多因素影響的煤塵潤濕性機理研究*

王 凱,徐 敏,楊孟嬌,周 彪,李雨航

(1.中國礦業大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室,北京 100083;2.中國礦業大學(北京) 應急管理與安全工程學院,北京 100083)

0 引言

煤炭資源在我國國民工業生產中占據著重要的戰略地位[1-2]。隨著我國的國民經濟發展,火力發電行業、建材行業和冶金行業對于煤炭的需求也日益增加[3]。據預測,至2040年我國的煤炭消費量將仍然是全球最大的國家,占到世界煤炭總消費量的39%[4-5]。井下漂浮的大量煤塵會污染井下的作業環境,同時大量的煤塵聚集在一起,在一定的條件下還會導致煤塵爆炸事故的發生[6-8]。

自然界的潤濕現象是指原本的氣-固界面被液-固界面取締的過程[9-10]。對于煤塵而言,在潤濕過程有黏濕、浸濕和鋪展3種方式,潤濕程度也是依次遞增[11]。為提高抑塵劑的除塵效率,許多研究人員通過將各種表面活性劑進行復配或者添加無機鹽等增效劑進行抑塵溶液的研發。研究表明[12]:加入電解質會加速表面活性劑在溶液中形成膠束。因為電解質會減少溶液中的電荷,減輕離子性親水基團之間的排斥力。表面活性劑是由親水基和疏水基組成的物質,通過增加煤塵表面親水位點、降低溶液的表面張力來增強煤塵的潤濕性和團聚性[13]。陰離子和非離子表面活性劑對改善煤塵潤濕性能的效果較好,在復配時通常選用陰離子和非離子表面活性劑的組合[12,14-16]。

為進一步完善煤塵潤濕機理,不少學者針對煤的物化性質進行研究[17-20]。從粒徑出發對煤塵潤濕性進行研究,發現煤塵的分形維數與接觸角成正線性關系,即煤塵的粒徑與其潤濕性呈正相關關系,粒度分形維數與其潤濕性成負相關關系。Yang等[21]發現煤塵的孔隙結構的發達程度和其潤濕性成負相關。粒徑較小的煤塵的開放性孔的數量會增多導致煤塵的比表面積增大,在煤塵表面形成氣膜,且自身重力較輕,易受到流場力的作用,不利于潤濕行為的發生。潤濕煤塵的機理是一個復雜的多因素過程,涉及到煤塵顆粒表面性質、潤濕劑的物化特性、環境條件等多個因素。目前潤濕機理的研究仍存在著許多的不足,研究多數集中在單一因素的研究上,對于這些因素之間的相互作用和影響關系還存在一定的不足。

本文通過理論分析和實驗相結合的方法,對煤塵的抑塵機理進行全新的探究。首先,從煤塵自身的性質出發,著眼于潤濕性能的改善,研發具有良好潤濕性能的新型無機鹽復合溶液。通過對溶液的實驗研究,擴充已有的關于無機鹽協同單一表面活性劑對煤塵潤濕性的影響規律,并對無機鹽與陰離子-非離子表面活性劑共同作用對煤塵潤濕性的影響機理進行總結,深入分析無機鹽和表面活性劑之間的相互作用,揭示它們在潤濕過程中的協同作用機制,對于理解煤塵的潤濕行為具有重要意義。

1 實驗樣品及潤濕性能分析實驗

1.1 實驗煤樣的制備

本文所選用的煤樣采自內蒙古新街臺格廟礦區,其煤層賦存條件較好,屬低瓦斯、低硫、低灰煤層,煤種以不粘煤為主。將煤樣進行剝離、破碎、研磨,通過不同孔徑的篩子進行篩分,得到實驗煤樣。

1.2 接觸角測量實驗

采用壓片的方式進行制樣,將從破碎完成后的煤樣在研缽內進行研磨,使其顆粒分布均勻,通過臺式壓片機在壓力為20 MPa的壓力下將臺格廟煤塵制成厚度約為1 mm,直徑約為1 cm的圓柱體形狀的煤片,最后利用光學液滴形態分析測量儀,測定蒸餾水與煤塵的接觸角。

1.3 表面張力實驗

液體的表面張力是液體分子間分子力的表現形式,是評估溶液潤濕性能的指標。表面活性劑能夠降低溶液的表面張力,是因為它們親水基團和疏水基團的共同作用,親水基團負責吸引分子進入水溶液,而疏水基團負責阻止分子從水中溶解并離開水相。在這2種基團的共同作用下,水表面形成一層非極性碳氫鏈,導致水的表面張力降低。

1.4 沉降實驗

煤塵的沉降實驗可以直觀地評估其潤濕性能的優劣[22]。本文使用的煤塵沉降實驗裝置如圖1所示。使用電子天平稱量50 mg的煤塵樣品,并緩慢倒入漏斗中,使其在濾紙表面形成煤堆。將濾紙置于金屬環底部,并調節升降平臺,使煤粉與溶液接觸。此時,濾紙迅速吸收液體,與煤樣分離,煤塵緩慢浸潤到溶液中,完成沉降過程。煤塵的沉降速度如式(1)所示:

圖1 煤塵沉降實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of coal dust settlement experimental device

V=δ/t

(1)

式中:V為煤塵的沉降速度,mg/s;δ為煤塵的沉降量,mg;t為煤塵的沉降時間,s。

1.5 溶液的選擇及配制

選取2種陰離子表面活性劑:十二烷基硫酸鈉(SDS)和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS);2種非離子表面活性劑:聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)和APG 06;分別按照0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.3%和0.5%的質量分數進行溶液配制。選取無機鹽Na2SO4、NaCl、K2SO4和CaCl2分別配制成濃度為0,0.3,0.6,0.9 mol/L的溶液,將其與選出的陰-非離子復合表面活性劑溶液0.05%SDBS+0.3%Triton X-100(4∶1)按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1比例進行混合。

2 無機鹽復合溶液潤濕性能測試及規律分析

2.1 表面活性劑溶液的優選分析

如表1所示為不同類型不同質量分數的表面活性劑的沉降速率,可以看出4種表面活性劑溶液都可以增強煤塵的潤濕性能。其中,非離子表面活性劑Triton X-100潤濕效果最明顯,陰離子表面活性劑SDBS次之,非離子表面活性APG 06潤濕效果相對最差。為更好地反映出煤塵樣沉降速率的變化,將上表中的數據進行繪圖,如圖2所示。

表1 煤塵樣在不同溶液中沉降速率Table 1 Settlement rates of coal dust samples in different solutions

圖2 煤塵在不同溶液中沉降速率變化趨勢Fig.2 Variation trend of settlement rate of coal dust samples in different solutions

由圖2可知,SDBS溶液與煤塵樣的沉降速率在質量分數為0.05%左右時,變化趨勢開始趨于平緩;SDS溶液在0.1%左右變化趨勢開始趨于平緩;Triton X-100溶液在0.3%左右變化趨勢開始趨于平緩;APG 06溶液在0.1%左右變化趨勢開始趨于平緩。隨著溶液質量分數的增加,煤塵中分子數增加,形成穩定膠束,減小表面張力,加快煤塵潤濕速率。其中,SDBS和Triton X-100 2種表面活性劑溶液的潤濕性能相對較好。

潤濕性能較強的復配方案為質量分數為0.05%SDBS與質量分數為0.3%Triton X-100,按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的比例進行兩兩復配,同時利用表面張力和接觸角進行方案優選,數據如表2所示。

表2 不同比例下溶液的接觸角及表面張力Table 2 Contact angle and surface tension of solutions with different proportions

由表2可知,當陰離子表面活性劑SDBS與非離子表面活性劑X-100的比例為4∶1時其接觸角數值與表面張力數值達到最低值。接觸角的最低值達到25.95°,遠遠低于質量分數為0.05%時的SDBS的接觸角43.89°,也低于質量分數為0.3%時的Triton X-100的接觸角32.84°。這表明比例為4∶1時的0.05% SDBS與0.3%Triton X-100復配組合對煤塵的潤濕性能的改善起到很好的協同作用。

2.2 無機鹽溶液的優選分析

將濃度分別為0,0.3,0.6,0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4和CaCl2溶液,分別與上一節優選出的復合表面活性劑溶液0.05%SDBS+0.3%Triton X-100(4∶1)按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1比例進行均勻混合,優選出潤濕性能更好的無機鹽溶液。如圖3(a)～圖3(d)所示,0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl和K2SO4復合溶液的最小接觸角數值分別為21.54°、22.80°、24.84°,均小于陰-非離子復合表面活性劑溶液的最小接觸角25.95°。但CaCl2復合溶液的最小接觸角為41.33°。說明CaCl2鹽溶液不能和表面活性劑起到協同潤濕作用。在濃度為0.9 mol/L,復合比例為4∶1的條件下,Na2SO4復合溶液降低接觸角的能力最強,NaCl復合溶液次之,K2SO4復合溶液的降低接觸角作用不明顯。

圖3 不同復合比例下溶液的接觸角變化Fig.3 Change in contact angle of solutions under different composite proportions

如圖4(a)～圖4(d)所示,不同無機鹽復合溶液的表面張力變化趨勢圖。其中,Na2SO4溶液降低的最為顯著,且隨著濃度的增加,表面張力數值逐漸減小。當陰-非離子復合表面活性劑溶液與Na2SO4、NaCl、K2SO4無機鹽溶液的比例為4∶1時,無機鹽復合溶液的表面張力值最小,分別為26.10,28.20,28.72 mN/m。這些數值都小于陰-非離子復合表面活性劑溶液的最低表面張力值29.06 mN/m。因此,向復配溶液中添加Na2SO4、NaCl、K2SO4溶液可以降低溶液的表面張力,增強潤濕性能。

圖4 不同復合比例下溶液的表面張力變化Fig.4 Change in surface tension of solutions under different composite proportions

為了更好地體現出無機鹽與表面活性劑復合溶液的協同作用,通過測試煤塵樣在4種無機鹽溶液的沉降速率來進行驗證。實驗結果顯示,當陰-非離子復合表面活性劑溶液與無機鹽溶液的配比為9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5時的沉降速率會發生明顯的沉降現象,其數據繪制如圖5(a)～圖5(d)所示。由圖5可知,無機鹽溶液的加入對沉降速率的影響都比較明顯,其中Na2SO4溶液作用最明顯。當復合配比在8∶2時,其沉降的速率達到最大值,且當加入的無機鹽溶液濃度為0.9 mol/L時,沉降速率明顯加快。0.9 mol/L的Na2SO4的潤濕效果最佳,并與表面活性劑復合溶液的配比為4∶1時潤濕性能最好,因此將此比例作為復配的最佳濃度配比。

圖5 不同復合比例下溶液的沉降速率變化Fig.5 Change in settlement rate of solution under different composite proportions

2.3 多因素協同作用下的煤塵潤濕性規律分析

為確定無機鹽復合溶液中對煤塵潤濕性起主導作用的表面活性劑,在質量分數為0.05%SDBS溶液和質量分數為0.3%的Triton X-100中依次按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的復合比例加入0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4無機鹽溶液,并進行接觸角、表面張力及沉降速率實驗。首先,在0.05%的SDBS溶液中,按照4∶1、2∶3、3∶2、4∶1的復合比例依次加入0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4無機鹽溶液,并測試它們的接觸角和表面張力,結果如圖6所示。

圖6 SDBS與不同無機鹽溶液的接觸角和表面張力Fig.6 Contact angles and surface tension between SDBS and different inorganic salt solutions

如圖6(a)～圖6(b)所示,Na2SO4的潤濕效果最好。在4∶1的比例下,Na2SO4與表面活性劑單體的潤濕效果最佳,接觸角為33.06°。無機鹽溶液的加入大大增強潤濕性能,Na2SO4與陰-非離子表面活性復合溶液的最低接觸角為21.54°。NaCl、K2SO4的實驗結果與Na2SO4溶液一致,表明在無機鹽復合溶液中,無機鹽離子與表面活性劑之間存在協同作用。通過比較接觸角和表面張力曲線,發現Na2SO4表現出最佳潤濕性能。Na2SO4與陰-非離子表面活性劑復合溶液的最低表面張力值為26.10 mN/m,低于Na2SO4與SDBS復合溶液和SDBS單體的最低表面張力值。按照上述操作在0.3%的TritonX-100中依次按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的復合比例加入0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4無機鹽溶液,同時測試其接觸角及表面張力的數值,將得到的結果進行整理,如圖7所示。

圖7 Triton X-100與不同無機鹽溶液的接觸角和表面張力Fig.7 Contact angles and surface tension of Triton X-100 with different inorganic salt solutions

如圖7(a)～圖7(b)所示,Na2SO4復合溶液降低接觸角的能力最強,其次是NaCl復合溶液。在4∶1比例下,無機鹽與表面活性劑單體的潤濕性能效果最佳。Na2SO4、NaCl、K2SO4與Triton X-100復合溶液的最小接觸角分別為28.84°、30.65°和31.15°,低于Triton X-100的臨界膠束濃度對應的接觸角32.84°。說明無機鹽的加入增強表面活性劑溶液的潤濕性能。同樣對比分析NaCl、K2SO4無機鹽在不同溶液中的最小表面張力的數值,均是表面活性劑單體的表面張力值最大,無機鹽與單體的復合溶液的次之,無機鹽與陰-非離子表面活性復合溶液的最小,這意味著無機鹽溶液的加入在一定程度上增強非離子表面活性劑的潤濕性能,兩者之間存在相互協同潤濕的作用。

2.4 多因素作用下的煤塵潤濕機理分析

實驗發現Na2SO4,NaCl,K2SO4溶液能增強潤濕性能,因為煤中的高嶺土具有親水性[12]。硫酸鹽陰離子的加入可以緩解高嶺土的毛細管潤濕作用,增加煤體表面的親水位點。煤具有正負表面位點的混合,陰離子吸附在這些位點上能增強煤的親水性。根據雙層理論,煤表面形成帶負電荷的反離子層和擴散層。陰離子有時會不理想地吸附在帶正電荷的煤晶格點上,將其轉變為非潤濕狀態。加入含多價陰離子的試劑可以避免表面活性劑的離子交換反應[23]。無機鹽陰離子的加入不僅恢復親水位點,還使表面活性劑以適當方向吸附在疏水位點上,轉變為親水狀態。同時,無機鹽陰離子的加入還減小與表面活性劑陰離子頭基團之間的斥力,增強溶液的潤濕。無機鹽協同陰-非離子表面活性劑吸附到煤塵表面的潤濕規律如圖8所示。

圖8 無機鹽復合溶液在煤塵表面的吸附潤濕機理Fig.8 Adsorption wetting mechanism of inorganic salt composite solution on coal dust surface

無機鹽的加入對非離子表面活性劑的潤濕性能涉及到鹽析作用和鹽溶作用。在鹽溶作用中,無機鹽使得溶液中的無機鹽離子與非離子表面活性劑的疏水端發生增溶作用,導致疏水作用減弱,疏水基在溶液中逃逸到水相的同時,在液-氣界面的吸附量也減少,使得表面張力增大。而在鹽析作用中,無機鹽使得溶液中的無機鹽離子與非離子表面活性劑的疏水端發生析出作用,導致疏水作用增強,更多的表面活性劑分子逃逸到水相后向液-氣界面聚集,導致溶液的表面張力降低。無機鹽的添加可以減輕高嶺土對毛細管潤濕的影響,同時抵消陰離子表面活性劑對潤濕性的不利影響。此外,還能增加煤體表面的親水性位點及陰離子表面活性劑的吸附密度。在陰-非離子表面活性劑的復合過程中,以分散方式共同吸附在煤塵表面。隨著陰離子表面活性劑的吸附量增加,復合在煤塵表面的非離子表面活性劑數量也增加,從而增強煤塵表面的親水性。

3 結論

1)通過表面活性劑單體潤濕性能測試,優選出0.05%SDBS和0.3%Triton X-100作為陰-非表面活性劑復配單體,且比例在4∶1時的濕潤性能均優于濃度配比方案,接觸角為25.95°,溶液的表面張力為29.06 mN/m,煤塵在溶液中的沉降速率為11.820 33 mg/s。

2)在陰-非離子表面活性劑復配溶液中加入合適的無機鹽能有效增強溶液的潤濕性能,(SDBS+Triton X-100)+Na2SO4的濕潤性能最好,當SDBS、Triton X-100、Na2SO4的濃度分別為0.05%、0.3%、0.9 mol/L,SDBS+Triton X-100和(SDBS+Triton X-100)+Na2SO4比例均為4∶1時其潤濕性最佳。

3)通過對比分析Na2SO4與陰離子表面活性劑SDBS和Triton X-100不同組合制備溶液的潤濕性能,發現無機鹽對陰離子表面活性劑的增效作用更為顯著,說明,無機鹽與陰離子-非離子復合表面活性劑的協同作用主要包括無機鹽陰離子的加入恢復高嶺土的吸附能力并增加煤表面的親水性位點。