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不同质量分数的EMI溶液的表面张力测定【实验下】
来源:矿业安全与环保 浏览 100 次 发布时间:2024-08-28
2.实验结果与分析
2.1 EMI质量分数对表面张力的影响
对不同质量分数的EMI溶液进行表面张力测试,结果如图2所示。
图2不同质量分数EMI溶液的表面张力
由图2可知,随着溶液中EMI质量分数的增大,表面张力持续降低。当溶液中EMI质量分数大于0.6%后,表面张力的变化趋势逐渐变缓,几乎维持在同一水平。出现这种现象的主要原因在于加入溶液中的EMI会对溶液的表面张力产生重要影响。EMI分子本身具有两亲性质,其中有机高分子会在溶液的表面形成吸附,并在液面定向排列,使疏水基扩展于空气中,亲水基则与水面吸附,溶液中EMI分子吸附状态随其质量分数变化情况如图3所示。吸附于水面的EMI分子达到饱和状态时,EMI溶液的胶束质量分数便达到临界值,EMI分子开始缔合逐步形成胶束聚集物,该质量分数即为溶液的CMC值。之后,继续加入EMI溶液,表面张力不再发生较大波动,溶液内逐渐缔合成更多稳定的胶束。
图3 EMI分子在水溶液中随质量分数变化的吸附状态
2.2 EMI质量分数对接触角的影响
接触角是指在气、液、固三相交界处的气—液界面和固—液界面之间的夹角。接触角作为测试液体对固体润湿效果的重要参数,对测试煤尘的润湿性具有重要作用,接触角越小,液体对固体的润湿效果越强。利用接触角测量仪,对液滴与测试煤样之间的接触角进行成像,如图4所示(图像从左到右,溶液中EMI质量分数逐渐增大)。由图4可知,随着煤样粒径的减小,4种煤样与液滴之间的接触角均逐渐增大。当加入EMI溶液后,4种煤样的接触角随溶液中EMI质量分数增大而变化的趋势大致相同,均呈现出逐渐减小的趋势,表面疏水性减弱,煤尘润湿性增强。
图4不同质量分数EMI的溶液润湿煤尘接触角成像图
接触角与溶液中EMI质量分数的关系如图5所示。
图5接触角与溶液中EMI质量分数的关系
由图5可知,针对160目测试煤样,溶液中EMI质量分数大于2.0%后,接触角的减小率更高,当溶液中EMI质量分数为6.0%时,接触角为0°,煤样被快速润湿,达到完全润湿状态。EMI质量分数相同时,200目与300目测试煤样的变化趋势大致相同。200目测试煤样在EMI质量分数小于1.0%的溶液时,接触角呈线性减小趋势,当大于1.0%后,接触角减小率出现先逐渐变缓而后逐渐增大的细微波动;300目测试煤样在EMI质量分数为0.1%~0.6%时,接触角减小率出现细微波动,呈先变缓后逐步增大的趋势;当溶液中EMI质量分数达到8.0%时,两组测试煤样均达到完全润湿状态,接触角为0°。而400目测试煤样的煤尘粒径最小,煤样的润湿性较弱,当溶液中EMI质量分数为0.8%~2.0%时,接触角减小率呈先逐渐增大而后逐渐变缓的趋势;当溶液中EMI质量分数大于2.0%时,接触角的减小率呈线性降低趋势;当溶液中EMI质量分数达到8.0%时,煤样还未达到完全润湿状态。
2.3 EMI质量分数对煤尘吸湿性的影响
通过吸湿实验装置对4组测试煤样进行测试,煤尘吸湿量与溶液中的EMI质量分数关系如图6所示。
图6煤尘吸湿量与溶液中的EMI质量分数的关系
由图6可知,4组测试煤样对纯水的吸湿量均较低,当加入EMI溶液后,随着加入溶液中EMI质量分数的增大,4组测试煤样的吸湿量均普遍升高。当溶液中EMI质量分数达到8.0%时,160目测试煤尘的吸湿量为0.170 4 g,吸湿量相比于纯水增大12.8倍;200目测试煤样煤尘的吸湿量为0.135 2 g,是纯水条件下的17.1倍;质量分数低的EMI溶液对300目测试煤样的影响较小,当溶液中EMI质量分数达到8.0%时,吸湿量为0.104 9 g,相比于纯水条件下,吸湿量增大了19.8倍;400目测试煤样受EMI溶液的影响最大,随着溶液中EMI分子的质量分数增大,煤尘的吸湿量持续增大,当溶液中EMI的质量分数达到8.0%时,煤尘的吸湿量为0.083 5 g,相比于纯水条件下的吸湿量增大28.8倍,润湿性提升最为明显。
2.4 EMI质量分数对煤尘沉降效果的影响
图7展示了煤尘沉降时间与溶液中EMI质量分数的关系。从图7可以看出,同一测试煤样在不同质量分数EMI的溶液中,EMI质量分数越高,煤尘的沉降速度逐渐加快,但不同质量分数EMI溶液对煤尘润湿速度的提升幅度不同,尤其在EMI质量分数较低时,不同的测试煤样在不同质量分数EMI溶液中的沉降速率的提升幅度均不相同。
图7煤尘沉降时间与EMI质量分数的关系
从图8可以看出,160目测试煤样在EMI质量分数低的溶液中,煤尘的沉降速度较慢,且变化率较小,随着溶液中EMI质量分数的增大所需沉降时间明显缩短,沉降速度逐渐增大;当EMI质量分数相同时,相比于160目测试煤样,200目测试煤样所需沉降时间更长,沉降速度相对较慢。随着溶液中EMI质量分数的增大,200目测试煤样完全沉降所需时间明显缩短;从整体来看,300目测试煤样随溶液中EMI质量分数的增大在沉降过程中所需时间缩短较为明显,沉降时间总体缩短约99.8%;而400目测试煤样相比于其他3组测试煤样来说,所需的沉降时间最长,受EMI质量分数影响最明显。
图8煤尘沉降速度与EMI质量分数的关系
2.5 EMI质量分数对煤尘保水效果的影响
对比不同质量分数EMI溶液对不同粒径煤样保水率的影响曲线(见图9)可以发现,在160目测试煤样中,煤样在溶液中EMI质量分数为1.0%时静置,出现了析水现象。相比于160目测试煤样,200目和300目测试煤样分别在EMI质量分数为2.0%、6.0%的溶液中静置,出现了析水现象。160、200、300目3组测试煤样,在EMI质量分数小于6.0%的溶液的保水率在216 h后趋于稳定,400目测试煤样在208 h后趋于稳定;而在EMI质量分数为6.0%与8.0%溶液中,160、200、300、400目测试煤样分别在240、248、232、216 h后保水率趋于稳定,稳定时间均大幅提高。说明溶液中EMI质量分数越高,煤尘的保水效果越好。
图9不同质量分数EMI溶液中煤样保水率变化曲线
测试煤样在保水率稳定后会板结凝固,板结硬度越高,煤样凝固性越强,越不容易出现二次扬尘现象。煤样板结硬度与溶液中EMI质量分数的关系如图10所示。
图10煤样板结硬度与溶液中EMI质量分数的关系
由图10可知,当EMI质量分数为0~2.0%时,煤样的粒径越小,溶液蒸发后的板结硬度越高;当EMI质量分数为2.0%~8.0%时,大粒径煤尘的板结硬度逐渐增大,尤其160目测试煤样的板结硬度增大最为明显。
160目测试煤样,溶液中EMI质量分数为0~0.8%时,煤样的板结硬度随溶液中EMI质量分数的增大缓慢增大;当溶液中EMI质量分数大于1.0%时,煤尘的板结硬度快速增大;当溶液中EMI质量分数达到8.0%时,板结硬度为91 HA。200目与300目测试煤样的板结硬度变化趋势较为类似,煤样在EMI质量分数为0~0.2%时,板结硬度呈先减小而后持续增大的趋势;当EMI质量分数为0.2%~8.0%时,板结硬度逐渐增大。400目测试煤尘在EMI溶液中煤尘的板结硬度变化趋势不明显,保持在44~54 HA,尤其在EMI质量分数大于2.0%时,板结硬度较低并趋于稳定。
3.结论
通过测定不同质量分数的EMI溶液的表面张力,并以不同粒径煤尘与EMI溶液的接触角、煤尘润湿速度、煤尘吸湿量及保水性为指标,实验得出以下结论:
1)EMI溶液可有效降低水的表面张力;
2)EMI分子在煤基质表面微孔内因摩擦阻力增大而稳定吸附,减少了水分流失;
3)EMI分子在煤尘表面吸附形成EMI吸附层,改变了煤尘表面特性,增强了煤尘润湿性;
4)EMI溶液提高了溶液的抗蒸发性。