CN112067852A - 一种评价表面活性剂抑尘效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种评价表面活性剂抑尘效果的方法，该方法通过原子力显微镜实验，得到不同浓度表面活性剂溶液对煤表面电势分布规律的影响，该方法包括：步骤1，制备煤样和配制表面活性剂溶液，取原煤后在磨抛机上研磨至原子力显微镜实验要求的尺寸和光滑程度，表面起伏不超过1μm。选择十二烷基苯环酸钠表面活性剂；步骤2，选择开尔文原子力显微镜模式，得到不同浓度表面活性剂溶液浸泡下的煤表面电势的分布信息；步骤3，通过NanoScope Analysis软件得到不同处理条件下的煤表面电势分布图；步骤4，对煤表面电势分布图进行数据处理，利用MATLAB软件通过不同的程序提取表面电势分布图上分布信息，得到煤表面电势面积占比分布图；步骤5，通过表面活性剂溶液对煤表面电势分布的影响规律，得到评价表面活性剂抑尘效果的方法。该发明为评价表面活性剂溶液的抑尘效果提供了一种可行方法，在防止煤尘***等井下灾害事故中有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于表面活性剂抑尘效果评定的技术领域，涉及一种通过测量不同浓度表面活性剂溶液处理条件下的煤微观表面电势分布的变化规律，尤其涉及通过原子力显微镜测定纳米尺度下的煤微观表面电势分布的方法。
技术背景
煤尘是煤矿生产过程中不可避免的产物，具有***和尘肺病危害，是煤矿的五大灾害之一。因此，煤尘防治一直是煤矿行业的研究热点。近年来，表面活性剂在煤尘治理过程中得到了广泛的应用，研究表明表面活性剂能有效提高煤尘治理效率，国内外学者们通过测定表面活性剂在使用过程中的接触角和表面张力等参数来评价表面活性剂的抑尘效果。然而，研究表明表面活性剂同时会对煤表面电势产生影响，因此煤表面电势分布的变化规律能够有效的评价表面活性剂的抑尘效果。本发明主要是从表面活性剂溶液的抑尘效果出发，提出了一种通过测定不同处理条件下的煤表面电势分布变化规律来评价表面活性剂的抑尘效果，丰富了目前评价表面活性剂抑尘效果的方法。
发明内容
为了丰富评价表面活性剂抑尘效果的方法，本发明提出了一种通过测定不同处理条件下的煤微观表面电势分布变化规律来评价表面活性剂抑尘效果的方法，应用原子力显微镜技术测量纳米尺度下的煤表面电势分布的信息，并通过NanoScope Analysis软件得到煤表面电势分布图，得到煤表面电势变化规律，本发明适用于评价表面活性剂的抑尘效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种评价表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于：本方法基于原子力显微镜技术的开尔文原子力显微镜模块，得到不同处理条件下的煤表面电势的分布规律，包括如下步骤：
步骤1、制备符合原子力显微镜实验的煤样，配制不同浓度的表面活性剂溶液，将煤样分为五组，干燥煤样，蒸馏水浸泡煤样和三种不同浓度表面活性剂溶液浸泡煤样；
步骤2、选择原子力显微镜的开尔文原子力显微镜模式，测定不同处理条件下的煤表面电势分布的信息；
步骤3、通过NanoScope Analysis软件，通过Flatten命令对煤表面电势分布图进行二阶处理，得到不同处理条件下的煤表面电势的分布图；
步骤4、基于步骤3中得到的表面电势分布图，通过MATLAB软件，利用不同的程序得到表面电势不同区间的表面电势占总的表面电势的比例，绘制煤表面电势面积占比分布图；
步骤5、得到不同处理条件下的煤表面电势的分布规律，通过煤表面电势的分布规律，以此来得到评价表面活性剂抑尘效果的方法。
本发明所述的评价表面活性剂抑尘效果的方法与传统的表征方法相比，从纳米尺度上测定了表面活性剂对煤表面电势分布规律的影响，利用不同处理条件下的煤表面电势分布来评价表面活性剂的抑尘效果对于丰富评定表面活性剂抑尘效果的方法具体有现实的意义。
作为本发明的一种技术方案，所述步骤1中煤样制备和表面活性剂溶液配制包括：煤样切割、煤样研磨和表面活性剂溶液配制，得到原子力显微镜实验所需要的不同处理条件下的煤样。
作为本发明的一种技术方案，所述步骤2中原子力显微镜实验方法包括：
选择原子力显微镜的开尔文原子力显微镜模式，其中实验采用本文原子力显微镜实验采用Silicon Tip on Silicon Nitride Cantilever探针，其悬臂弹性系数k＝0.8N/m，共振频率f0＝300kHz。
在原子力显微镜实验过程中，实验设置扫描范围为5*5μm，频率为256Hz，图像分辨率打点设置为256*256个，抬举高度为93.95nm(默认高度)，实验选取轻敲模式，测试过程中在样品上施加了2000mV的电压。
作为本发明的一种技术方案，所述步骤3中的得到煤表面电势的分布图的方法包括：
选中NanoScope Analysis软件的Potential命令，显示煤表面电势分布图，继续选择Flatten命令，进行拉平处理，拉平进行到2nd，纠正扫描管造成的大范围扫描曲面，选择Journal Quality Export命令，导出不同处理条件下的煤表面电势分布图。
作为本发明的一种技术方案，所述步骤4中通过MATLAB软件，利用不同的程序得到表面电势不同区间的表面电势占总的表面电势的比例，绘制煤表面电势面积占比分布图的方法包括：
启动MATLAB软件，执行新建文件夹命令，建立文件夹，将不同处理条件下的煤表面电势分布图和执行任务保存在同一路径下，导入计算表面电势不同区间的表面电势占总的表面电势的比例的程序，执行运行命令，得到计算结果，将计算结果导入origin软件，得到煤表面电势面积占比分布直方图。
为了更加直观的观察煤表面电势分布和表面活性剂的抑尘效果之间的关系，对煤表面电势面积占比分布直方图进行多元线性回归拟合。
作为本发明的一种技术方案，所述步骤5中得到不同处理条件下的煤表面电势的分布规律方法包括：
为了更直观观察不同处理条件下的煤表面电势分布的变化规律，将不同处理条件下的煤表面电势面积占比分布直方图绘制到同一张图中，得到新的不同处理条件下的煤表面电势面积占比分布直方图。
附图说明
图1为本发明的评价表面活性剂抑尘效果的方法的流程图
图2为本发明的原子力显微镜实验需煤样图
图3为本发明的原子力显微镜实验工作原理图
图4为本发明的煤表面电势分布图
图5为本发明的不同处理条件下的煤表面电势分布图
图6为本发明的煤表面电势面积占比分布直方图
具体实施方式
为使本发明的上述的和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出基于赵庄煤的评价表面活性剂抑尘效果的方法，并配合图示，做详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的评价表面活性剂抑尘效果的方法的流程图。
在步骤1中，原子力显微镜实验所需的样品制备方法及实验如下：
依据《煤层煤样采取方法》(GB/T 482-2008)进行采样，并将新采集的样品按一定要求包装。然后通过切割机将原煤切割至接近原子力显微镜实验所需的大小，然后在磨抛机上进行研磨，砂纸使用顺序为200目、400目、800目和2000目，转速为150，研磨2cm×2cm×1cm正方体，基于煤易碎性质将煤样进行塑封，如图2所示。
煤样在磨抛过程中会产生煤尘，因此在样品制备过程中会对砂纸进行不断润湿，因此样品制备完成后利用马弗炉真空干燥箱对煤样进行干燥，出去煤样中的水分，干燥时间为8小时。
表面活性剂溶液的配制遵循等差原则，选用十二烷基苯环酸钠表面活性剂，为粉末状，称量过程使用电子天平，精确到小数点后面三位，溶液配制过程使用蒸馏水。将表面活性剂最终配制为0.1％、0.2％、0.3％三个浓度梯度。
实验总共分为五组，分别为干燥煤样、蒸馏水浸泡煤样和不同浓度表面活性剂溶液浸泡煤样。将干燥完成的煤样分别浸泡在蒸馏水中和不同浓度表面活性剂溶液中，吸收完全后取出，使用吸水纸将煤样表面水分吸收后进行原子力显微镜实验。
在步骤2中，基于步骤1中的煤样进行原子力显微镜实验。
本实验采用德国Bruker公司生产的DimensionIcon型原子力显微镜，其主要由探针、控制***、显示***、光电探测器和反馈控制***等组成，其工作示意图如图3所示。
本文原子力显微镜实验采用Silicon Tip on Silicon Nitride Cantilever探针，其悬臂弹性系数k＝0.8N/m，共振频率f0＝300kHz。实验设置扫描范围为5*5μm，频率为256Hz，图像分辨率打点设置为256*256个，抬举高度为93.95nm(默认高度)，实验选取轻敲模式，测试过程中在样品上施加了2000mV的电压。
实验在实验室稳定的大气环境下进行，每组煤样取三个不同的点进行原子力显微镜实验，取平均值。
在步骤3中，通过NanoScope Analysis软件得到不通过处理条件下的煤表面电势分布图。
选中NanoScope Analysis软件的Potential命令，显示煤表面电势分布图，继续选择Flatten命令，进行拉平处理，拉平进行到2nd，纠正扫描管造成的大范围扫描曲面，选择Journal Quality Export命令，导出不同处理条件下的煤表面电势分布图，如图4。
在步骤4中，通过MATLAB软件，利用不同的程序得到表面电势不同区间的表面电势占总的表面电势的比例，绘制煤表面电势面积占比分布图。
启动MATLAB软件，执行新建文件夹命令，建立文件夹，将不同处理条件下的煤表面电势分布图和执行任务保存在同一路径下，导入计算表面电势不同区间的表面电势占总的表面电势的比例的程序，执行运行命令，得到计算结果，将计算结果导入origin软件，得到煤表面电势面积占比分布直方图。
不同处理条件下的煤样表面电势分布图对应不同的处理程序。
其余程序按照表面电势区间改变程序，在命令行窗口中得到五组数据，将数据转换成百分比导入origin软件中，绘制煤表面电势面积占比分布直方图，为了更加直观的观察煤表面电势分布和表面活性剂的抑尘效果之间的关系，对煤表面电势面积占比分布直方图进行多元线性回归拟合，如图5所示。
在步骤5中，得到不同处理条件下的煤表面电势的分布规律。
为了更直观观察不同处理条件下的煤表面电势分布的变化规律，将不同处理条件下的煤表面电势面积占比分布直方图绘制到同一张图中，得到新的不同处理条件下的煤表面电势面积占比分布直方图，如图6所示。
煤样表面电势分布主要集中在表面电势绝对值小于10mv的区域内，占实验选取煤表面面积的85％左右。随着SDBS溶液浓度的增加，绝对值小于10mv的区域内煤样表面电势的面积占比在减小，但仍然是表面电势分布的主要区域。而在表面电势绝对值大于10mv的区域内，随着SDBS溶液浓度的增加，煤样表面电势的面积占比在增加。
煤尘粒子在破碎过程中互相摩擦，表面会得到或者失去电子，煤尘表面带正电荷或者负电荷。带电煤尘朝着电势高的区域运动聚集，且随着SDBS溶液浓度的增加，表面电势绝对值大的区域的面积增加，煤表面电势极值点增多，可以减少扬尘。
通过原子力显微镜实验测定表面活性剂溶液处理下的煤表面电势值能够评价表面活性的抑尘效果。
Claims (6)
1.一种评价表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于，评价表面活性剂抑尘果的方法包括：
步骤1，制备煤样和配制表面活性剂溶液，取原煤后在磨抛机上研磨至原子力显微镜实验要求的尺寸和光滑程度，表面起伏不超过1μm。选择十二烷基苯环酸钠表面活性剂溶液，浓度分别为0.1％、0.2％、0.3％。
步骤2，选择原子力显微镜的开尔文原子力显微镜模式，得到不同浓度表面活性剂溶液浸泡下煤表面电势的分布信息，设置一组干燥煤样和一组蒸馏水浸泡过的煤样作为对照。
步骤3，通过NanoScope Analysis软件得到不同处理条件下的煤表面电势分布图。
步骤4，对煤表面电势分布图进行数据处理，利用MATLAB软件通过不同的程序提取表面电势分布图上分布信息，得到煤表面电势面积占比分布图。
步骤5，通过表面活性剂溶液对煤表面电势分布的影响规律，得到表面活性剂溶液的抑尘效果。
2.根据权利要求1所述的表征表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于，在步骤1中通过磨抛机将现取的原煤研磨至原子力显微镜实验所需的尺寸和表面粗糙度。配制表面活性剂溶液，根据等比原则，将溶液浓度梯度划分为0.1％、0.2％、0.3％三个浓度梯度。
3.根据权利要求1所述的表征表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于，在步骤2中基于步骤1中得到的煤样，分为五组，分别为不同处理条件，干燥煤样、蒸馏水浸泡煤样和三种不同浓度表面活性剂溶液浸泡煤样，选取原子力显微镜的开尔文原子力显微镜模式，得到不同处理条件下的煤表面电势的分布信息。
4.根据权利要求1所述的表征表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于，在步骤3中根据步骤2中完成的原子力显微镜实验，通过NanoScope Analysis软件得到不同处理条件下的煤表面电势分布图。
5.根据权利要求1所述的表征表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于，在步骤4中基于步骤3中得到的煤表面电势分布图，通过MATLAB软件利用不同的程序提取得到表面电势不同区间电势占总的表面电势的比例，绘制煤表面电势面积占比分布图。
6.根据权利要求1所述的表征表面活性剂抑尘效果的方法，其特征在于，在步骤5中根据步骤4中得到的不同处理条件下的煤表面电势面积占比分布图，得到不同浓度表面活性剂溶液对煤表面电势分布规律的影响，从而得到表面活性剂溶液的抑尘效果。
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| 周磊: "应用化学添加剂抑制褐煤扬尘和增强电除尘脱除细颗粒物的研究", 中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑, vol. 2020, no. 3, 15 March 2020 (2020-03-15), pages 41 - 50 * |
| 李晓刚: "耐蚀低合金结构钢", 30 September 2018, 冶金工业出版社, pages: 45 - 47 * |
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