量分數0.10%塵克C&C磁化水的浸濕功為30.16 mN/m.添加塵克C&C試劑，對溶液磁化可逐步提升溶液的浸濕功，增強溶液浸濕低水分無煙煤顆粒的能力。相較于礦井靜壓水，質量分數0.10%塵克C&C磁化水的浸濕功最大，增大了87.01%，使溶液更容易捕集低水分無煙煤顆粒。
綜上所述，質量分數0.10%塵克C&C磁化水的濕潤性能最好。其接觸角為15.5°.相較于礦井靜壓水，其接觸角減小了79.11%.表面張力為31.3 mN/m.相較于礦井靜壓水，其表面張力減小了47.04%.就其捕集低水分無煙煤顆粒的能力而言，盡管質量分數0.10%塵克C&C磁化水使得溶液的粘附功降低了18.3%，降低了溶液的粘附能力，但極大程度地提升了溶液的鋪展能力和浸濕能力。表現為，鋪展功提升了97.35%，浸濕功提高了87.01%.而在溶液濕潤特性評價中，周群等更以溶液的鋪展功和浸濕功為基礎評價溶液的濕潤性能。因此，質量分數0.10%塵克C&C磁化水可更好地捕集低水分無煙煤顆粒。
4現場應用
根據實驗結果，最佳溶劑是塵克C&C，最佳質量分數為0.10%，最佳磁化強度是300 mT，最佳磁化時間是50 s.基于以上參數，將質量分數0.10%塵克C&C磁化水應用于山西晉城采煤工作面采煤機內外噴霧、各轉載點以及防塵網等裝置的噴霧用水。此工作面走向長947 m，傾斜長178 m，煤層厚度為1.2——2.1 m，煤層傾角為4°——7°.工作面采高為1.6 m.主要除塵措施有：工作面進回風巷安設凈化風流水幕；采煤機、液壓支架及破碎機、轉載地點安裝防塵罩及噴霧裝置。
為了了解活性磁化水的現場降塵效果，在采煤司機處設置了粉塵監測點，粉塵采樣儀器選用AKFC-92A型礦用粉塵采樣器，采樣時間為3 min，采樣時采煤機處于運轉狀態。采用礦井靜壓水作為噴霧用水時，其全塵濃度為212.12 mg/m3，采用質量分數0.10%塵克C&C磁化水后，其全塵濃度為132.52 mg/m3.降塵效率提高了37.53%.
5結論
①試劑及其濃度可降低溶液的表面張力，改善溶液的濕潤性。通過測試6種濃度的十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基磺酸鈉和塵克C&C礦用除塵劑溶液，發現質量分數0.10%的塵克C&C溶液其表面張力最小且環境友好，相較于礦井靜壓水，可使表面張力下降43.83%（至33.2 mN/m）。
②不同的磁化參數（磁化強度以及磁化時間）會影響水分子簇的破裂，氫鍵的斷裂以及溶液分子表面親水基團的密度，進而影響溶液的表面張力。通過改變質量分數0.10%塵克C&C溶液的磁化強度及磁化時間，并測試其表面張力，獲得了質量分數0.10%塵克C&C溶液最優磁化參數，最優磁化強度為300 mT，最優磁化時間為50 s.
③質量分數0.10%塵克C&C磁化水生成的霧滴對低水分無煙煤顆粒具有更好的捕集作用。相較于礦井靜壓水，質量分數0.10%塵克C&C磁化水接觸角減小了79.11%（至15.5°）。表面張力減小了47.04%（至31.3 mN/m）。溶液的粘附功降低了18.3%，降低了溶液的粘附能力，而鋪展功及浸濕功分別提升了97.35%，87.01%.極大提升了溶液的鋪展能力和浸濕能力。
④通過現場應用試驗，使用質量分數0.10%塵克C&C磁化水作為采煤工作面的噴霧降水，可提高采煤工作面噴霧降塵效率，相較于使用礦井靜壓水噴霧降塵，其降塵效率提高了37.53%.