АКАДЕМИЯ НАУК СССР Сектор физико-технических горных проблем ордена Ленини Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта

МЕТОДИКА

ОЦЕНКИ ПЫЛЕСМАЧИВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО - АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ (ПРИ ОРОШЕНИИ)

Москва

1973

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СЕКТОР ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПРОБЛЕМ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТА ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю. ШМИДТА

МЕТОДИКА

оценки пылесмачивающего действия растворов поверхностно-активных веществ в динамических условиях (при орошении)

Москва

1973

В основе метода лежит экспериментально установленное положение:    вес    капли,    отрывающейся    под действием силы тяжес

ти от кончика вертикальной трубки, будет тем больше (для данной трубки), чем больше поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом.

Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку с расширением в средней части, объем которого V ограничен двумя делениями. Нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого отшлифован в виде плоского диска для получения одинаковых капель правильной формы /рис. I/.

Вес одной капли жидкости р , вытекающей из объема -V , содержащего П капель при плотности жидкости oi и ускорении силы тяжести    (2    будет равен:

р= ш. ■

^н п

В тоже время вес отрывающейся капли пропорционален силе поверхностного натяжения ( Cf )» удерживающего каплю на конце капилляра радиуса    Ъ    :

Р = Z7TT&f( ^z/_v*/s) ^

где IT - объем капли.

Следовательно

Выражение    ±    ■    лллл^а^л

2тгг 7Т%ь)    ,

ного сталагмометра (К). Тогда о~ ft .

Подсчитав число капель П₀ жидкости (воды) с извест-

ныи поверхностным натяжением    и число капель исследуе

мой жидкости ГЪх , вытекающей из сталагмометра, можно вычислить

W flocix.

fixdo '    «)

где dx - плотность исследуемой жидкости;

do - плотность известной жидкости (воды).

Так как плотность растворов ПАВ и воды практически не отличаются друг от друга, то    *    I, и выражение (I) можно

переписать в виде

гг - до_    (3)

^ Пх

где й - СУ_вАо    - постоянная сталагмометра.

Таким образом число капель ft , полученное при вытекании жидкости из объема V у является мерой поверхностного натяжения данной жидкости.

2.3. Устройство для регулирования времени истечения жидкости из сталагмометра

Для изучения <3 дин. растворов ПАВ необходимо при вытекании жидкости из сталагмометра получать стабильно образующиеся капли со временем образования 0,1-2,0 с*к.

Эта задача решается путем изменения давления воздуха над жидкостью в сталагмометре. Чем выше давление, тем быстрее

II

го

Рве Л* Схема прибора для определения динамического поверхностного

натяжения растворов

I - сталагмометр; 2,3 - склтнки с тубусом; 4 - аажим Капицы; 5 - трехходовой кран;

6 - резиновая груша; V - переменное сопротивление; 8 - кран сталагмометра; 9 -электроды-контакты; 10 - источник постоянного тока; II - счетчик импульсов.

---

жидкость вытекает иэ сталагмометра. Избыточное давление над жидкостью в сталагмометре создается подсоединением его к системе сообщающихся сосудов, разность уровня воды в которых определяет величину подпора.

На рис. I представлена схема устройства. Сталагмойетр (I) подсоединен резиновым шлангом к склянке (2) с туоусом, которая в свою очередь соединена со склянкой (з;. Коли уровень воды в склянке (3) выше уровня в склянке (2), то над жидкостью в сталагмометре создается повышенное давление (скорость ее истечения увеличивается) и наоборот, если уровень в склянке (2) выше, чем в склянке (3), над жидкостью создается некоторое разряжение, она вытекает из капилляра сталагмометра медленнее. Это позволяет определять поверхностное натяжение растворов при вышеуказанном времени образования капель (0,1-2,0 сек и солее). Увеличение времени образования капель, а также более тонкое регулирование подпора, могут быть получены с помощью зажима Капицы (4), помещаемого на участке между сталагмометром и склянкой.

Ясли при максимально возможной разности уровней жидкости в склянках не создается необходимого подпора или разряжения, можно изменить уровень установки одной из склянок с помощью подкладок.

2.3. Автоматический счетчик капель.

Одним из основных элементов прибора, определяющего динамическое поверхностное натяжение растворов ПАВ, является приспособление, позволяющее регистрировать и автоматически суммировать число капель, вытекающих из сталагмометра, даже при частоте их падения до 10 капель в I сек.

14

В качестве датчика использовано контактное устройство, пред ставлящве собой два остроконечных тонких электрода, располагаемых поперек оси движения капель, которые во времн падения кратковременно их замыкают, продолдительность импульсов датчика определяется временем замыкания контактов, т.е. размером капли и скоростью ее движениям зависит, таким образом, только от самого измеряемого объекта, что гарантирует практическую безинерцион-ность датчика.

Электроды-контакты через источник тока подсоединяются к счетчику электрических импульсов. Величина электрических импульсов определяется электродвижущей силой (ЭДС) источника тик*, проводимостью жидкости и расстоянием между контактами, увеличиваемом или уменьшаемом в зависимости от размера капель. Это позволяет в качестве счетчика электрических импульсов использовать счетчики с различной чувствительностью, имеющиеся в современной лабораторной практике. Выбор счетчика иыпу.чьсов определяется его разрешающей способностью (инерционностью) и требованиями поставленной задачи. При определении динамического поверхностного натяжения растворов ПАВ на пределе дискретности струи вполне пригодны пересчетные приборы типа ПС-64, ПС-100 и другие. Контактное устройство (рис. I) состоит из подвижных электродов (9); переменного сопротивления (7) для регулировки напряжения на электродах; источника постоянного тока (Ю), в качестве которого могут быть использованы сухие элементы и аккумуляторы; счетчика импульсов (капель) (II).

15

Для получения стабильных результатов регистрации падающих капель все провода, соединяющие контактное устройство с источником тока и пересчетныы прибором, должны быть экранированы и надежно заземлены. Расстояния между контактами, определяемые размером падающих капель, лежат в пределах 1,3-3 мм. Оптимальное расстояние от конца сталагмометра до контактов - 1,0-1,5 см. Эти параметры установлены экспериментально.

2.4. Монтаж прибора.

Все вышеперечисленные устройства (сталагмометр, пересчет-лый прибор и сосуды для изменения давления в системе) размещаются на рабочем столе (см. общий вид прибора рис. 2).

Сталагмометр крепится на металлической подставке и с помощью винтов (I, 2, 3) и держателя (4) устанавливается по отве-оу в строго вертикальном положении. Через трехходовой кран (5) он подсоедиляетоя к системе сообщающихся сосудов, связанных между собой согласно схеме, изображенной на рис. 1. Заполнение жидкостью сталагмометра производится через капилляр за счет разряжения, создаваемого резиновой грушей(б).

На кронштейне, свободно вращающемся в горизонтальной плоскости, на планке, перемещаемой в вертикальной плоскости с помощью винта, расположены электроды-ксгнтакты, расстояние между которыми регулируется винтами.

2.5. Подготовка прибора к работе.

Перед началом проведения опытов сталагмометр должен быть тщательно промыт хромовой смесью, затем водопройодной водой и спиртом, высушен, вертикально закреплен на штативе и подсоединен 16

к системе сообщающихся сосудов.

Счетчик импульсов включается за время, необходимое для его прогрева и оговоренное в инструкции.

Наличие тока в цепи и исправность работы пересчетного прибора проверяется замыканием электродов-контактов отверткой с рукояткой из изоляционного материала. Склянки заполняются до половины дистиллированной водой.

2.6. Порядок работы с прибором.

Капилляр сталагмометра опускается в стаканчик с исследуемым раствором, трехходовой нран (5) в этот момент закрыт, а кран (8) на сталагмометре открыт (рис 1,2). Легкими нажатиями груши жидкость аасасывается в расширенную часть сталагмометра и устанавливается так, чтобы нижняя часть мениска находилась на уровне верхней риски. При засасывании раствора необходимо следить, чтобы в момент поднятия жидкости не образовывались пузырьки и чтобы жидкость не попадала в края (8).

В зависимости от заданного времени образования новой поверхности капель опытным путем подбираются уровни жидкости в склянках (I и 2).

Электроды-контакты поворотом кронятейна подводятся под капилляр сталагмометра. Затем открывается кран (5), соединяющий сталагмометр с системой сообщающихся сосудов, и кран (8).

В момент замыкания первой каплей электродов-контактов включается секундомер и выключайся, когда жидкость пройдет лижнюю риску сталагмометра.

Число капель и ?ремя их истечения фиксируются в журнале наблюдений (сы. приложение I).

17

2»7. Методика определении динамического поверхностного

натякения

определение постоянной сталагмо

метра, количества капель исследуемого раствора, вытекающего из него, и вычисление по полученным данным    .    Так    как сте

пень сформированности адсорбционного слоя, характеризующая величину поверхностного натяжения растворов ПАВ, зависит от времени его формирования ( V ), количества молекул ПАВ, находящимися в растворе (т.е. от концентрации -£?), и температуры ( Ь* )♦ влияющей на подвижность молекул, т.е.

то постоянную сталагмометра следует определять в зависимости

от V и 6* , а <3$ин. растворов еще и от С.

Постоянная сталагмометра.

Постоянная сталагмометра А = Оо/1© определяется для всего диапазона исследуемых времен, т*е. от 0,05-0,1 сек. до 2,03,0 сек.

Величина А зависит от конструкции сталагмометра, но практически не зависит, как показали наблюдения, от температуры t* Поэтому А следует измерять только в зависимости от tT

Порядок работы тот же, что описан в параграфе 2.6.

Дистиллированная вода, температура которой равна температуре окружающего воздух^, засасывается в сталагмометр. Затем, для определения среднего времени образования капель (    %    )

при нормальном атмосферном давлении, измеряем число капель

18

О 0,2    0,4    0,6    Qfl    1,0

бремя, сем

Рио,3. Постоянная сталагмометра.

Методяка разработана кандидатами технических наук Л.Д.ВОРОНИНОЙ В.В.КУДРЯПОВЫМ и инж* М.К.ШУРИНОВОЙ

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены условия смачивания пыли при оро-мении растворам! поверхностно-активных веществ и изложена методика оценки смачиваемости пыли растворами ПАВ по предложенным показателям: динамичеокому поверхностному натяжению и прилипанию пыли к капле растворе при кратковременном контакте. Сформулированы требования к смачивателям для исполь-аованмя при ороиении и дан порядок оценки смачивателей.

В качестве примера произведена оценка смачивателя ДБ.

(4)

Полученные результаты заносим в журнал наблюдений (приложение П).

Умножением числа капель ( /X ) на величину поверхностного натяжения дистиллированной воды ( 0о ), определяемого из

/О

таблицы (приложение Ш) для данной х, воздуха, получаем искомую величину А« которую и откладываем по оси ординат, по оси абцисс откладываем среднее время образования капель (рис. Э).

Подключая сталагмометр через трехходовой кран к системе сообщающихся сосудов и тем самым изменяя давление воздуха над жидкостью в сталагмометре, определяем последовательно й для 0,1 сек, 0,2 сек и т.д. до 3,0 сек.

При этом следует учитывать, что при среднем времени 0,1 сек дискретность вытекающей воды находится на пределе, капли имеют минимальный размер, число их возрастает до 1500 и более, поэтому настройка электродов -контактов должна производиться особенно тщательно, чтобы не было ни проскока капель, ни постоянного их замыкания*

Начиная со времени 0,25-0,3 сек, и до 0,5-0,6 сек- (криволинейный участок) измерения лучше вести через 0,05 сек, стараясь получить 3-4 одинаковых результата. После 0,6 сек замеры вновь можно делать через 0,2 и даже 0,5 сек, т.к.    при

значительном увеличении времени истечения воды число капель изменяется мало (1-2 капли) и разброс данных не превосходит +1-2%.

20

Борьба о пылью в горнодобывающей и особенно в угольной промышленности является сложной научной и технической проблемой. При современных средствах механического разрушения угольного и породного массива до 40% мощности тратится на образование пылевидных фракций, которые, попадая в воздух,загрязняют его. Концентрации пыли на рабочих местах превосходят предельно допустимые значения (2-10 мг/м⁸) в сотни и даже тысячи раз. Повышенная запыленность требует применения обеспыливающих мероприятий чрезвычайно высокой эффективности (~99£).

Наиболее простым и распространенным способом борьбы о пылью является орошение, которое применяется при работе выемочных и проходческих машин при взрывных раббтах, для очистки вентиляционных потоков и на воех пунктах перегрузки угля при его транспортировке. Однако, эффективность его невелика и колеблется в широких пределах-30-8056. Для повьиения эффективности орошения, о инженерной точки зрения,весьма заманчивой является хиыреагентная обработка воды, в частности,путем введения добавок смачивателей. Введением поверхностно-активного вещества в количестве 0,I-0,5!J можно снизить запыленность воздуха более чем в 2 раэа_#не меняя при этом технологии гидрообеспыливания.

История использования смачивателей для повышения эффективности гидрообеслыливания насчитывает около 2-х десятилетий. Впервые смачиватели были применены при бурении шпуров с промывкой, которое в то время являлось основным источником образования пыли на рудниках. Подход к решению вопроса был близок к тому, который имел место при флотации. Однако, простой перенос его на орошение

и другие мокрые опособы борьбы с пылью це дал ожидаемого результата* Как оказалось, требования, предъявляемые к смачивателям для использования при бурении, отличны от требований, которые должны предъявляться к смачивателям при орошении.

Эти отличия ооусловлены»во-первых, тем, что при бурении имеет место система: жидкость (раствор смачивателя) - твердое тело (пыль и штыб), в которой отношение Ж:Т много больше I, при орошении -наоборот 1:Т I (10-30 л/т); и во-вторых тем, что при бурении время контакта жидкости с пылью больше времени формирования адсорбционного слоя на границе раздела раствор - твердая частица (пылинка), при орошении время образования и существования новой поверхности (капель) до столкновения с частицами пыли и время контакта капель с пылью весьма мало (0,1-0,2 сек ) и соизмеримо со временем образования адсорбционного слоя на границе раздела: жидкость - воздух, жидкость - твердое тело*

Этими особенностями объясняются и противоречивость данных об аффективнооти применения смачивателей при орошении, и неожиданно Вязкие ее значения*

Отмеченные условия "работы¹¹ смачивателей при орошении требуют нового методического подхода к оценке ПАВ, т.к. ни один из существующих методов (метод максимального давления пузырька, отрыва кольца, пленочной флотация, пропитки, измерения краевого утла смачива-яяя, оталогмометра и др.) не соответствует действительным условиям * Их применения, а именгз; время образования новой поверхности раздела фаз при определении смачивающей способности растворов не соответствует (много оольне) времени существования поверхности раздела прж орошения пыли дяспергяооваиной жидкостью в динамических ур-4

ловиях.

Предлагаемая ниже методика дает возможность произвести оценку ПАВ в условиях, блиэних в действительным, благодаря специально разработанному устройству для автоматического счета капель при сталагыометричесвом методе измерения динамического поверхностного натяжения и контактному прибору для оценки адгезионной способности растворов при кратковременном контакте о пылью. Она позволяет оценивать "работу" смачивателей с учетом времени формирования адсорбционного олоя на границе раздела: жидкость - воздух и жидкость - твердое тело, и может бмть использована не только для оценки растворов ПАВ при орошении* но и в тех случаях* когда работоспособность смачивателя носит кон* центрационно-временной характер*

Методика состоит из 4-х разделов: представлений о механизме улавливания и смачивания пыли при орошении; методики измерения динамического поверхностного натяжения; методики определения адгезионной способности растворов ПАВ по отношению ж тот ш динамических условиях и порядке оценки смачивателей, _

I. О МЕХАНИЗМЕ УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛЯ ПРИ 0РОШШИ ВОДАМИ РАСТВОРАМИ ПАВ

При вотречном движения пылевого потока* потока отбитого полезного ископаемого и потока диспергированной жидкости процесс пылеулавливания, в первую очередь*зависит от вероятности столкновения пылевой частицы о каплей.

На этом этапе существенную роль играют концентрация водного аэрозоля и аэродинамические явления (например*эффект обтека-

ния), которые осложняют условия соприкосновения капли с пылин-каии размером ^,5-5 ик [ I] .

Вторым этапом механизма взаимодействия пылевых частиц с каплями жидкости,по предложенной академиком П.А. Ребиндером[2] схеме, является нарушение пылинкой поверхностного слоя капли, зависящее, в первую очередь, от величины поверхностного натяжения жидкости ( <У,_а ) на границе раздела с воздухом. Затем жидкость начинает растекаться по поверхности пылинки (Ш этап), вытесняя с нее молекулы адсорбированных газов. На последнем 1У этапе происходит внедрение пылинки в каплю.

Последние три этапа, начиная с момента соприкосновения пылинки с поверхностью капли, можно рассматривать как процесс молекулярного прилипания, обусловленный явлением смачивания, т.е. поверхностным явлением, возникающим при соприкосновении трех фаз (жидкость-газ-твердое тело).

Смачиваемость В характеризуется краевым углом смачивания 0, связанным со свободными поверхностными энергиями трех поверхностей раздела, пересекающихся вдоль периметра смачивания^следующим уравнением

в= cote = ■^аи^^а -    (D

где    ;    Сf_f$i (J_aj - силы, действующие на границе раздела

фаз соответственно жидкость-газ, жидкость-твердое тело и газ -твердое тело.

Чем больше В = Cot 6    для данных веществ, тем

полнее и быстрее происходит смачивание твердой поверхности. Очевидно, что величина & будет расти с уменьшением зна-

6

менателя СТ_У2 и с увеличением числителя в уравнении (I). Смачиваемость будет тем лучше, чем больше поверхностная эньргвь твердого тела на границе с воздухом ( CJ_AJ ) и чем меньше свободная поверхностная анергия (рааность полярностей) на границе жидкость-твердое тело ( б ) f 3 J .

Для снижения 0,₂ воды, которое достаточно велико -72 эрг/см^ и для изменения поверхностной энергии на границе жидкость-твердое тело (    )    применяются    различные    поверх

ностно-активные веществе, обладающие слабыми молекулярными связями, обуславливающими юс способность положительно адсорбироваться на поверхности растворителя за довольно короткий промежуток времени. К таким веществам, получившим широкое распространение в горнодобывающей промышленности,относятся неионогенные смачиватели ДБ, ОП-7, ОП-Ю; анионактивные смачиватели алкил-сульфаты - ДС—РАС, азолят А, сульфанол; натриевые соли сульф— анафтановых кислот - контакт Петрова, азолят Б, ДС- NCL и др.

Все это - органические соединения, в молекулы которых одновременно входят полярная группа и неполярная углеводородная цепь.

Молекулы ПАВ, переходя в водный раствор, концентрируются на поверхности и ориентируются, погружаясь полярными группами в воду, а неполярными углеводородными цепями - в воздух. Это вызвано тем, что молекулы ПАВ имеют двойственную природу. С одной стороны, полярная группа вызывает сродство молекул ПАВ к полярной фазе (воде), в которой велика интенсивность действия сил молекулярного притяжения. С другой стороны, неполярная углеводородная цепь молекул, не имея почти никакого сродства с водой, имеет сродство либо с гидрофобной поверхностью твердого

7

тела, либо о газообразной фазой, в которой интенсивность молекулярных сил ничтожна.

Концентрируясь и покрывая поверхность раздела слоен,тол-циной в одну молекулу, все перечисленные выше смачивающие вещества позволяют снизить поверхностное натяжение воды в статических условиях до 30-35 эрг/сы¹ при концентрациях растворов 0,0I-0,5J6, но не вое они при этом будут обладать одинаковым пы-дасмачизашян действием .

Это может быть объяснено, с одной стороны, неодинаковой степенью сродства жидкой и твердой фазы, а о другой,тем, что применяемые в горной промышленности омачиватели, относящиеся к группе моющих оредств, имеют коллоидно-мицвллярную структуру гастворов, скорость диффузии молекул в которых незначительна, так как сопровождается сложными процессами ориентации и перегруппировки молекул в образующихся мицеллах [ 4 ] .На формирование равновеоных адсорбционных слоев таких растворов (т.е. для достижения &_tm. ) требуетоя значительное время, иногда поряди* нескольких мину* [ 5 ] .

Определение скорости перемещения фронта капель в факеле фороунок, применяемых для ором^ния пыля, показало, что время движения капель от форсунки до места образования пыли (40-60 ом) составляет 60-120. КГ⁸ сек.

Поз:эму применение ПАВ о больвим временем формирования адсорбционного слон будет неэффективным, а оценка пылесмачнвающего действия растворов ПАВ по    (f уии. оо временем образования новой

поверхности (капли, пуэырьки) 2 и 0,5 сей [5, б]не дает правильного представления о степени сформированное» адсорбционных сдо-8

ев капель распыляемой жидкости. Вто время должно быть порядка 0,1-0,15 сек [7] .

С этой точки зрения, является спорным и правомерность определения пылеулавливающей способности используемых при орошении растворов-смачивателей методами измерения краевого угла смачивания, теплоты смачивания, пленочной флотации, пропитки кернов и порошков и др. Все эти методы дают оценку растворам ПАВ в статических условиях, когда адсорбированный слой на поверхности раствора полностью сформирован.

Для выяснения динамических характеристик адсорбционных свойств смачивающих веществ, применяемых при орошении, была разработана предлагаемая ниже методика, позволяющая количественно оценить состояние адсорбированных слоев водных растворов ПАВ на границе жидкость-газ ( сГ_Л ) и на границе жидкость-твердое вещество ( <Sij ). ¹

1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯХЕНЙЯ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

2Л. Метод измерения поверхностного натяжения жидкости о помощью сталагмометра

Сформированность адсорбционного слоя ПАВ следует определять таким прибором и методом, чтобы они были близки по своему характеру и принципу действия к процессу, который изучается. Случаю смачивания каплями частиц пыли при орошении соответствует оценка сформированности адсорбционного слоя ПАВ по поверхностному натяжению, определяемому методом сталагмометра.

9