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声空化效应驱动的煤油超声乳化技术及其多维度性能研究

一、引言：超声乳化技术革新煤油应用的研究背景

在煤炭资源开发利用中，煤炭浮选作为提升煤炭质量、实现高效清洁利用的关键环节，对于降低煤炭灰分、提高精煤产率、减少环境污染具有重要意义。煤油作为煤泥浮选最常用的捕收剂，在煤炭分选过程中发挥着关键作用，其能够增强煤粒表面的疏水性，促进煤粒与气泡的附着，从而实现煤与矸石的有效分离。然而，传统煤油在实际应用中存在诸多局限性。一方面，其在煤浆中分散性较差，难以均匀地与煤泥颗粒接触，导致大量煤油未能充分发挥作用，不仅造成了资源的浪费，还增加了后续煤泥水的处理难度和成本；另一方面，传统煤油的选择性欠佳，在浮选过程中容易将一些高灰分的杂质一同捕收，从而影响精煤的质量和产率。此外，随着煤炭开采深度的增加和开采技术的发展，原煤中高灰煤泥的含量不断上升，对浮选药剂的性能提出了更高的要求，传统煤油已难以满足当前煤炭浮选的实际需求。

在燃料领域，煤油作为一种重要的能源，广泛应用于航空、工业加热等领域。但在实际使用中，由于其燃烧效率有限，会导致能源的浪费和污染物的排放增加。提高煤油的燃烧效率，降低污染物排放，对于实现能源的高效利用和环境保护具有重要的现实意义。

超声乳化技术作为一种新兴的材料制备和改性技术，近年来在众多领域得到了广泛的关注和研究。该技术利用超声波的高频振动和空化效应，能够将液体分散成微小的液滴，形成均匀稳定的乳液。在煤油的处理中，超声乳化技术展现出了独特的优势。当超声波作用于煤油时，会在液体中产生一系列疏密相间的纵波，这些纵波传播过程中会引发声空化现象。每个空化气泡犹如一个“热点”，在气泡中心会瞬间产生接近5000K的高温和超过50Mpa的高压，虽然持续时间很短，但随后“热点”迅速冷却，并伴有强烈的冲击波和速度高于100m/s的微射流。这些冲击波和微射流在界面之间形成了强烈的机械搅拌效应，为乳化过程中的界面反应提供了理想的环境，使煤油能够被分散为纳米级液滴，极大地增加了其比表面积，显著改善了煤油的物理化学性能。

本文聚焦煤油的超声乳化，从其核心机制、制备工艺的优化、性能的全面提升以及在实际应用中的效果评估等多个方面展开深入系统的研究，旨在为超声乳化技术在煤油相关领域的工程化推广提供坚实的理论依据和实践指导，推动煤炭浮选和燃料利用等行业的技术进步和可持续发展。

二、煤油超声乳化的核心原理与作用机制

（一）超声乳化的物理化学基础

超声波作为一种频率高于20kHz的机械波，在液体介质中传播时会引发一系列独特的物理现象，其中声空化现象是超声乳化的关键基础。当超声波在液体中传播时，会形成一系列疏密相间的纵波，导致液体内部的压力产生周期性变化。在负压阶段，液体中的微小气泡会迅速膨胀；而在正压阶段，气泡则会急剧收缩甚至溃灭。这种气泡的迅速溃灭瞬间会产生局部高温，温度可高达约5000K，同时伴随超过50MPa的高压以及强烈的冲击波。

在煤油超声乳化过程中，这些极端的物理条件发挥着至关重要的作用。强烈的冲击波和速度高达100-300m/s的微射流，会对煤油液滴产生强大的冲击力和剪切力。在这种强大外力的作用下，较大的煤油液滴被迅速击碎，从而实现煤油与水相的纳米级分散，形成的乳液平均粒径通常在0.2-2μm之间。这一过程无需使用大量乳化剂，甚至在某些情况下可以完全不用乳化剂，就能形成稳定的水包油（O/W）型乳液。其原理在于，超声空化作用促使煤油液滴高度分散，极大地增加了油-水界面面积，降低了体系的界面自由能，从而使得乳液体系在热力学上更加稳定。这种稳定的乳液体系显著提升了煤油在极性介质（如水）中的分散均匀性，为其在后续应用中的高效利用奠定了坚实基础。

（二）声空化对煤油界面性质的改性作用

声空化不仅实现了煤油的纳米级分散，还对煤油的界面性质产生了显著的改性作用，这一改性作用对于煤油在实际应用中的性能提升具有关键意义。通过使用Setaram微量热仪与DCAT21接触角测定仪等先进设备进行精确测量和分析，研究发现超声乳化后的煤油在多个界面性质参数上发生了明显变化。

在润湿热方面，超声乳化使煤油与煤泥之间的润湿热提升了15%-20%。润湿热的增加表明煤油与煤泥之间的相互作用增强，这有利于煤油更好地浸润煤泥表面，为后续浮选过程中煤粒与气泡的有效附着创造了更有利的条件。从煤粒接触角的变化来看，煤粒的接触角从65°±2°增大至78°±3°。接触角的增大意味着煤粒表面的疏水性增强，使得煤粒更容易在气泡的浮力作用下脱离水相，实现与矸石的分离，从而提高浮选效率和精煤产率。

此外，气液界面张力也发生了显著改变，由原本的28.5mN/m降至22.3mN/m。较低的气液界面张力使得气泡更容易在煤浆中分散和稳定存在