高效水炮泥降尘技术

8 高效水炮泥降尘技术8.1 高效水炮泥降尘机理水炮泥降尘的实质是用盛水的塑料袋代替或部分代替炮泥充填于炮眼内，爆破时水袋破裂，在高温高压爆炸波的作用下，大部分水被汽化，然后重新凝结成极细的雾滴并和同时产生的矿尘相接触，形成雾滴的凝结核或被雾滴所湿润而起到降尘作用。

这种方法既能降低爆破后产生的大量煤尘，又能有效地降低有毒有害气体的浓度，是一种积极而有效的防尘技术[1]。

由于纯水的表面张力大，爆破后不易雾化或雾化程度不高，因此不能充分地湿润煤尘，也就不能达到较好的降尘效果。

本文研究的高效水炮泥是对普通水炮泥的改造，加入某些吸水性很强的无机盐类溶液以及表面活性物质，以降低溶液的表面张力，提高雾化程度、湿润能力和捕捉粉尘的能力。

在爆破以后，空气中的粉尘与高效水炮泥颗粒相撞，经过吸附、增重、沉降等过程之后，起到迅速降低烟尘量的作用，从而是粉尘长期失去飞扬能力。

其次由于加入了无机盐类，高效水炮泥水溶液的比重较纯水大，爆炸时也更加具有迸发力，所以已汽化的溶液重新凝结成极细的雾滴与矿尘相撞时，因其所形成的凝结核或被雾滴所湿润的矿尘比重均较大，碰撞时相对速度更大，因此其降尘效果比纯水好一些[2]。

同时，高效水炮泥在被粉碎成微粒时，能析出大量的游离水，在高温高压下水呈蒸气状态，遇到空气中粉尘可使粉尘湿润、增重、沉降。

水蒸气与CO和NO2等有毒有害气体发生化学反应，特别是矿岩中含有Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO等催化剂的情况下反应加快，起到降毒作用。

8.1.1 煤尘表面润湿机理1）界面、表面活性和表面活性剂（1）界面界面是指两相之交界处，随两相性质不同，界面可以分为气液界面，气固界面，液液界面，和固液界面。

各种界面中有气相参与的参与构成的常被称作表面，即液体表面和固体表面。

相界面不是一个简单的分界面，而是从一个相到另一个相的过渡层，它具有几个分子的厚度，通常称为表面相。

表面相的分子和内部分子处境不同，其状态如图8-1所示。

拉力拉力图8-1 表面扩张时分子移动情况从图中可以看出，分布在表面相的分子都受着液体内部分子的吸引力，故液体的表面都有自动缩小到其最小面积的倾向。

欲使面积增大，相当于把更多的分子从液体的内部迁移到表面相，这就需要反抗内部分子的引力，即需要外界对表面作功，如图8-1所示。

这种形成新表面的过程中所消耗的功，称为表面功。

从热力学观点看，对于纯液体而言，在恒温恒压下，表面积增量d A 与所作功d W 成正比。

设比例常数为γ，则dA dW ⋅=-γ可逆 （8-1）如果扩大液体表面积所作的功，完全转化为表面自由能，则有()P t dG W ⋅=-可逆 （8-2）将式（8-1）和式（8-2）合并得Pt dA dG ⋅⎪⎭⎫⎝⎛=γ （8-3） 式中：G ——自由能，mJ ；γ ——表面自由能，mJ/m 2。

这就是说，γ乃恒温恒压下增加单位表面积时体系自由能的增量，称作比表面自由能，简称表面自由能。

表面张力和表面自由能分别是用力学方法和热力学方法研究液体表面现象时采用的物理量，从而又可把比表面自由能能称为表面张力，其物理涵义是表面层分子作用于表面的单位长度上使表面收缩的力。

本文主要研究固液（表面活性剂溶液）界面之间的润湿机理。

（2）表面活性和表面活性剂一切液体，在一定条件下均有一定的表面张力，能使溶剂的表面张力降低的性质，我们称为表面活性。

表面活性剂是这样一类物质，它加入很少量时即能大大降低溶剂的表面张力，改变体系的界面组成与结构，成为人们改变界面性质以适应各种要求的重要手段。

表面活性剂的分子结构特点是具有不对称性。

整个分子可以分为两部分，一部分是亲油的非极性基团，叫做疏水基或亲油基；另一部分是极性基团，叫亲水基。

因此表面活性剂分子具有两亲性质，被称为两亲分子。

亲油基一般是碳氢链、聚氧丙烯链－CH2-CH3-CH-O-、碳氟链和硅烷链等；而亲水基一般则是重复-COOM、-SO3M、烯链-OSO3M和聚氧乙烯链（CH2-CH2-O）n等。

这样在一个分子中既具有亲水基又具有亲油基，即构成了表面活性剂分子的“两亲性”。

多数表面活性剂的疏水基呈长链状，故形象地把疏水基叫做“尾巴”，亲水基叫做“头”。

整个表面活性剂分子如图8-2所示。

亲水基疏水基图8-2 表面活性剂分子结构特征示意图表面活性剂亲水基的种类很多，按照它的电性质可分为两大类，即离子型和非离子型。

离子型又分为阳离子型、阴离子型和两性型。

此外，还有近来发展较快的、既有离子型亲水基又有非离子型亲水基的混合型表面活性剂。

这种分类法就是ISO分类法。

除上述四大类外，还有含氟、含硅以及高分子表面活性剂等。

这些表面活性剂不仅具有表面活性，而且还具有缓蚀、抗静电、乳化、润湿、分散及增稠等多项功能。

表面活性剂水溶液通常具有四方面的特性，即表面特性、溶液特性、溶解度特性和溶油特性。

表面活性剂溶液的表面特性表现在此类化合物具有很好的降低水表面张力的能力和效率。

所谓能力是指能把溶剂的表面张力降低的程度，而效率则是指使表面张力降低一定值所需表面活性剂的浓度。

表面活性剂的这个特点是由于它具有强烈的表面吸附作用。

表面活性剂降低水表面张力的另一特点是溶液达到一定浓度后，表面张力并不随溶液浓度进一步增加而降低。

图8-3所示为一典型的表面活性剂水溶液的表面张力曲线。

lnC cmcγcmcγ图8-3 表面活性剂水溶液曲线转折点处的浓度（cmc ）和表面张力（γcmc ）可以分别指示该表面活性剂降低水表面张力的能力和效率，所以，是表面活性剂的主要性能参数。

2）表面活性剂的表面吸附表面活性剂的许多实际应用都依赖于它在表面上的吸附及形成的吸附层，表面活性剂在这些作用中主要有两个方面的贡献：一是降低液体的表面张力使增加气液界面的过程容易进行；二是形成表面活性剂分子或离子紧密定向排列的表面吸附层，或称作吸附膜、吸附单层，由于吸附层中疏水基和疏水基、亲水基和亲水基的横向相互作用，使得表面膜具有一定的强度，能够承受一定的外力而不被破坏，从而对所形成的气液界面起稳定作用[3]。

因此，表面活性剂溶液的许多功能依赖于它降低表面张力的能力和形成的表面吸附膜的强度。

表面活性剂降低水表面张力的能力可以用临界胶团浓度时的表面压πcmc 或溶液表面张力γcmc 来表示。

此能力首先受它的分子结构影响，也与溶液的温度及组成有关。

（1）表面活性剂类型的影响离子型表面活性剂与同样疏水链长的非离子表面活性剂相比其γcmc 值总是较大。

特别是极性头大小相近的，例如C 10H 12SOCH 3与C 10H 21SO 4Na ，差别更为明显。

即使是大极性头的非离子表面活性剂，如C 10H 21O （EO ）3H ，其γcmc 也比相应的离子型表面活性剂小，见表8-1。

（2）不同疏水基的影响疏水基的不同包括三种情况，一是疏水基的化学成分不同；二是疏水基的长度不同；三是疏水基结构不同。

疏水基具有不同化学组成的表面活性剂降低水表面张力的能力有明显差别，碳氢链表面活性剂的γcmc与碳氟链表面活性剂的γcmc 相比较要大。

疏水基长度变化对γcmc的影响相对较小，表8-2给出疏水基碳链长度影响的典型数据，一般的规律是疏水基链增长，γcmc变小。

而相同组成和大小的疏水基，结构不同时，表面活性剂水溶液的γcmc也有明显的差别，主要是疏水基中带有分支结构和端基结构不同的影响，疏水链中存在分支结构会使γcmc降低，以CH3为端基的与以CH2为端基的相比，有较低的γcmc值。

表8-1 表面活性剂类型与γcmc表8-2 疏水基链长对γcmc的影响表面活性剂降低水表面张力的能力主要决定于它在水溶液表面饱和吸附时最外层的原子或原子团。

对分子间相互作用贡献大的原子或原子团占据表面，γcmc 就较高，反之，γcmc较低。

一般来说，最外层带有极性基团比带有非极性表面张力高。

非极性基团对降低表面张力能力的贡献有下列次序：—CF3＞—CF2—＞—CH3—＞—CH2—＞—CH=CH—总之，表面活性剂在水溶液表面吸附的过程是溶液表面最外层化学组成变化的过程，是以非极性基团逐步代替水分子的过程。

表面活性剂降低水表面张力的能力就在于它能以什么样的基团来代替水和能取代到何种程度。

因此表面活性剂疏水基的化学组成，特别是它的末端基团的组成，和它的最大吸附量是影响其降低表面张力能力的主要因素。

3）煤尘润湿过程润湿是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体的过程。

常见的润湿现象是固体表面上的气体被液体取代的过程。

水对煤尘表面的润湿实质上是水溶液取代煤尘固体表面气相的过程，因此，欲较深入地研究水对煤尘的润湿机理，就必须分析煤尘的润湿过程。

煤尘润湿过程可以分为三类：沾湿、浸湿和铺展[4]。

（1）沾湿过程煤尘沾湿是指液体与煤尘从不接触到接触，变液气界面和固气界面为固液界面的过程，如图8-4，设形成的接触面积为单位值，此过程中体系自由能降低值（－ΔG ）应为：a sl sg W G =-+=∆-γγγlg （8-4）式中，γsg 为气固界面自由能；γlg 为液体表面自由能；γsl 为固液界面自由能。

W a 称为粘附功，是沾湿过程体系对外所能做的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处拉开，外界所需做的最小功。

W a 越大，固液结合越牢，越易湿润。

（2）浸湿过程浸湿是指固体浸入液体的过程。

此过程的实质是固气界面为固液界面所代替，而液体表面在过程中并无变化，如图8-5所示。

在浸湿面积为单位值时，此过程的自由能降低值为：i sl sg W G =-=∆-γγ （8-5）W i 为浸润功，它反映液体在固体表面上取代气体的能力，W i 是浸润过程能否自动进行的判据。

LS L SS GG G SL L 图8-4 沾湿过程 图8-5 浸湿过程（3）铺展过程铺展过程的实质是以固液界面代替气固界面的同时还扩展了气液界面，如图8-6。

GSslsg γS 图8-6 铺展过程 图8-7 接触角示意图当铺展面积为单位值时体系自由能降低为：S G sl sg =--=∆-lg γγγ （8-6）S 称为铺展系数。

在恒温恒压下，S ＞0时液体可以在固体表面上自动展开，连续地从固体表面上取代气体。

只要用量足够，液体将会自行铺满固体表面。

由式（8-5）与（8-6）可得lg γ-=i W S ，此式说明若要铺展系数S 大于0，则W i 必须大于γlg 。

W i 体现了固体与液体间粘附的能力。

又称粘附张力，用符号A 表示：sl sg A γγ-= （8-7）因上述各式中的γsg 和γsl 尚难直接测算，所以前人根据液尘润湿固体时力的平衡关系（见图8-7），得到了如下表达式：θγγγcos lg ⋅+=sl sg （8-8）此式即为著名的Young 方程。

式中θ称作液体对固体的接触角，是气、固、液三相交界点沿液滴表面引出的切线与固体表面的夹角方程代入式（8-4）、式（8-5）及式（8-6）得如下的简化式：)1(cos lg +=θγa W （8-9）θγcos lg ==i W A （8-10）)1(cos lg -=θγS （8-11）根据以上讨论，自发进行的润湿过程的润湿功必须为正数，因此判别各种润湿过程的判据如下：沾湿润湿：W a ≥0，即θ≤180°；浸湿润湿：A ≥0，即θ≤90°；铺展润湿：S ≥0，即θ=0°。