磁化对表面活性剂性能影响及降尘效果研究.pdf
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1、134Vol.55.No.9COALENGINEERING第55卷第9 期程炭煤doi:10.11799/ce202309023磁化对表面活性剂性能影响及降尘效果研究徐丹丹,邱进伟(安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽淮南232001)摘要:为更有效地防治煤矿井下综采工作面开采过程中产生的粉尘,本研究将磁化技术与表面活性剂相结合,采用实验方法研究了磁化对表面活性剂溶液性能的影响,并通过喷雾降尘实验,得出最佳的磁化强度、表面活性剂溶液浓度和除尘效率。研究结果表明:质量分数为0.5%时,表面活性剂溶液在经过90 0 0 Gs强度磁场磁化后的降尘性能优于原有的表面活性剂溶液;相对于传统的喷雾降尘技术
2、,磁化后的表面活性剂溶液对呼吸性粉尘的降尘效率提高了38.35%,全尘降尘效率提高了45.46%。研究结果可为井下采煤工作面粉尘治理提供理论指导。关键词:综采工作面;粉尘;表面活性剂;磁化条件;喷雾降尘中图分类号:TD712文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 9-0 134-0 6Effect of magnetization on surfactants performance in dust suppressionXU Dandan,QIU Jinwei(School of Safety Science and Engineering,Anhui Univ
3、ersity of Technology,Huainan 232001,China)Abstract:In order to improve the dust control in the mining process of the underground fully mechanized working face,thesurfactant was treated in magnetic field,and experimental method was used to study the influence of magnetization on theperformance of sur
4、factant solution,and uses it in the spray dust reduction experiment to obtain the best magnetization strength,surfactant solution concentration and dust removal efficiency.The research results show that when the mass fraction is 0.5%,the dust reduction performance of the surfactant solution after be
5、ing magnetized by a 9000 Gs magnetic field is better than thatof the original surfactant solution;compared with the traditional spray dust suppression technology,the dust suppressionefficiency of magnetized surfactant solution on respirable dust is increased by 38.35%,and the total dust is increased
6、 by45.46%.The research results can provide theoretical guidance for the control of flour dust in underground coal mining.Keywords:fully mechanized mining face;dust;surfactant;magnetization condition;spray dust reduction随着煤矿开采机械化程度的提高,割煤和垮落冲击产生的粉尘量更大,治理难度高。高浓度的粉尘会导致矿井工作人员患尘肺病,目前,我国已处于职业病高发和凸显期,患病及死亡人
7、数均处世界首位;因此,矿井粉尘防治是矿井安全生产与职业健康迫切需要解决的重大问题2-4面对煤矿井下的粉尘问题,目前采用的控、除尘技术有喷雾降尘、煤层注水、泡沫除尘等5-7 。其中喷雾降尘技术因其成本低,操作便捷,技术难度较低等优点而被广范应用。喷雾除尘主要是依靠雾化后的水分子与煤尘结合,从而捕捉煤尘,达到沉降后除尘的目的。但水的表面张力过大,加之煤尘表面的润湿性相对较差8 ,仅仅依靠水的雾化降尘不能达到较高的降尘效率9。因此,为有效捕捉井下粉尘,需研发一种适用于综采工作面的高效喷雾降尘技术10 磁现象存在于所有物质中,与物质的化学成分和结构密切相关。磁场会破坏水原来的分子结构,使未经过磁化的较
8、大的水分子集团变成较小的水分子集团,甚至变成单个的小分子,水分子中的氢键也会因为洛伦兹力而断裂,使水分子极性发生改变。我国从2 0 世纪7 0 年代开始研究磁化水的特性及除尘机理。陈梅岭、平原和刘志超等学者将其用于喷雾降尘技术,取得了一定的成果-13。此外,秦波收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 9基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 2 YFC2503201)作者简介:徐丹丹(1999一),女,安徽安庆人,硕士研究生,研究方向:粉尘灾害防治,E-mail:18 2 490 8 356 q q.c o m。引用格式:徐丹丹,邱进伟磁化对表面活性剂性能影响及降尘效果研究J煤炭工程,2 0
9、 2 3,55(9):134-139.1352023年第9 期程研究探讨炭煤涛等学者研究发现磁化水的润湿性比非磁化水更强,且其降尘率也优于非磁化水14。刘金璐和谷明月基于磁化复配表面活性剂与压风细雾喷嘴耦合协同降尘机理,开展了关于溶液表面张力及雾化效率的实验研究15。秦波涛16 等学者基于表面活性物质协同除尘和磁化理论,研发了与磁化相互作用的活性添加剂,通过磁化与表面活性物质的耦合作用,获得了最佳的磁化参数,从而提高了溶液中粉尘的润湿性能。本文依靠磁场和表面活性剂的协同作用,利用磁化器对表面活性剂溶液进行磁化,研究磁化后表面活性剂溶液的降尘特性,并将其用于喷雾降尘实验,优选最佳的磁化表面活性剂
10、溶液,用于综采工作面降尘。1水的磁化机理水分子以一定的流速通过稳定的磁场时,在磁场的作用下,其理化性质会发生变化,目前市面上最常见的磁化水处理器就是高能磁化水处理器,它是采用目前磁力强度最高的钕铁硼制作而成,通过强磁力去除钙镁等阳离子,软化水质,将自来水变为小分子团活性水,而小分子水更易与粉尘结合形成沉降,达到降尘的效果。水经过磁化处理,其表面张力和动力黏度显著降低,且随着磁水器距离出水口距离的减少,降低幅度也会更大,从而使磁化效果更加显著。磁化水处理器是根据法拉第的电磁理论制作而成的,磁化器内部具有两块磁铁,分为N极和S极,原水分子具有一定的导电性,以一定的速度流经N极和S极的磁力之间时,在
11、电场的作用下,大分子团逐渐分离,变为小分子团,从磁化器的另一端流出,完成磁化过程,具体如图1所示。磁铁N出口水流方向水分子隧场方向水管图1水的磁化过程带电荷水分子以一定的流速经过磁场时,水分子对磁场做切割磁感线运动,这时会产生洛伦兹力,由于水流方向与磁场方向垂直,则此时产生的洛伦兹力最大。F=quB(1)式中,q为带电粒子的电荷量,C;为带电粒子的速度,m/s;B是磁感应强度,Gs。在流速一定的情况下,磁场强度越大,洛伦兹力也就越大。由于磁铁在磁化器内部是上下平行放置的,所以磁场方向是从上到下的。水是对抗性分子,水分子中含有成对的电子,因此水会收到磁场轻微的排斥力,磁铁产生的磁场会使抗磁性物质
12、建立一个附加磁矩:ewl=(2)2元AP,=iTyno(3)式中,P,为附加磁矩;i为附加电流,A;为电子附加运动的角频率,rad/s;i 为电子运动的轨道半径;n。为磁场方向的正法向单位矢量。这个附加磁矩的方向与磁场的方向相反,水分子受到的排斥力大小为:aU-F二一no(4)an式中,F为抗磁性分子在磁场中所受到的斥力,N;n。为磁场方向的正法向单位矢量。上式中,n是磁场方向,当磁场方向与Z轴的方向一致时,则有:F2=F(AP,B)(5)二az其中,P,=XH,则有:2XBF=.B.(6)磁化器磁场如图2 所示,由图2 可以看出,磁场方向是由N极指向S极,且靠近两极处的磁场越强,其中两端磁极
13、处的磁场强度最大,aB/aZ也是最大,水分子受到的斥力也最大。BXZY图2磁化器磁场示意虽然磁场能够改变水的理化性质,但仅将水磁化仍不能达到很好的降尘效果,因此为了提高降尘1362023年第9 期程研究探讨炭煤效率,本文将磁化技术与表面活性剂相结合,研究磁化对表面活性剂溶液特性的影响,将磁化后的表面活性剂溶液用于喷雾降尘,提高降尘效果2磁化性能实验2.1实验材料及装置考虑到表面活性剂溶解于水形成表面活性剂溶液,而水中存在钙、镁等阳离子可能会影响实验结果,故而不选用阳离子表面活性剂;选用选择木质素磺酸钠、二异丁基萘磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等四种阴离子表面活性剂,见表1。磁化器生产
14、于莱阳市东明净水设备厂,长度320mm,直径6 3mm;采用力学法表面张力仪进行表面张力测量实验。表1阴离子表面活性剂名称类别纯度简称木质素磺酸钠阴离子分析纯CAS二异丁基茶磺酸钠阴离子分析纯BX十二烷基硫酸钠阴离子分析纯SDS十二烷基苯磺酸钠阴离子分析纯SDBS2.2实验设计1)磁化水的降尘效果优于非磁化水,因此将磁化技术应用于表面活性剂,考察其微观特性变化。本实验使用自来水将四种表面活性剂分别配置成0.0005%、0.0 0 5%、0.0 5%、0.5%等16 种以及磁化水共17 种不同种类、浓度的添加剂溶液,并将其进行磁化,并测量其表面张力。2)煤尘在表面活性剂溶液中的润湿性可通过煤尘在
15、溶液中的沉降速度体现,因此选用红柳林煤矿25212工作面的煤粉,经过筛分,选取2 0 0 目的煤粉进行沉降实验;实验配置17 种不同浓度的磁化后的表面活性剂溶液10 0 mL,并称取0.1g的煤粉,静置3min后将煤粉置于表面活性剂溶液中,记录全部煤尘沉降到烧杯底部所用的时间3)磁化强度对表面活性剂溶液的降尘性能有一定影响,选用7 0 0 0、8 0 0 0、90 0 0、10 0 0 0 Gs等四种不同强度的磁化器对润湿性较好的溶液进行磁化,研究最佳的磁化强度2.3阴离子表面活性剂优选在降尘的基础上,表面活性剂的表面张力越小,煤尘的湿润性越好,越易于降尘。为了考察表面活性剂的种类及浓度对表面
16、张力的影响,对17 种不同种类、浓度的表面活性剂溶液进行磁化,考察其微观特性,其中质量分数为0%时,测量结果为磁化水的表面张力,实验结果见表2。表2表面张力测试值质量表面张力/(mNml)组号分数/%CASBXSDSSDBSA077.3977.3977.3977.39B0.000573.8762.7963.7864.72C0.00573.7246.2841.1860.04D0.0572.0732.0133.8644.41E0.562.8829.8930.2529.14表面张力与表面活性剂溶液质量分数之间的关系如图3所示,四种表面活性剂在经过磁化后的表面张力随着质量分数的增加均呈现出下降的趋势,
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