成膠型抑塵劑對煤體協同增潤效應研究

劉力嫚, 陸 偉, 陳云龍

(安徽理工大學,安徽 淮南 232001)

0 引言

近年來煤炭占能源生產和消費的比重持續下降,但煤炭仍然處于我國能源的主體地位。在煤礦的生產過程中,煤礦粉塵的防控是煤炭安全生產面臨的重要問題,一方面,高濃度煤塵可能引起爆炸,威脅礦井人員的生命安全和機械設備的正常生產;另一方面,長期在高濃度粉塵環境中工作會嚴重影響職工的健康,甚至引發塵肺病[1]。據統計,我國具有煤塵爆炸危險的礦高達60%以上,2022年全國共報告職業性塵肺病7577例,占職業病病例總和的近70%[2]。因此,維持煤塵處于安全狀態對保障礦井安全生產和礦工健康具有重要意義。

減少粉塵的產生是從源頭治理粉塵的有效方式。煤層預先注水是減塵的關鍵舉措之一,也是當前較為成熟的研究方向,煤的潤濕性強弱直接影響煤層注水防塵的效果,現有研究采取添加表面活性劑的方法來增加煤的潤濕性。鄧健等[3]在煤層注水的基礎上添加潤濕劑,采用接觸角法和粉末浸透速度法選出脂肪醇聚氧乙烯醚作為潤濕劑,煤體注水含量得到有效提升,明顯降低總粉塵和呼吸性粉塵;彭亞等[4]基于煤體物化特性,測定接觸角及其自然飽和吸濕曲線,驗證了在煤層注水中添加潤濕劑后煤水接觸角減小,煤體的吸水和潤濕效果增強,全塵和呼塵平均降塵率分別提高25.42%和26.39%;Zhang等[5]通過接枝共聚和微潤濕機理對海藻酸鈉進行改性,制備用于煤層注水的強滲透性吸濕材料,可有效降低產塵率,實際應用效果顯著。以上研究成果表明,潤濕劑的加入在很大程度上增強了煤層注水的滲透效果和潤濕效果,但所選潤濕劑均為單一材料,如脂肪醇聚氧乙烯醚、海藻酸鈉等,無法疊加其優勢獲得更好的效果。

為解決上述不足,本文制備一種具有成膠性能的復合潤濕劑。對比分析不同單組分成膠材料的抑塵效果,確定潤濕和保水性能最佳的材料為實驗基本材料,通過添加其他類型材料以增強其潤濕和保水能力,最終將制備的成膠型抑塵劑注入煤層中,對其潤濕和保水能力進行測試,從根本上實現提高抑制產塵的目的。

1 材料制備與實驗過程

1.1 實驗煤樣及原材料

實驗所用煤樣來自東灘煤礦,對破碎篩選的2～5目煤塊進行清洗和烘干,完全干燥后保存于實驗室。煤的工業分析數據,見表1。所需材料有刺槐豆膠(E410)、海藻酸鈉(SA)、聚氧化乙烯(PEO)、黃原膠(XG)、葡萄糖酸內酯(GDL) 、乙二胺四乙酸二鈉鈣(CaEDTA)和十二烷基硫酸鈉(SDS),材料均來源于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

表1 煤的工業分析Tab.1 Industrial analysis on the coal 單位:%

1.2 實驗過程及方法

煤層含水率是影響煤層產塵的一個主要因素,實驗需測試抑塵材料對煤體的潤濕和保水效果,具體實驗過程,如圖1。

圖1 實驗過程圖Fig.1 Experimental flow chart

1.2.1 實驗過程

(1)單組分材料實驗過程:稱取200ml水倒入燒杯中,加入質量分數為0.1%的SDS作為表面活性劑,倒入 50g的2～5目煤塊并浸泡48h,過濾后放于50℃干燥箱中烘干,每隔2h取出,測量水分變化,獲得含水量和保水率,隨后對其進行掃描電鏡測試和比表面積及孔徑測試。在水中添加質量分數均為0.25%的其他材料,如刺槐豆膠、海藻酸鈉、聚氧化乙烯和黃原膠,重復上述實驗步驟,以對比分析這4種材料與水處理后煤的潤濕和保水的效果,并優選出效果最佳的單組分抑塵材料。

(2)多組分材料實驗過程:取A、B 2個燒杯分別加入100ml蒸餾水,稱取一定量的SA、SDS和CaEDTA倒入A燒杯,再稱取一定量的GDL倒入B燒杯,將2個燒杯中的溶液分別攪拌均勻后混合在一起繼續攪拌均勻,得到抑塵劑溶液。上一步已確定最佳單組分材料和表面活性劑及其質量分數,在此基礎上添加緩釋體系,即CaEDTA和GDL,用材料的質量表示其配比,分別為CaEDTA∶GDL=0.2∶0.2、0.25∶0.25、0.3∶0.3和0.35∶0.35,以這4種不同配比的抑塵劑溶液處理煤,過濾烘干后可獲得含水量和保水率,并與潤濕和保水效果最佳的單組分材料進行實驗結果對比,優選出成膠型抑塵劑的最佳配比。

1.2.2 實驗方法

(1)含水量測定:稱重浸泡過濾后的煤樣,通過差值計算獲得煤中的含水量M。含水量越多,代表含水率X越大,說明材料對煤體的潤濕效果越好,材料的潤濕性能越強 。

(2)保水率測定:分別稱取原煤、過濾后煤塊和干燥后煤的重量,通過差值計算獲得抑塵劑浸泡后煤中的含水量M和干燥后煤中的含水量m,通過式(1)獲得保水率R。保水率越大,保水效果越好,保水性能越強。

決定場地穩定性的因素主要為地層巖性和地質構造。巖性條件對填埋場選址至關重要，場地應盡量選在以細小顆粒為主的松散巖層或堅硬巖層基礎上，巖性適合為更新統粘土、粉質粘土以及板溪群、冷家溪群變質砂巖、板巖或致密的花崗巖，基巖風化程度最好為中風化～微風化，不宜為較粗顆粒的砂、礫石以及壺天群、棋子橋組等溶洞發育的灰巖區，以保證場地基礎及邊坡的穩定性；選址應選擇在無活動斷裂、充水斷裂、地震活動的地區，活動斷裂會造成地面不均勻沉降，威脅場地基礎穩定性，充水斷裂會大大增加地下水滲透性，增加場地基礎建設難度。

R=m/M

(1)

(3)黏度測試:選用NDJ-8S型旋轉黏度計對抑塵劑溶液進行測試,測量溫度為25℃左右。

(4)掃描電鏡測試:使用Hitachi Regulus 8100型掃描電子顯微鏡拍攝樣品形貌測試,放大倍數選擇1000和3000倍。

(5)比表面積及孔徑測試:采用BSD-PS4型自動比表面及孔隙度分析儀對樣品進行低溫液氮等溫吸附實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 不同單組分材料抑塵效果

為確定抑塵材料處理煤的烘干時間,實驗中以水作為抑塵劑的烘干標準時間。首先,對水處理煤進行含水量測試,每1h測一次,得到水處理煤完全干燥的時間,即此時水處理煤的含水量和保水率均為0,以此時間作為對其他抑塵材料處理煤的烘干時間,抑塵材料處理后的煤經過此時間烘干得到的含水量和保水率,即可得到該材料潤濕和保水能力。選取4種單組分抑塵材料,根據實驗步驟配制質量分數為0.25%的溶液,測試其黏度,并進行含水量和保水率測試。實驗結果,見表2,如圖2-3。

表2 4種單組分材料的黏度Tab.2 The viscosity of four single-component materials 單位:mPa·S

圖2 水處理煤中含水量隨烘干時間的變化Fig.2 The change of the water content in the water treated coal with the drying time

圖3 4種單組分材料的含水量和保水率Fig.3 The water content and water retention rate of four single-component materials

由圖2可知,經過水潤濕48h的煤隨著煤中水分的逐步流失,10h后含水量幾乎為0,說明此時煤中水分全部蒸發,失去保水能力。

由圖3可知,經SA處理后的煤體含水量最高,說明SA對煤體的潤濕能力最強;在烘干10h的條件下,SA處理煤的含水量和保水率較高,說明其潤濕和保水性能較好。這可能是因為SA分子中含有大量的羥基和羧基,具有良好的親水性,SA形成網格結構可以捕獲和保留水分子,表現出優異的吸濕性和保水性,同時,SA分子量較小,能夠進入煤的孔隙中,促進其潤濕和保水性能的增強,從而提高材料的抑塵性能。

2.2 成膠型抑塵劑的抑塵效果

SA具有良好的成膠性和保水性,而研究考慮進一步增強抑塵劑的潤濕和保水性能,則從增大材料黏性入手,且不影響抑塵劑進入煤體內部發揮成膠和保水效果,在SA的基礎上添加緩釋體系(GDL和CaEDTA)得到成膠型抑塵劑,該抑塵劑能隨著時間緩慢成膠。其作用機理為:SA等材料分別進入煤的孔隙,GDL緩慢釋放H+,H+分解CaEDTA釋放出Ca2+[6]。SA 2個相鄰古羅糖醛酸(G單元)的羧基連接的鈉離子和Ca2+發生置換反應后,會形成凝膠網絡結構填充煤的孔隙,同時,材料中含有大量的羧基和羥基等官能團,根據有機物的性質,此類官能團具有良好的親水性,使材料與環境中的水分相結合,保障抑塵劑良好的保水性[7],即提高煤體的保水和抑塵效果。

對不同配比的成膠型抑塵劑進行含水量和保水率測試,實驗結果,如圖4。

圖4 不同配比的成膠型抑塵劑的含水量和保水率Fig.4 The water content and water retention rate of different proportions of the colloidal dust inhibitor

由圖4可知,相比于單組分SA,添加緩釋體系后的材料能夠很好地促使SA成膠。隨著緩釋體系占比的增大,不同配比材料的含水量相差不大,即潤濕能力都較好。而保水率逐漸增大,當配比為0.3∶0.3時到達最大,隨后下降。這可能是由于材料可以逐漸進入煤的內部孔隙中,并在其內部成膠,由于材料中含有大量的羧基和羥基,具有良好的親水性,增大抑塵劑的保水率,但是當緩釋劑量比例增大后,成膠反應加速,導致材料在未完全進入煤孔隙內部便已經成膠,使成膠效果無法作用于煤體內部空隙,成膠范圍和程度降低,從而造成保水率下降,即保水能力降低[8]。根據不同配比抑塵劑的不同效果,確定成膠型抑塵劑的最佳組分及配比。

用水、SA和成膠型抑塵劑對煤樣進行處理,處理后煤含水量隨烘干時間的變化,如圖5。

圖5 不同材料處理煤含水量隨烘干時間變化Fig.5 The change of the water content of the coal treated with different materials with the drying time

由圖5可知,3種抑塵劑處理后煤中的含水量存在差異,成膠型抑塵劑處理煤的含水量比SA多2倍以上,比水處理后煤的含水量多了近4倍,說明成膠型抑塵劑對煤體的潤濕能力很強,具有良好的潤濕性能。單獨以水作為抑塵劑,煤中含水量隨烘干時間快速下降,這說明在沒有膠層保護的條件下,水分快速蒸發,達不到很好的保水和抑塵效果;以0.25%SA作為抑塵劑,煤的保水時間是水處理煤的2倍以上;而成膠型抑塵劑處理后的煤,保水時間是水處理煤的3倍以上,且在烘干的初始階段失水較為緩慢,這說明成膠型抑塵劑能有效延長水分流失的時間,具有良好的保水性能。成膠型抑塵劑良好的潤濕和保水性能共同作用,保證了生產過程中煤體不易產塵。

3 結構表征與分析

3.1 掃描電鏡分析

對原煤、0.25%SA和成膠型抑塵劑分別處理后的煤進行掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)測試,觀察不同抑塵劑的抑塵效果,實驗結果,如圖6。

圖6 SEM圖像 Fig.6 SEM image

由圖6(a)可以看出,原煤表面光滑,邊緣較薄,容易再次開裂產塵;由圖6(b)可以看出,SA處理后的煤表面明顯變粗糙,這說明SA能夠粘附在煤表面,降低煤中水分流失;由圖6(c)可以看出,SA中加入緩釋體系后,生成的網格型抑塵劑在煤表面的粘附更加明顯,且有明顯團聚現象,這說明該抑塵劑形成的網狀結構能夠將更多的煤粘附在一起,增強抑塵劑對煤體的膠粘作用,從而提高抑塵劑對煤體的潤濕和保水效果。

3.2 比表面積和孔徑分析

煤是一種具有較大比表面積和孔隙結構的混合物[9],內比表面積遠大于外表面,如果材料能進入煤的孔隙并在煤的內表面成膠,則可以更好地改善和增強對煤的潤濕和保水效果。利用BET計算方法對注入抑塵劑前后的煤比表面積及孔徑進行計算,結果,見表3。

表3 成膠型抑塵劑處理前后煤的比表面積和孔隙結構數據Tab.3 The structure data of the specific surface area and pore of the coal before and after treatment with the colloidal dust inhibitor

由表3可以發現,與原煤相比,成膠型抑塵劑處理后的煤,比表面積減小約2/3,孔體積減小約1/2,平均孔徑增大1/3以上,這說明成膠型抑塵劑具有良好的滲透性和流動性,能夠滲入煤體內部孔隙中,且在煤的孔隙內表面反應成膠,進而增加對煤體的潤濕和保水效果。

圖7為原煤及成膠型抑塵劑處理后的煤的孔徑分布和累計孔體積曲線,孔徑分布圖即總孔體積隨孔徑的變化率,為總孔體積對孔徑作圖后,再對D求導得到,所以為dV/dD,縱坐標V表示孔體積,一定意義上相當于吸附量,橫坐標D代表孔徑。從圖7中可以發現,原煤及成膠型抑塵劑處理后的煤的總孔體積都呈現上升趨勢,其中,原煤在中孔2～9nm范圍內較為集聚,尤以4nm的微孔數量最多,遠高于成膠型抑塵劑處理后的煤在該孔徑的數量。成膠型抑塵劑處理后的煤孔徑向大尺寸轉化,孔徑越大,孔體積越大,孔的比表面積及孔體積就越小。因此成膠型抑塵劑處理后的煤樣在煤破碎過程中產生呼吸性粉塵的數量會遠低于原煤。

圖7 原煤及成膠型抑塵劑處理煤的孔徑(解吸)分布曲線Fig.7 The pore diameter (desorption) distribution curve of the coal treated with the raw coal and colloidal dust inhibitor

4 結論

提出一種煤層開采前抑塵的方法,并研制一種成膠型抑塵劑,從宏觀和微觀的角度對抑塵劑的保水性能進行實驗,得出以下結論:

(1)成膠型抑塵劑的主要構成為海藻酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉鈣、葡萄糖酸內酯和十二烷基硫酸鈉,質量分數分別為0.25%、0.15%、0.15%和0.1%。成膠型抑塵劑處理后的煤含水量比SA多了2倍以上,比水處理的煤含水量多了近4倍,保水時間是水處理后煤的3倍以上,提高對整個煤體的膠粘效果,從而增強可抑塵劑對煤體的潤濕能力和保水能力,實現從源頭上高效降塵。

(2)微觀分析顯示,成膠型抑塵劑中的組分可以緩慢進入煤的孔隙中,實現對煤體從內到外進行有效的包裹、粘結和潤濕,提高抑塵劑的潤濕性能,同時,材料中的官能團不僅與煤體中的羧基和羥基形成氫鍵,又能與環境中的水分相結合,保障抑塵劑良好的保水性能。