Экспериментальная оценка смачивающих свойств угольной поверхности Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

- © A.C. Усанина, Ю.Ф. Патраков,

2013

УДК 532.64

А.С. Усанина, Ю.Ф. Патраков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СМАЧИВАЮЩИХ СВОЙСТВ УГОЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ*

Представлены результаты определения краевого угла смачивания угольной поверхности для 6-ти типов углей разных месторождений при различных способах приготовления образца. Показано, что метод подготовки и физико-химические свойства угольной поверхности в сильной степени влияют на величину краевого угла смачивания.

Ключевые слова: уголь, краевой угол смачивания, прессование, шлифование, монолит.

Исследованию смачиваемости угольных частиц посвящено большое количество работ. Это объясняется сложностью физико-химических процессов на границе раздела жидкой и твердой фаз, а также широким использованием в горном деле технологий, для которых смачиваемость угольной поверхности может быть определяющей характеристикой. Так, дегазация угольного пласта [1, 2] во многом определяется не только метанонасыщенностью, но и его влагосодержанием. Эффективность технологии гидроразрыва угольных пластов [3] зависит не только от давления нагнетаемой жидкости, но и ее смачивающих свойств, смачиваемость влияет на эффективность мероприятий по нейтрализации угольной пыли [4]. Все технологические операции «мокрого» обогащения угля в той или иной степени также определяются смачиваемостью угольной поверхности.

Основной характеристикой смачиваемости плоской поверхности твердого тела жидкостью является краевой угол 9, который отсчитывается от касательной к свободной поверхности жидкости в точке раздела трех фаз (жидкой, газообразной, твердой) в сторону жидкости (рис. 1).

*Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (№ МК-1259.2013.1) и Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.В37.21.0419).

Трудность корректного и воспроизводимого определения краевого угла смачивания для угольных образцов заключается в их петрографической неоднородности (сложный мацераль-ный состав, включения минеральных примесей, слоистое строение).

В настоящей работе представлены результаты сравнительного определения краевого угла смачивания угольной поверхности подготовленной различными методами:

- прессование угольного порошка;

- шлифование монолитной угольной частицы;

- скол монолитной угольной частицы.

Для экспериментов были отобраны пробы бурых (марок Б1, Б3) и каменных углей (марок Д, Г, Ж, КС) месторождений Хакасии, Тувы, Монголии и Кузбасса с широким диапазоном изменения качественных характеристик (%, масс.): углерод 65,6 - 90,1; водород 4,0 - 5,9; кислород (азот, сера) 5,3 -30,4.

Методика проведения экспериментов была идентичной для всех образцов [5]. С помощью капилляра 1 на подготовленную поверхность угольного образца 2 помещается капля исследуемой жидкости 3 (рис. 1). Равновесная форма и краевой угол капли регистрируется с помощью скоростной видеокамеры (4).

3

Рис. 1. Принципиальная схема установки

I

О 0.01 0.02 0.03 0.04

(СЖЧ+5)/С

Рис. 2. Зависимость краевого угла смачивания угольной поверхности при различных способах ее приготовления для углей разной степени метаморфизма

Скоростная видеосъемка используется для того, чтобы определить момент установления равновесной формы капли и начало физико-химических процессов на границе трехфазного контакта. Во всех экспериментах использовали капли дистиллированной воды одинакового диаметра О = 3 мм.

Значение краевого угла определялось по наклону касательной, проведенной в точке контакта трех фаз. Относительная погрешность определения краевого угла, обусловленная разбросом результатов 8^10 дублирующих опытов, не превышала 6% при значении доверительной вероятности а =0.95.

Из анализа результатов измерений 9 на различных рабочих поверхностях (рис. 2) следует, что значение краевого угла на прессованном брикете и шлифованном монолите практически совпадает. Значение 9, полученное для по-

верхности скола образца угля, существенно ниже, что может быть результатом отклонения реальной поверхности скола от плоской.

Сравнение данных, полученных путем прессования, с известными литературными источниками [6-8] показало качественное совпадение результатов в пересекающемся диапазоне параметров. В частности, для образцов угля, содержащих углерод в диапазоне от 80 % до 90 %, значения угла смачивания лежат в пределах 9 « 75° ^ 90°.

Для прогнозирования смачиваемости углей представляет интерес зависимость этой характеристики от их химического состава. Из рис. 2 следует, что качественная картина изменения краевого угла в зависимости от величины (0+Н+Б)/С одинакова для трех способов приготовления поверхности. То есть, по мере увеличения в составе угля количества (О, N и Б)-содержащих функциональных групп, способных к образованию водородных связей, повышается гидрофильность поверхности, что приводит к уменьшению краевого угла.

Таким образом, в работе представлены результаты определения краевого угла смачивания угольной поверхности для 6-ти типов углей разных месторождений. Показано, что метод подготовки и физико-химические свойства угольной поверхности в сильной степени влияют на величину краевого угла смачивания.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полевщиков Г.Я., Киряева Т.А. Некоторые представления о термодинамике распада углеметана. // Вестник научного центра по безопасности работ в горной промышленности. Научно-технический журнал. - Кемерово. - 2010, № 1, С. 50-55.

2. В.В. Дырдин, И.С. Елкин Влияние краевого угла смачивания на фильтрацию в углях и радиус увлажнения угольного пласта от одиночной скважины // Вестн. КузГТУ. 2001, № 3, С. 6-9 .

3. Клишин В.И., Курленя М.В. Создание оборудования для дегазации угольных пластов на принципе гидроразрыва горных пород // Уголь, 2011, №10, С. 34

4. Саранчук В.И., Журавлев В.П., Вейсенберг И.В. Химические вещества для борьбы с пылью. - Киев: Наукова думка, 1987. -166 с.

5. Архипов В.А., Палеев Д.Ю., Патраков Ю.Ф., Усанина А.С. .Определение краевого угла смачивания угольной поверхности // ФТПРПИ, 2011, №5, С. 22-28.

6. He Y.B., Laskowski J.S. Contact angle measurements on discs compressed from fine coal // Coal preparation. 1992. Vol. 10. P.19-36.

7. Drelich J., Laskowski J.S., Pawlik M. Improved sample preparation and surface analysis methodology for contact angle measurements on coal (heterogeneous) surfaces // Coal preparation. 2000. Vol. 21. P. 246-275.

8. Li Man, Xu Hai-Hong, Shu Xin-qian. Study on coal dust wettability measurement using cold briquetting technique // Journal of coal science and engineering. 2008. Vol. 14, № 4. P. 571-574. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Усанина Анна Сергеевна - кандидат физ.-мат. наук, научный сотрудник лаборатории научных основ технологий обогащения угля Института угля СО РАН, [email protected],

Патраков Юрий Федорович - доктор химических наук, заведующий лабораторией научных основ технологий обогащения угля Института угля СО РАН, [email protected].

А