CC BY
114
с. и. голоскоков
канд. техн. наук, зав. лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
н. м. недосекина
старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
м. с. сазонов
канд. техн. наук, старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
Е. и. голоскоков
старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
н. А. терентьева
ведущий инженер ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.514^622.807
метод определения смачивающей способности
угольной, углепородной пыли
растворами поверхностно-активных веществ
Представлен новый способ определения смачивающей способности пыли растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ), суть которого заключается в расчете удельной поверхности смоченной части пыли с помощью автоматизированного гранулометрического анализа.
Ключевые слова: СМАЧИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ, БОРЬБА С ПЫЛЬЮ, ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАВ, ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПЫЛИ
Эффективность способов связывания и смыва пыли, а также других способов пылевзрывозащиты, основанных на применении воды, зависит главным образом от скорости и полноты смачивания отложившейся пыли по всей поверхности выработки [1]. В практике борьбы с пылью считается, что без добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) невозможно эффективно применять способы гидропылевзрывозащиты для пыли угольных шахт, обладающей высокой гидрофобностью.
Взаимодействие адгезируемых веществ может протекать в статических и динамических условиях. В обоих случаях совершается работа по вытеснению воздуха с внешней поверхности пылинок при растекании жидкости [1].
В статических лабораторных условиях работа смачивания пыли с учетом ее дисперсности определяется по формуле [1]:
Ас„ = ^ (1 - cos6)S0Ps,
(1)
где 50 - удельная поверхность пыли, м2/кг; в - краевой угол смачивания, град.; оси - поверхностное натяжение раствора
смачивателя, Дж/м2;
P - пылеотложение, кг/м2.
S '
Из формулы (1) следует, что смачивающая способность пыли зависит от угла смачивания (в) и величины оси, характеризующей свойства смачивающей жидкости. Для практических расчетов представлена таблица 1 [1], где приведены средние значения краевых углов смачивания углей различных марок, минералов, горных пород, наиболее распространенных в горной практике.
В работе [2] приведен способ определения смачивающей способности угольной пыли растворами ПАВ по массовой доле частиц угольной пыли осевших в растворе. Представленный способ является трудоемким, в итоге коэффициент вариации не превышал 12 % [2].
В данной статье предложен еще один способ определения смачивающей способности угольной пыли растворами ПАВ, основанный на расчете работы смачивания пыли с помощью лазерного анализатора размеров частиц Analysette 22 MicroTec Plus для автоматизации, ускорения и снижения вариации результатов расчета. По сравнению с «классическими» методами изме-
научно-технический журнал № 1-2014
ВЕстник
99
Таблица 1 - Краевые углы смачивания углей, минералов, горных пород
Уголь (марка), минералы, горные породы Краевой угол смачивания, градус
А 68
ПА 69
Т 71
ОС 76
К 85
Ж 78
Г 65
Д 60
Кварц 0-10
Кальцит 0
Пирит 33
Углистый сланец 43
Глинистый сланец 0-10
Горючий сланец 0-10
рения, такими как рассев, седиментация, либо анализ по изображению, лазерная дифракция обладает рядом важных преимуществ - относительно малое время проведения анализа, хорошая воспроизводимость и точность, простая калибровка, большой диапазон измерений (0,08 - 2000 мкм) и высокая универсальность.
Суть нового способа определения смачивающей способности пыли растворами ПАВ заключается в расчете удельной поверхности смоченной части пыли с помощью автоматизированного гранулометрического анализа (рис.1). Смоченная часть пыли, полученная равномерным распределением навески пыли массой 1 г за время, равное 120 с., на поверхность раствора смачивателя оптимальной концентрации [2], отделяется от несмоченной части навески
в разные емкости. В качестве смачивателя используется водный раствор ПАВ «Неолас», при этом в работе [1] установлено, что увеличение концентрации смачивателей более 0,5 % нецелесообразно.
Из рисунка 1 следует, что в несмоченной части пыли содержатся преимущественно очень мелкие фракции, но это частный случай. На рисунке 2 показано распределение частиц по размерам в несмоченной части для угля марки Д.
В несмоченной части навески содержатся частицы всех фракций (рис. 2). За параметр, который характеризует распределение частиц по фракциям, взята удельная специфическая поверхность смоченной части пыли Sc (см2/см3), полученная при помощи системы автоматизированного расчета Analysette 22 MicroTec Plus (табл. 2).
Специфическая работа смачивания пыли рассчитывается как:
t S
А =-&l(1 -cos9)—а-р , с 60 Р *
(2)
где tсм - время смачивания при оптимальной концентрации, с (^ введено вместо асм -
величины, характеризующей свойства смачивающей жидкости);
в - краевой угол смачивания, град.; 5с - удельная специфическая поверхность смоченной части пыли, см2/см3; р - плотность угля, г/см3; Р - пылеотложение, г/см2. Рассчитанные значения специфической работы смачивания представлены в таблице 3. Там же приведены значения смачивающей способности пыли, которые были получены гравиметрическим способом определения смачивающей способности угольной пыли растворами ПАВ по массовой доле осевших в растворе частиц угольной пыли.
Рисунок 2 - Среднее распределение частиц по размерам для угля марки Д
100
научно-технический журнал № 1-2014
ВЕСТНИК
Таблица 2 - Удельная специфическая поверхность смоченной части угольной и углепородной пыли (УПП)
Марка К Д Т Г ОС УПП (1) УПП (2)
проба 1/1, смоченная часть 4661 11629 5759 7290 4128 22679 -
проба 1/2, смоченная часть 4806 12681 5838 8296 4723 23360 17251
проба 1/3, смоченная часть 5046 13842 6779 9270 5019 23206 18460
Среднее значение 4838 12717 6125 8285 4623 23082 17855
проба 2/1, смоченная часть 4806 10497 6928 8471 4629 18969 11543
проба 2/2, смоченная часть 4876 11377 6842 8847 5072 19832 13027
проба 2/3, смоченная часть 4956 11797 7281 9551 5583 21072 15692
Среднее значение 4879 11223 7017 8956 5095 19958 13421
проба 3/1, смоченная часть 4069 12057 8417 7461 3209 16139 12439
проба 3/2, смоченная часть 4870 12482 8369 8486 4434 19720 14994
проба 3/3, смоченная часть 4713 12887 8553 8953 5753 20728 15190
Среднее значение 4551 12475 8446 8300 4465 18862 14208
Таблица 3 - Параметры смачивания угольной и углепородной пыли водными растворами ПАВ «Неолас»
Марка К Д Т Г ОС УПП (1) УПП (2)
Время смачивания при оптимальной концентрации, с 36 52 49 52 33 33 26
Оптимальная концентрация смачивателя, % 0,10 0,05 0,05 0,05 0,10 0,05 0,05
Смачивающая способность пыли раствором ПАВ, масс. % 89,1 68,3 70,4 77,7 84,9 86,7 89,5
Плотность, г/см3 1,30 1,33 1,34 1,32 1,30 1,42 1,42
Специфическая работа смачивания пыли, ед. 2004 3955 2958 3227 1516 1445 1135
При соотнесении результатов двух способов определения смачивающей способности угольной пыли растворами ПАВ: гравиметрического и гранулометрического анализов смоченной части, можно получить достаточно хорошую сходимость с корреляцией 0,907 (рис. 3).
Из рисунка 3 видно, что при меньшем полученном значении специфической работы
смачивания пыли улучшается смачивающая способность раствора ПАВ. Способ гранулометрического анализа смоченной части для определения смачивающей способности угольной и углепородной пыли растворами ПАВ позволяет получить приемлемые результаты при меньшем затрате времени на испытания по сравнению с гравиметрическим методом со средним значением коэффициента вариации результатов порядка 9 % по зависимости:
К =
11149-Ас 109
(3)
где К - смачивающая способность растворов ПАВ по отношению к пыли угольных шахт, %;
Ас - специфическая работа смачивания пыли, ед.;
При динамическом воздействии жидкости на пылевые частицы на процесс смачивания влияют внешние силы. Причем, чем больше работа внешних сил, определяемых в основном
научно-технический журнал № 1-2014 Jk А
ВЕстник 101
кинетической энергией распыленной жидкости, тем эффективнее смачивается пыль. Используя выводы и формулы работы [1], возможно получить расход жидкости, необходимый для полного смачивания пыли в динамических условиях:
m =
1,23uJ1-cosQ)PsS(p& РЛк2
(4)
где Ь - сопротивление распылителя, 1/м2; сС - диаметр выходного отверстия, м; рв-давление жидкости в трубопроводе, Па; П = 0,3-0,5, к- коэффициент снижения скорости вылета капель (на удалении 2-3 м от распылителя К = 0,1-0,15).
При этом 5 = -¡г (5), где 5 - удельная
о р с
специфическая поверхность исходной пробы пыли, см2/см3; р - плотность угля, г/см3. То есть для определения расхода жидкости, требуемого для полного смачивания пыли в динамических
условиях горных выработок дополнительно необходимо знать плотность угля, поверхностное натяжение раствора смачивателя, пылеотложе-ние горной выработки, параметры форсунки, через которую подается раствор смачивателя.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Представлен новый способ определения смачивающей способности пыли водными растворами ПАВ, суть которого заключается в расчете удельной поверхности смоченной части пыли с помощью автоматизированного гранулометрического анализа.
2. Новый способ позволяет получить приемлемые результаты по формуле (3) (корреляция 0,907 в сравнении с гравиметрическим способом) при затрате значительно меньшего времени на испытания и коэффициентом вариации результатов 9 %.
3. Представленный способ может быть использован при расчете расхода жидкости, необходимого для полного смачивания пыли в динамических условиях горных выработок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Петрухин, П. М. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах / П. М. Петру-хин, М.И. Нецепляев, В.Н. Качан, В.С. Сергеев - М.: Недра, 1974. - 304 с.
2. Выбор оптимальной концентрации растворов поверхностно-активных веществ по отношению к пыли угольных шахт для борьбы с запыленностью /С. И. Голоскоков и др.// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 2. - С. 5-9.
THE METHOD FOR THE DETERMINATION OF WETTING ABILITY OF COAL MINE DUST BY SURFACTANTS
S. I. Goloskokov, N. M. Nedosekina, M. S. Sazonov, Ye. I. Goloskokov, N. A. Terentieva The new method for the determination of wetting ability of coal dust by surfactants, which essence consists in calculation, its essence consists in calculation of specific surface of wetted dust part with automatic grain size measurement.
Key words: WETTING ABILITY, DUST SUPPRESSION, SURFACTANTS EFFICIENCY ESTIMATION
Голоскоков Сергей Иванович e-mail: [email protected]
Недосекина Нина Михайловна e-mail: [email protected]
Сазонов Михаил Сергеевич e-mail: [email protected]
Голоскоков Евгений Иванович e-mail: [email protected]
Терентьева Наталья Анатольевна e-mail: tna.nc-vostnii@yandex.
научно-технический журнал № 1-2014
ВЕСТНИК
