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不同質量分數的EMI溶液的表面張力測定【實驗下】

來源:礦業安全與環保 瀏覽 19 次 發布時間:2024-08-28

2.實驗結果與分析


2.1 EMI質量分數對表面張力的影響


對不同質量分數的EMI溶液進行表面張力測試,結果如圖2所示。

圖2不同質量分數EMI溶液的表面張力


由圖2可知,隨著溶液中EMI質量分數的增大,表面張力持續降低。當溶液中EMI質量分數大于0.6%后,表面張力的變化趨勢逐漸變緩,幾乎維持在同一水平。出現這種現象的主要原因在于加入溶液中的EMI會對溶液的表面張力產生重要影響。EMI分子本身具有兩親性質,其中有機高分子會在溶液的表面形成吸附,并在液面定向排列,使疏水基擴展于空氣中,親水基則與水面吸附,溶液中EMI分子吸附狀態隨其質量分數變化情況如圖3所示。吸附于水面的EMI分子達到飽和狀態時,EMI溶液的膠束質量分數便達到臨界值,EMI分子開始締合逐步形成膠束聚集物,該質量分數即為溶液的CMC值。之后,繼續加入EMI溶液,表面張力不再發生較大波動,溶液內逐漸締合成更多穩定的膠束。

圖3 EMI分子在水溶液中隨質量分數變化的吸附狀態


2.2 EMI質量分數對接觸角的影響


接觸角是指在氣、液、固三相交界處的氣—液界面和固—液界面之間的夾角。接觸角作為測試液體對固體潤濕效果的重要參數,對測試煤塵的潤濕性具有重要作用,接觸角越小,液體對固體的潤濕效果越強。利用接觸角測量儀,對液滴與測試煤樣之間的接觸角進行成像,如圖4所示(圖像從左到右,溶液中EMI質量分數逐漸增大)。由圖4可知,隨著煤樣粒徑的減小,4種煤樣與液滴之間的接觸角均逐漸增大。當加入EMI溶液后,4種煤樣的接觸角隨溶液中EMI質量分數增大而變化的趨勢大致相同,均呈現出逐漸減小的趨勢,表面疏水性減弱,煤塵潤濕性增強。

圖4不同質量分數EMI的溶液潤濕煤塵接觸角成像圖


接觸角與溶液中EMI質量分數的關系如圖5所示。

圖5接觸角與溶液中EMI質量分數的關系


由圖5可知,針對160目測試煤樣,溶液中EMI質量分數大于2.0%后,接觸角的減小率更高,當溶液中EMI質量分數為6.0%時,接觸角為0°,煤樣被快速潤濕,達到完全潤濕狀態。EMI質量分數相同時,200目與300目測試煤樣的變化趨勢大致相同。200目測試煤樣在EMI質量分數小于1.0%的溶液時,接觸角呈線性減小趨勢,當大于1.0%后,接觸角減小率出現先逐漸變緩而后逐漸增大的細微波動;300目測試煤樣在EMI質量分數為0.1%~0.6%時,接觸角減小率出現細微波動,呈先變緩后逐步增大的趨勢;當溶液中EMI質量分數達到8.0%時,兩組測試煤樣均達到完全潤濕狀態,接觸角為0°。而400目測試煤樣的煤塵粒徑最小,煤樣的潤濕性較弱,當溶液中EMI質量分數為0.8%~2.0%時,接觸角減小率呈先逐漸增大而后逐漸變緩的趨勢;當溶液中EMI質量分數大于2.0%時,接觸角的減小率呈線性降低趨勢;當溶液中EMI質量分數達到8.0%時,煤樣還未達到完全潤濕狀態。


2.3 EMI質量分數對煤塵吸濕性的影響


通過吸濕實驗裝置對4組測試煤樣進行測試,煤塵吸濕量與溶液中的EMI質量分數關系如圖6所示。

圖6煤塵吸濕量與溶液中的EMI質量分數的關系


由圖6可知,4組測試煤樣對純水的吸濕量均較低,當加入EMI溶液后,隨著加入溶液中EMI質量分數的增大,4組測試煤樣的吸濕量均普遍升高。當溶液中EMI質量分數達到8.0%時,160目測試煤塵的吸濕量為0.170 4 g,吸濕量相比于純水增大12.8倍;200目測試煤樣煤塵的吸濕量為0.135 2 g,是純水條件下的17.1倍;質量分數低的EMI溶液對300目測試煤樣的影響較小,當溶液中EMI質量分數達到8.0%時,吸濕量為0.104 9 g,相比于純水條件下,吸濕量增大了19.8倍;400目測試煤樣受EMI溶液的影響最大,隨著溶液中EMI分子的質量分數增大,煤塵的吸濕量持續增大,當溶液中EMI的質量分數達到8.0%時,煤塵的吸濕量為0.083 5 g,相比于純水條件下的吸濕量增大28.8倍,潤濕性提升最為明顯。


2.4 EMI質量分數對煤塵沉降效果的影響


圖7展示了煤塵沉降時間與溶液中EMI質量分數的關系。從圖7可以看出,同一測試煤樣在不同質量分數EMI的溶液中,EMI質量分數越高,煤塵的沉降速度逐漸加快,但不同質量分數EMI溶液對煤塵潤濕速度的提升幅度不同,尤其在EMI質量分數較低時,不同的測試煤樣在不同質量分數EMI溶液中的沉降速率的提升幅度均不相同。

圖7煤塵沉降時間與EMI質量分數的關系


從圖8可以看出,160目測試煤樣在EMI質量分數低的溶液中,煤塵的沉降速度較慢,且變化率較小,隨著溶液中EMI質量分數的增大所需沉降時間明顯縮短,沉降速度逐漸增大;當EMI質量分數相同時,相比于160目測試煤樣,200目測試煤樣所需沉降時間更長,沉降速度相對較慢。隨著溶液中EMI質量分數的增大,200目測試煤樣完全沉降所需時間明顯縮短;從整體來看,300目測試煤樣隨溶液中EMI質量分數的增大在沉降過程中所需時間縮短較為明顯,沉降時間總體縮短約99.8%;而400目測試煤樣相比于其他3組測試煤樣來說,所需的沉降時間最長,受EMI質量分數影響最明顯。

圖8煤塵沉降速度與EMI質量分數的關系


2.5 EMI質量分數對煤塵保水效果的影響


對比不同質量分數EMI溶液對不同粒徑煤樣保水率的影響曲線(見圖9)可以發現,在160目測試煤樣中,煤樣在溶液中EMI質量分數為1.0%時靜置,出現了析水現象。相比于160目測試煤樣,200目和300目測試煤樣分別在EMI質量分數為2.0%、6.0%的溶液中靜置,出現了析水現象。160、200、300目3組測試煤樣,在EMI質量分數小于6.0%的溶液的保水率在216 h后趨于穩定,400目測試煤樣在208 h后趨于穩定;而在EMI質量分數為6.0%與8.0%溶液中,160、200、300、400目測試煤樣分別在240、248、232、216 h后保水率趨于穩定,穩定時間均大幅提高。說明溶液中EMI質量分數越高,煤塵的保水效果越好。

圖9不同質量分數EMI溶液中煤樣保水率變化曲線


測試煤樣在保水率穩定后會板結凝固,板結硬度越高,煤樣凝固性越強,越不容易出現二次揚塵現象。煤樣板結硬度與溶液中EMI質量分數的關系如圖10所示。

圖10煤樣板結硬度與溶液中EMI質量分數的關系


由圖10可知,當EMI質量分數為0~2.0%時,煤樣的粒徑越小,溶液蒸發后的板結硬度越高;當EMI質量分數為2.0%~8.0%時,大粒徑煤塵的板結硬度逐漸增大,尤其160目測試煤樣的板結硬度增大最為明顯。


160目測試煤樣,溶液中EMI質量分數為0~0.8%時,煤樣的板結硬度隨溶液中EMI質量分數的增大緩慢增大;當溶液中EMI質量分數大于1.0%時,煤塵的板結硬度快速增大;當溶液中EMI質量分數達到8.0%時,板結硬度為91 HA。200目與300目測試煤樣的板結硬度變化趨勢較為類似,煤樣在EMI質量分數為0~0.2%時,板結硬度呈先減小而后持續增大的趨勢;當EMI質量分數為0.2%~8.0%時,板結硬度逐漸增大。400目測試煤塵在EMI溶液中煤塵的板結硬度變化趨勢不明顯,保持在44~54 HA,尤其在EMI質量分數大于2.0%時,板結硬度較低并趨于穩定。


3.結論


通過測定不同質量分數的EMI溶液的表面張力,并以不同粒徑煤塵與EMI溶液的接觸角、煤塵潤濕速度、煤塵吸濕量及保水性為指標,實驗得出以下結論:


1)EMI溶液可有效降低水的表面張力;


2)EMI分子在煤基質表面微孔內因摩擦阻力增大而穩定吸附,減少了水分流失;


3)EMI分子在煤塵表面吸附形成EMI吸附層,改變了煤塵表面特性,增強了煤塵潤濕性;


4)EMI溶液提高了溶液的抗蒸發性。






不同質量分數的EMI溶液的表面張力測定【實驗上】

不同質量分數的EMI溶液的表面張力測定【實驗下】

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