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3種不同變質煤樣經濕法超細粉碎后煤顆粒表面張力變化(二)
來源:中國粉體技術 瀏覽 801 次 發布時間:2026-01-28
2.2潤濕性分析
3種煤樣超細粉碎后的接觸角變化見圖1、2。可以看出,變質程度高的太西煤的接觸角在100°左右波動,明顯大于神木不粘煤和淮南氣煤的接觸角(在75°左右變化)。還可以看出,濕法超細粉碎后3種變質程度煤樣的接觸角的變化規律相似,在短時間的濕法超細粉碎后,接觸角變大,疏水性增強,隨著超細粉碎時間的延長,接觸角減小。總體來看,神木煤與淮南煤在濕法超細粉碎后的接觸角大于超細粉碎前的,說明對于低階煤,在濕法超細粉碎后,煤顆粒表面的疏水性在一定程度上有所增強,潤濕性減弱;太西煤在濕法粉磨30、45min后的接觸角小于超細粉碎前的,由此可得,對于高階煤,長時間進行濕法超細磨礦會劣化煤顆粒表面的疏水性。
圖1超細粉碎后接觸角的測量圖(使用Delta-8表面張力儀測得)
圖2超細粉碎后接觸角的變化(使用Delta-8表面張力儀測得)
3超細煤粉界面物理、化學量的計算
3.1煤顆粒的表面張力
朱定一等通過設計一種在有限液-固界面上的潤濕性表征體系,推導出在無限液-固界面系統中固相表面張力和液-固界面張力的計算方法,并且通過潤濕角實驗和計算,證實了在接觸角較大時,該理論對固相表面張力的一致性。圖3所示為液相在無限固體平面上的潤濕表征系統。其中γsl、γlg、γsg分別表示固-液、液-氣、固-氣3個界面上的表面張力,O為氣-液-固三相接觸點,θ1為氣-液界面的切線與固-液界面的夾角,即接觸角。當達到平衡時,作用于潤濕周邊的3個表面張力在水平方向的分力必為0,此時的平衡狀態方程,即Young方程為
圖3無限液-固界面的表面張力分布
γsg=γsl+γlgcosθ1,0°≤θ1≤180°(1)
圖4所示為有限液-固界面的潤濕表征體系。其中θ2為平衡狀態下液滴能保持的最大接觸角,此時,以O點為中心,液滴在水平和垂直方向上的張力合力為0,因此在水平方向有
圖4有限液-固界面的表面張力分布
γsl=-γlgcosθ2,90°≤θ2≤180°(2)
在垂直方向有
γsg=γlgsinθ2,90°<θ2≤180°(3)
將式(3)代入Young方程中有
γsl=γlg(sinθ2-cosθ1),90°≤θ2≤180°,0°≤θ1≤180°(4)
由于sinθ2=√(1-cos2θ2),cosθ2=-γsl/γlg,因此,將式(5)代入式(4)中解析后得
γsl=(γlg/2)(√(1+sin2θ1)-cosθ1),0°≤θ1≤180°(6)
將式(6)代入Young方程中有
γsg=(γlg/2)(√(1+sin2θ1)+cosθ1),0°<θ1≤180°(7)
式(6)、(7)即為在無限界面體系中液-固界面與固體表面的表面張力計算式。這種方法計算得到的表面張力是未加任何假設條件的理論解。由式(6)、(7)可得,通過實驗測量接觸角θ(如圖3、4中的θ1、θ2)與液相的表面張力即可求得液-固界面與固體表面的表面張力。計算結果見圖5,其中γlg=72.75 mJ/m2。由圖可知,與太西煤相比,神木煤和淮南煤有較大的表面張力,隨著變質程度的增加,煤顆粒的表面張力減小。超細粉碎后的γsg與接觸角呈負相關,γsl與接觸角呈正相關。3種煤樣的表面張力、煤-水界面張力與接觸角的關系見圖6。隨著水在煤表面的接觸角的增加,煤顆粒的表面張力減小,煤-水界面張力增大,潤濕性劣化。煤粉表面張力越小,煤粉-水界面的表面張力越大,在與氣泡接近過程中,更易于排開表面的水分子,與氣泡接觸。
圖5超細粉碎后煤顆粒表面張力與煤顆粒-水表面張力的變化
圖6煤粉表面張力與接觸角的關系
3.2煤顆粒-水體系的粘附功
液相從固相表面分離所需的單位面積功即為粘附功Wsl。根據Dupre方程
γsl=γsg+γlg-Wsl(8)
將式(6)、(7)代入式(8),可得在無限界面液-固體系中的煤顆粒與水的粘附功表達式:
Wsl=γlg(1+cosθ1),0°≤θ1≤180°(9)
將接觸角θ與γlg代入式(9)可得煤顆粒與水的粘附功,結果見圖7。由圖可知,隨著超細粉碎時間的延長,煤-水體系的粘附功的變化趨勢與接觸角的變化趨勢相反。3種煤樣的接觸角與粘附功的關系見圖8。由圖可知,隨著接觸角的增大,煤-水界面的粘附功減小,說明粘附功越小,煤顆粒的潤濕性越差。粘附功也可作為衡量煤顆粒潤濕性的指標。
圖7超細粉碎后煤顆粒-水體系粘附功的變化
圖8粘附功與接觸角的關系
4結論
1)神木不粘煤與淮南氣煤2種低階煤在濕法超細粉碎后疏水性增強,隨著超細粉碎時間的延長,疏水性先增強,然后有所減弱;太西無煙煤在長時間濕法超細粉碎后疏水性減弱,甚至弱于超細粉碎前的。
2)隨著變質程度的增加,煤顆粒的表面張力減小;隨著煤顆粒粒度的減小,不同變質程度煤樣的表面張力與接觸角呈負相關,煤-水界面張力與接觸角呈正相關;接觸角增大,煤顆粒表面張力減小,煤-水界面張力增大。
3)超細粉碎后,煤-水體系的粘附功的變化趨勢與接觸角的變化趨勢相反。接觸角越大,煤-水體系的粘附功越小,煤顆粒的潤濕性越差;粘附功也可作為衡量潤濕性的標準。





