Методы оценки пылесмачивающего действия растворов ПАВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

-------------------------------- © В.В. Кудряшов, Е.А. Соловьева,

2009

УДК 54-14:532.696.1 В.В. Кудряшов, Е.А. Соловьева МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПЫЛЕСМАЧИВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Рассмотрены различные методы определения пылесмачивающей способности растворов поверхностно активных веществ. Приведены их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, смачивание угля, пылесмачивающая способность, прилипание пыли к растворам ПАВ.

я я оверхностно-активные вещества (ПАВ) в горно-

-Ж.Л. добывающей промышленности используются для повышения эффективности гидрообеспыливания горных работ. Используют их также для физико-химического разупрочнения горных пород. Критерием оценки качества технических ПАВ служит их смачивающая способность по отношению к рудничной, особенно, угольной пыли, так как она плохо смачивается водой. Поскольку абсолютных характеристик смачивателей, охватывающих все условия их применения, не существует, оценку качества растворов ПАВ следует производить по результатам сравнения их с раствором смачивателя ДБ как одного из лучших реагентов. При всех определениях смачивающей способности растворов ПАВ следует иметь в виду, что в реальных условиях применения растворов для борьбы с пылью удельные расходы жидкости не превышают обычно 30 дм3/т, и молекул смачивателя может не хватить для заполнения смачиваемой поверхности. Особенно это касается смачивания угля, имеющего большую удельную поверхность. Поэтому кроме определения краевого угла 0, поверхностного натяжения ажг следует определять сорбционную емкость породы (угля) в отношении ПАВ и скорость пропитки угольной пыли.

1. Мерой смачивания гидрофобных частиц служит поверхностное натяжение жидкости на границе раздела жидкость-газ - ожг. Эта характеристика определяется при помощи сталагмометра.

Сталагмометр (рис. 1) представляет собой толстостенную капиллярную трубку с расширением в середине; нижний торец капилляра отшлифован, выше и ниже расширения нанесены две метки, ограничивающие определенный объем V. Определяют число N капель, образующихся при истечении стандартной жидкости (воды), а затем число N для испытуемого раствора. Поверхностное натяжение вычисляют по формуле (1).

Величина А = оД - постоянная сталагмометра. Тогда

ах =— (1)

х N

где с - поверхностное натяжение воды.

При времени образования капли более двух секунд измеряют статическое поверхностное натяжение. Регулировка скорости истечения жидкости достигается подсоединением к верхнему капилляру специальных капиллярных насадок, резиновой трубки с зажимом или пакета мембранных фильтров.

Рабочий объем сталагмометра составляет 30 см3, диаметр капилляра -0,6-0,8 мм, длина капилляра - 8-10 см.

Для оценки пылесмачивающей способности растворов ПАВ составляют растворы нескольких концентраций, определяют их поверхностное натяжение, строят изотерму поверхностного натяжения (зависимость поверхностного натяжения раствора от его концентрации), по которой определяют ККМ*. Эту величину сравнивают с ККМ смачивателя ДБ.

2. Метод сталагмометра используют также для определения динамического поверхностного натяжения, которое характеризует степень сформированности адсорбционного слоя молекул реагентов (ПАВ) на границе раздела раствор-воздух в зависимости от времени образования капли. Метод важен для оценки типа и концентрации смачивателя (ПАВ) при орошении взвешенных частиц и частиц в момент их образования при разрушении угля. Он основан на оценке сформированности адсорбционного слоя молекул ПАВ на поверхности капли в момент ее образования. Сформированность адсорбционного слоя зависит от времени существования вновь об-

* ККМ, критическая концентрация мицеллообразования - концентрация ПАВ в растворе, при которой в системе образуются в заметных количествах устойчивые мицеллы.

разовавшейся поверхности и от концентрации химреагента в растворе.

Рис. 1. Экспериментальная установка для определения поверхностного натяжения методом сталагмометра: 1 - сталагмометр мембранных

ультрафильтров; 2 - датчик, 3 - компьютер; 4 - водяная рубашка; 5 - пакет; 6 -кран; 7 - манометр; 8 - термометр

Для определения динамического поверхностного натяжения используется установка (рис. 1), где вместо пакета ультрафильтров установлены сообщающиеся сосуды

(рис. 2), обеспечивающие подпор воздуха в сталагмометре для создания заданной скорости образования капель. Подпор осуществляется поднятием сосу-Рис. 2 да 3 так, чтобы уровень во-

ды в нем был выше уровня в сосуде 2.

На этой установке диапазон времени образования капли лежит в пределах 0,05-3 с.

Для определения динамического поверхностного натяжения определяется постоянная сталагмометра А в зависимости от времени образования капли. Делением А на общее число капель N при данном времени образования капли, получим искомое поверхностное натяжения раствора.

Для измерения сдин раствора следует брать концентрации ПАВ, равные ККМ; 0,5 ККМ и 2 ККМ. Оценку ПАВ следует производить, сравнивая зависимость динамического поверхностного натяжения от времени образования капли исследуемого раствора и раствора ДБ. Можно использовать упрощенный метод сравнения сдин растворов при времени образования капли, равном 0,3 с. Поверхностное натяжение сдин исследуемого раствора должно быть не ниже сдин раствора ДБ.

Следует иметь в виду, что поверхностное натяжение растворов ПАВ - это необходимая, но не достаточная характеристика смачивания угольной пыли, так как она не учитывает физико-химических

характеристик природных углей, которые зависят от стадии метаморфизма и петрографического состава.

Этот недостаток устраняется при измерении краевого угла смачивания и при оценке прилипания частиц к раствору ПАВ в зависимости от времени контакта.

где стг — поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом, стж — поверхностное натяжение твердого тела на границе с жидкостью, сжг — поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом (газом).

Изображение капли размером 1,4-1,8 мм в увеличенном виде проецируется на экран, где производится измерение угла с погрешностью 3-5о. В реальных условиях оценки смачивающего действия растворов ПАВ краевой угол смачивания не остается постоянным. Капля растекается по поверхности угля, угол становится настолько мал, что трудно измерить его достаточно точно. Поэтому за характеристику ПАВ следует брать скорость растекания капли. Для этого, спустя 1 с после нанесения капли на смачиваемую поверхность, производят фотографирование изображения капли через каждую секунду и замеряют краевой угол на второй и третьей секунде. Разность краевых углов служит характеристикой смачиваемости поверхности угля раствором ПАВ. Фотографирование изображения краевого угла можно производить при помощи фотоаппарата с автоматическим переводом кадра или камеры с метками времени. Растворы исследуемого смачивателя и ДБ берутся в концентрациях равных ККМ.

: ’7Г77/ТГ,

л I "/.г

3. Краевой угол смачивания, образуемый поверхностью капли, нанесенной на горизонтальную плоскость угля (рис. 3), является классической характеристикой смачивающей способности раствора.

Рис. 3. Капля смачивающей жидкости на поверхности

Краевой угол определяется из выражения

(2)

Для осреднения характеристик угольного пласта берут порошки угля и породы, взятые из разных пачек. Порошок спрессовывают в таблетку под давлением 160 кг/см2. Размер частиц угля -63 мкм, содержание ингредиентов в порошке должно быть пропорциональным мощности пачек и пропластков. Если капля впитывается в таблетку, то это свидетельствует о полном смачивании пыли.

Рис. 4. Схема контактного прибора: 1 - электродинамическая головка;

2 - генератор импульсов; 3 - плунжер; 4 - подвижная платформа с кюветой и пылью; 5 - станина с микроскопом; окуляр микроскопа

4. Для оценки прилипания частиц к раствору используется контактный прибор (рис. 4).

Прибор состоит из двух блоков: электронного генератора импульсов заданной величины и электродинамической головки, смонтированной на колонке с подвижными платформами и микроскопом.

Подвижная часть электродинамической головки заканчивается плунжером - тонким длинным стержнем из органического стекла, который может кратковременно опускаться на определенное расстояние. Продолжительность его нахождения в крайнем нижнем положении определяется длительностью импульса, подаваемого с электронного генератора в обмотку катушки электродинамической головки. Длительность импульса изменяется плавно (в пределах 1-

1000 мс) и дискретно (5-5000 мс). Кроме того, возможно получение импульсов большей длительности вручную.

Для изучения прилипания пыли к растворам ПАВ на плунжер прибора насаживается капля изучаемого раствора, а на подвижном столике в низкой кювете размещается исследуемая пыль.

Оценка пылесмачивающего действия ПАВ производится весовым методом по массе пыли (т), прилипшей к капле в зависимости от времени контакта (т), размера частиц пыли (^) и концентрации смачивателя (С):

т = Ат, С). (3)

Вес пыли, налипшей на одну каплю, определяется делением величины навески (Ьн) на число капель в опыте (И) с учетом веса ПАВ (С), содержащегося в N каплях раствора данной концентрации:

т = (Ьн - С)/И . (4)

Для изучения влияния степени сформированности адсорбционного слоя ПАВ на границе жидкость-твердое вещество в эксперименте должна быть «свежая» поверхность жидкости, адсорбционный слой которой еще не сформирован. Это достигается за счет резкого увеличения поверхности капли в момент ее контакта с пылью.

5. Показателем, характеризующим ПАВ, служит сорбционная емкость угля в отношении этого вещества. По этому показателю устанавливается концентрация раствора, необходимая для полноценного увлажнения массива или горной массы, данного шахто-пласта.

С = М .100% (5)

q

Здесь МС - сорбционная емкость угля в отношении ПАВ (удельный расход смачивателя), кг/т; q - удельный расход раствора ПАВ, идущего на увлажнение угольного массива или отбитого угля, кг/т (л/т).

Показатель оцениваемого смачивателя сравнивается с показателем смачивателя ДБ. Окончательный выбор смачивателя производится по результатам определения пылеобразующей способности угля, увлажненного раствором этого смачивателя.

Методика определения сорбции ПАВ включает подготовку проб угля, приготовление раствора смачивателя заданной концентрации, заливку угля раствором определенного объема, определение концентрации ПАВ в растворе после сорбции углем, вычисление удельных расходов (Мс) по формуле

Концентрация ПАВ, %

Рис. 5. Зависимость числа капель вытекающих из сталагмометра от концентрации ПАВ

тр(С0 - С1)

Мс = —------------, (6)

ту

где ту - масса навески угля, г; тр - масса раствора, г; С0 и С1 - исходная и конечная (после сорбции) концентрации раствора ПАВ, доли единицы.

Для определения концентрации ПАВ в растворе используется метод сталагмометра, основанный на зависимости числа капель, образующихся при вытекании раствора из сталагмометра, от его концентрации и от времени истечения раствора. Для построения зависимости числа капель от концентрации ПАВ готовят ряд растворов с концентрациями от 0 до 0,05%, отличающимися на 0,005%, и подсчитывают число капель, образующихся при вытекании из сталагмометра каждого раствора. По полученным данным строится график (рис. 5). Определять концентрацию следует на линейном участке графика. Точность подсчета составляет ± 1 капля.

Погрешность измерения сорбции ПАВ углем из раствора складывается из погрешности определения разности концентраций до и

после сорбции и погрешности определения массы угля и раствора. Относительные погрешности определения массы угля и воды практически равны нулю.

Относительная погрешность измерения сорбции смачивателя углем определяется как

Mc no - n no - n

где n0 и n - число капель растворов до и после сорбции смачивателя углем.

Поскольку dno = dn = 2, погрешность измерения сорбции смачивателя составит 10% при no - n = 40 и 5% при no - n = 80.

Окончательный результат определения сорбционной емкости угля в отношении ПАВ представляется в виде

зультат отдельного определения сорбционной емкости; оМ - средняя квадратичная ошибка среднего арифметического значения.

Здесь N количество выполненных определений Мс.

Сравнивая сорбционную емкость угля в отношении испытуемого смачивателя с сорбционной емкостью угля по смачивателю ДБ, оценивают его эффективность.

6. Для определения смачивающей способности растворов ПАВ по отношению к пыли используется метод пленочной флотации.

dMc d(co - c)

(7)

или

dMc dno dn

(9)

где Mc - среднее арифметическое значение результатов опреде-

- X Mt

(10)

На поверхность исследуемой жидкости высевают испытуемую пыль и определяют время от начала до полного оседания пыли в жидкости или в случае плохой смачиваемости до условно принятого уровня. Это время принимают за критерий оценки эффективности смачивателя.

Метод пленочной флотации считается достаточно грубым, так как время погружения пыли зависит от дисперсного состава и формы частиц, равномерности нанесения пробы угля на поверхность раствора. Поэтому необходимо брать десять навесок пыли с частицами размером менее 0,063 мм.

Погрешность измерения оценивается среднеквадратичным отклонением с результатов отдельных измерений времени Т от среднего значения Тср.:

Здесь АТ = Tl - Тср.; N - число измерений. В данном случае N берется равным 10.

Окончательную точность измерений принято оценивать как ошибку их среднего арифметического

По этой величине производят сравнение испытуемого смачивателя со смачивателем ДБ.

7. Смачивающая способность ПАВ в отношении пыли определяется путем замера величин, связанных с процессом смачивания. Такими величинами являются скорость, с которой жидкость всасывается в брикет из порошка, давление на границе жидкость - газ в

(11)

Конечный результат представляется в виде

(13)

слое порошка, препятствующее дальнейшему проникновению жидкости в этот слой, и высота подъема жидкости в слое порошка.

Схемы приборов для определения смачивания порошков различными методами даны на рис. 6.

оо оО оо

— 00

-Г... ; 00

~_1Г оо

• со

I $

, Ц 11 и 114 I I ц 1.1 I I 1 ■ ),1 ц. [ОппОО о о ° о О аоС

Рис. 6. Схемы приборов для определения смачивания порошков различными методами: а — по скорости смачивания; б — по высоте подъема; в — по профилю капли

В первом случае (рис. 6, а) испытуемый порошок помещают в горизонтальную трубку, заполненную порошком, и определяют скорость движения фронта жидкости в ней. Во втором случае (рис.

6, б) порошок помещают в вертикальную трубку; высота подъема жидкости в сосуде, расположенном параллельно трубке, служит мерой определения величины перепада давления.

Скорость и высота подъема жидкости в трубке, заполненной порошком, выражается уравнениями:

h г 2 АР 2 г 1А Рх

V = - =--------; h2 =----------, (14)

г 4цh 4ц

где г — радиус пор слоя порошка или порового пространства; h — высота подъема жидкости в трубке; АР — разность давлений жидкости в нижней и верхней частях трубки.

Величина АР показывает, какое давление надо сообщить жидкости для подъема ее на высоту h. Это давление расходуется на смачивание порошка и на преодоление гидравлического сопротивления, которое обозначается через А Р . Тогда

2ажг соъв —

АР = ——----------+ АP . (15)

г

Комбинируя уравнения (14) и (15), получчают

2 Г2 f 2a жг cos в _Л

h =-----------—-----+ ДР т . (16)

4ЛУ r J

При движении жидкости в слое порошка в горизонтальном направлении величиной AP можно пренебречь. Тогда уравнение (16) будет иметь вид:

h2 гажг cose h гажг

— =-------------- или V = — =----------cose (17)

т 2ц т 2h-q

Величина h это путь, пройденный жидкостью в слое порошка.

Обычно вязкость ^ и поверхностное натяжение жидкости ажг известны. Поэтому, зная время движения жидкости и величину h, можно по формулам (16) и (17) определить краевой угол. Радиус порового пространства r не всегда удается определить, т.к. он зависит от упаковки, размеров и формы частиц и других факторов. Поэтому для конкретных случаев при смачивании порошков под величиной r понимается некоторый средний радиус. Его можно принять за радиус частиц или определить его с использованием формулы (17) на основе экспериментов, проведенных с хорошо смачивающей порошок жидкостью (cos# = 1) при известных ажг П этой жидкости.

Тем не менее, у этого метода определения смачиваемости порошка угля и краевого угла источником ошибок все-таки является неопределенность величины r - радиуса пор или частиц, плотность упаковки их в трубке.

Как следует из изложенного, все методы, при помощи которых следует оценивать смачиватели, относительные.

По каким характеристикам их растворов следует оценивать ПАВ - вопрос сложный. Проще всего проводить оценку в сравнении со смачивателем ДБ, о чем шла речь вначале. Тогда поверхностное натяжение раствора на границе с воздухом ажг должно быть равным или менее 28-10"3 н/м при ККМ, равной или менее 0,050,1%.

Динамическое поверхностное натяжение раствора с концентрацией, равной ККМ, должно быть не более 45-10"3 н/м при времени образования капли раствора, вытекающего из сталагмометра, равном 0,3 с.

Краевой угол смачивания не должен превышать 5-7°.

Сорбционная емкость угля по ПАВ устанавливается для каждого шахтопласта и для каждой марки угля. Желательно, чтобы она не превосходила 300-400 г/т, в противном случае удельный расход смачивателя будет слишком велик.

Главным критерием при оценке и выборе ПАВ должно быть снижение пылеобразования (при увлажнении горной массы и массива) и концентрации пыли в воздухе (при орошении), дгага

Kudrjashov V. V., Solovjeva E.A.

RELATION METHODS OF DUST MOISTENING ACTION OF SURFACTANT SOLUTION

Different methods of determination of dust moistening ability of surface-active substances solutions are considered. Advantages and disadvantages of methods are discussed.

Key words: surface-active materials, coal wetting, dust moistening ability, dust sticking to SAM solutions.

— Коротко об авторах ----------------------------------------

Кудряшов В.В. - докт. техн. наук, профессор, [email protected] Соловьева Е.А. - научный сотрудник, [email protected] УРАН ИПКОН РАН.

А