泡除尘发泡剂的实验研究刘杰U，杨胜强U，王建波U，吴超U，赵波U（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221008）高效的发泡剂。湿润性和发泡倍数是发泡剂最重要的性能指标。根据要求选定了十二烷基硫酸钠、湿润剂、增泡剂、羟甲基纤维素钠和水作为发泡剂原材料，根据水膜浮选法的测定，5种药剂的质量比例为50：5：2：1：60时发泡剂的湿润性最强；根据搅拌发泡并测定发泡倍数，发泡剂溶液的质量分数为2.5%时发泡倍数最高，为71倍。

　　为了降低粉尘的危害，煤矿普遍采用煤层注水m，高压水喷雾，除尘器等除尘措施，但上述除尘措施存在一定的缺陷，严重影响了现场应用和除尘效果。比如：煤层注水设备、工序复杂，且不适用于低孔隙率煤层；高压水喷雾耗水量大且对呼吸性粉尘的除尘效果有限；除尘器噪声大且处理风量小。

　　泡沫除尘耗水量小，除尘效率高，特别是对呼吸性粉尘的除尘效果明显0，是未来煤矿井下除尘的重要发展方向之一。泡沫除尘系统包括发泡剂、发泡设备和喷射装置3大部分。要提高泡沫除尘效率必须研发更加高效的发泡剂。现有的泡沫抑尘技术大多侧重于发泡设备的研发，对发泡液进行深入研究的很少。发泡剂的湿润性和发泡倍数是发泡液的重要性能指标。利用正交表制取发泡剂样本设计实验，通过水膜浮选法优选出湿润性最强的发泡剂原料配比；通过实验室搅拌发泡对各种质量分数的发泡剂发泡倍数进行测定，优选出发泡倍数最高的发泡液质量分数。

　　1矿用发泡剂的特性要求煤矿井下的特殊应用环境要求发泡剂必须具有以下特性0：基金项目：国家重点实验室自主课题资助项目（SKLCRSM11X01）；国家自然科学基金重点资助项目（50834005）；国际科技合作项目（2008DFB70100）对人体和环境无害。煤矿井下环境复杂，发泡剂从运输到加入发泡设备的整个过程中难免与人体皮肤发生接触，因此发泡剂必须对人体皮肤无害；发泡剂经过发泡设备发泡喷射到尘源后要随煤岩体排出井外，因此发泡剂必须对环境无害。

　　湿润性强，泡沫具有一定的稳定性。矿尘一般具有较强的疏水性，泡沫只有具有强湿润性才能够有效湿润粉尘达到除尘降尘的目的。泡沫从产生到完成除尘的整个过程需要一段时间，因此泡沫必须具有一定的稳定性。

　　发泡倍数高。泡沫在除尘过程中需要覆盖尘源H，发泡剂只有具有一定的发泡倍数才能产生足够体积的泡沫达到覆盖尘源的目的；另一方面对于逃逸到空气中的粉尘需要大量的泡沫与之碰撞，以增加粉尘与泡沫碰撞的概率，提高粉尘捕获率。

　　来源广泛，价格低。煤矿每天的实际生产时间般能够达到16h，这意味着泡沫除尘设备每天要开启16h，长时间的发泡会消耗一定量的发泡剂，因此原材料必须来源广泛，廉价，以降低除尘成本。

　　2发泡剂原材料选择能够产生泡沫的液体叫发泡剂，纯净的液体是不能形成泡沫的，只有溶液内含有粗粒分散的胶体、胶质体系或者细粒胶体等形成的可溶性物质时才能产生泡沫。除尘用的泡沫剂配方中各药剂按功能来分，一般有起泡剂、湿润剂、增泡剂、增溶剂等。这些药剂（可统称助剂）本质上都是表面活性剂，但性质和功能各有特点。

　　起泡剂。起泡剂一般均为表面活性剂，其分子结构由非极性的亲油（疏水）基团和极性的亲水（疏油）基团构成，形成既有亲水性又有亲油型的所谓的“双亲结构”分子。起泡剂加到水中，亲水基插入水相而亲油基插入油相或竖立在空气中，形成在界面层或表面上的定向排列，从而使界面张力或表面张力降低。一般而言，含极少量起泡剂的水溶液即具有起泡性。

　　湿润剂。湿润剂的作用是显著降低水的表面张力，以提高对粉尘的润湿性，通过降低溶液表面张力，增大溶液表面黏度。

　　增泡剂。增泡剂与起泡剂相互作用增加泡沫的发泡倍数，同时具有一定的稳泡功能。

　　增溶剂。可显著提高某些不溶或微溶于水的有机物在水中的溶解度。表面活性剂之所以能增大难溶性药物的溶解度，般认为是由于它能在水中形成胶团的结果。胶团是由表面活性剂的亲油基团向内、亲水基团向外而成的球状体。整个胶团内部是非极性的，外部是极性的。由于胶团是微小的胶体粒子。其分散体系属于胶体溶液，从而可使难溶性药物被包藏或吸附，增大溶解量。

　　根据以上4种特性要求优选了以下试剂作为发泡剂原材料：十二烷基硫酸钠、湿润剂、增泡剂、羟甲基纤维素钠和水。

　　3发泡剂性能测定3.1湿润性能测定3.1.1实验设计实验证明，任何单药剂均不可能满足发泡剂各方面性能的要求，为此，除尘发泡剂需要多种原材料混合后，才能达到要求。由于泡沫药剂配方中各药剂所起的作用不同，因而各药剂的剂量也不定相同，需要通过实验来确定。考察了十二烷基硫酸钠、湿润剂、增泡剂、羟甲基纤维素钠和水5种药剂因素，每种药剂因素的质量分为4个水平，因此利用L16（45）正交表0安排实验。5种药剂各种水平的质量见表1.表1 5种药剂各种质量水平质量水平十二烷基硫酸钠湿润剂增泡剂羟甲基纤维素钠水根据正交表的原理需要进行16组实验，实验样本见表2. 3.1.2湿润性测定采用水膜浮选法63，测定洒在发泡剂表面上的薄煤尘层完全沉入发泡剂中的时间，来评价除尘发泡剂对粉尘的湿润性能。具体方法是：按照正交表中的数据分别调制16组发泡剂，每组1 600mL.从第1组1600mL发泡剂中取出500mL置于烧杯中，待烧杯中液面静止后，用精确度为0. 0001g的电子天平量称量5g已经制备好的煤尘，均匀加入到量杯中，立即开始用秒表计时，测量粉尘全部浸入到发泡剂中所需要的时间，并记录，重复以上步骤3次，取平均值得出第1组发泡剂润湿5g煤尘所需要的时间。依次进行第2~第16组的发泡剂的润湿时间实验。各组发泡剂的润湿时间如。

　　从可知，第12组发泡剂的润湿时间最短，为5.1s，因此可以得出结论：为了使发泡剂具有最强的湿润性，十二烷基硫酸钠、湿润剂、增泡剂、羟甲基纤维素钠和水5种药剂因素的最佳质量比例为：50：5：2：1：60.表2发泡剂各组分质量分数正父表实验号十二烷基硫酸钠湿润剂增泡剂羟甲基纤维实验分组各组发泡剂润湿时间曲线3.2发泡剂发泡倍数测定3.2.1实验准备测定仪器。DIC增力电动搅拌器，电热恒温水浴缸，量筒，电子天平，自制铝桶（可直接读取桶内物质体积）等。

　　配置溶液。按照十二烷基硫酸钠、湿润剂、增泡剂、羟甲基纤维素钠和水5种药剂比例为：50：5：2：1：60配制发泡剂。根据刘常旭等的研究，发泡剂用量1般不超过溶液质量的3.0%，因此在0~4%之间均分选取8个浓度进行实验，分别配制质量3.2.2实验测定将自制铝桶置于电热恒温水浴缸内，使温度保持在16C.量取0.5L质量分数为0.5%的溶液缓慢倒入自制铝桶内，用搅拌器搅拌直至泡沫体积不再增加，记录泡沫体积，重复以上步骤3次取平均值即得到真实的泡沫体积，亦得到发泡倍数。依次进行其它质量分数溶液发泡倍数的测定。测定的各质量分数溶液的发泡倍数如发泡剂溶液质量百分数/%各质量分数溶液发泡倍数曲线由可知，在实验条件下，发泡剂溶液质量分数为2.5%时发泡倍数最高，可达71倍。

　　4结论泡沫除尘是未来煤矿井下除尘措施的主要发展方向之煤矿井下环境复杂，除尘用发泡剂必须满足对人体和环境无害、湿润性强、具有一定的稳定性、发泡倍数高、来源广泛，廉价的特点。十二烷基硫酸钠、湿润剂、增泡剂、羟甲基纤维素钠和水5种药剂质量比例为50：52：1：60时发泡剂的湿润性最强。发泡剂溶液的质量分数为2.5%时发泡倍数最高，达到71倍。