鼠李糖脂潤濕煤塵表面特性研究

王林芝，郝晉輝，宋軍，周錦文，高志宏，李琪，劉慧軍，李兆森

（山西汾西礦業（集團） 有限責任公司雙柳煤礦，山西呂梁 033300）

0 引言

基于資源消耗與環境保護的雙重約束，習近平書記在關于能源革命的重要論述中指出：要堅持以人民為中心的價值取向，切實提升能源產業的多元化、生態化水平[1]。立足于我國多煤、少油、貧氣的基本國情，煤炭仍將長期占據我國能源市場的主體地位，因此如何推進煤炭開采行業清潔生產成為煤企關注的焦點[2]。

煤塵作為煤礦開采的主要污染源，對其進行高效降塵是治理井下作業環境的核心[3]，化學抑塵作為煤塵控制的重要方法之一，因其良好的降塵性能在煤塵治理領域應用廣泛[4]。王凱[5]等研究了化學表面活性劑SDBS、Triton X-100 及無機鹽對煤塵潤濕性的影響；林明磊[6]等探究了陰、非離子型表面活性劑復合對疏水煤體的協同效應；相海濤[7]等分析了AEO-9 及NP-10 化學表面活性影響無煙煤潤濕性的因素；趙璐[8]等通過對比不同類型表面活性劑潤濕低階煤的效果，篩選了適用于低階煤的抑塵劑。然而傳統抑塵劑的原料大多為石化材料制備的合成表面活性劑[9]，往往具有生物毒性和低生物降解性，不符合綠色除塵的初衷。

目前新型抑塵劑逐漸向環保、高效、無二次污染方向發展[4]。鼠李糖脂作為已工業化的經微生物發酵提取的生物類表面活性劑，具備優良的化學和生物特性，無毒無害且可生物降解，在能夠有效降低水的表面張力充當潤濕劑的同時，兼具環境修復效果[10]。本文將以表面張力、接觸角、沉降時間為評價指標，衡量鼠李糖脂對煤塵的潤濕性能，確定鼠李糖脂溶液的最佳潤濕濃度，并結合傅里葉紅外光譜試驗，分析鼠李糖脂對煤塵微觀結構特性的影響，最終通過噴霧降塵試驗計算鼠李糖脂的降塵效率，試驗結果可為生物型表面活性劑在降塵領域的應用提供參考。

1 試驗儀器及方案

1.1 煤樣及試劑

試驗所用煤樣來自雙柳煤礦，為低中灰、特低硫和高熱值的焦煤。將球磨機碾磨粉碎后得到的煤粉放入200 目的篩格進行篩分，烘干備用，所得煤樣可作為本次試驗所用樣品。試驗選用的鼠李糖脂選自上海麥克林生化科技股份有限公司，純度≥95%，將其按質量分數0.005%、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%、0.2%配置成8 種不同濃度的試劑，貼上標簽以作區別。

1.2 試驗方法

1.2.1 表面張力測定

將8 種不同質量濃度的鼠李糖脂溶液經磁力攪拌器攪拌均勻后，采用HTYZL-H 型全自動表面張力儀，按照GB6541-86《石油產品油對水界面張力測定法》[11]（圓環法） 標準進行表面張力測定，測定溫度為25 ℃，每組試劑重復測試3 次取平均。

1.2.2 接觸角測定

采用壓片機將煤粉加壓至20 MPa，保持2 min，壓制成厚度均勻的圓形薄片進行接觸角試驗。使用東莞市晟鼎精密儀器有限公司生產的SDC-350型接觸角測量儀測量不同質量濃度下鼠李糖脂溶液與煤片的接觸角，每組試劑重復測試3 次取平均，試驗流程如圖1 ～圖2 所示。

圖1 表面張力試驗Fig.1 Surface tension test

圖2 接觸角試驗Fig.2 Contact angle test

1.2.3 沉降時間測定

根據《礦用降塵劑性能測定方法》[12]（MT506-1996） 標準進行沉降時間測定，按照標準沉降測試示意圖搭建煤塵沉降時間測試裝置，儀器如圖3 所示。稱取30 mL 不同濃度的鼠李糖脂溶液至燒杯，稱取50 mg 的煤粉使其從漏斗中下落至濾紙中心，通過調節升降臺的高度，使載有溶液的燒杯與煤塵接觸，記錄濾紙與溶液開始接觸直至煤粉全部浸沒在溶液中所需的時間為煤塵沉降時間，每組試劑重復測試3 次取平均。

圖3 沉降時間測試裝置Fig.3 Settlement time test device

1.2.4 傅里葉紅外光譜試驗

試驗采用布魯克傅里葉紅外變換光譜儀（德國），通過對比鼠李糖脂溶液浸泡前后煤塵表面官能團的變化，分析影響煤塵潤濕性變化的因素如圖4 所示。采用空白KBr 片進行背景采集，以1∶100 的質量比將煤樣與KBr 均勻混合，研磨干燥后使用壓片機壓制成透明薄片，置于紅外光譜儀樣品倉進行透射測試，掃描范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數設置32 次。

圖4 紅外光譜測定Fig.4 Infrared spectrometry

1.2.5 噴霧降塵試驗

2)監測數據顯示最大位移大概位于開挖深度為8 m左右，模擬顯示最大位移出現在12 m左右，這與模擬土層的劃分情況、現場施工操作和基坑模型考慮的深度也比現場標準段深2 m左右可能都有一定關系.

自行設計搭建礦井模擬巷道進行噴霧降塵試驗，如圖5 所示。試驗過程中煤塵由粉塵發生器在0.5 m/s 風速下（《煤礦安全規程》規定，采煤工作面風速范圍為0.25～4 m/s），以一定的進給速度均勻噴入框體，經粉塵測定儀定時檢測框體內煤塵濃度，其工作原理如圖6 所示。

圖5 模擬巷道平臺搭建Fig.5 Simulation roadway platform construction

圖6 模擬巷道工作原理圖Fig.6 Simulation roadway working principle diagram

通過對比噴灑鼠李糖脂溶液前后框體內的全塵濃度、呼塵濃度，計算降塵效率，并設置清水噴灑作為對照試驗，重復測量3 次取平均。

降塵效率計算公式如下：

式中：η 為降塵效率；C1為降塵前空氣煤塵濃度；C2為降塵后空氣煤塵濃度。

2 試驗結果及分析

2.1 鼠李糖脂溶液表面性能分析

表面張力是一種液體分子間自發的，有使表面收縮趨勢的力，其值大小與溶液性質有關，表面張力越小，液體潤濕煤塵的能力越強。不同質量濃度下鼠李糖脂溶液的表面張力如圖7 所示，當鼠李糖脂濃度從0.005%增加到0.200%時，表面張力從56.70 mN/m 降低到29.14 mN/m，同比水的表面張力最大下降了60.69%（當地水的表面張力為73.74 mN/m），表明鼠李糖脂能夠有效降低水的表面張力，具有用作煤塵抑塵劑的基本性能。質量濃度達到0.04%后，鼠李糖脂溶液的表面張力值起伏變化不大。

圖7 鼠李糖脂溶液表面張力變化曲線Fig.7 Surface tension change diagram of rhamnolipid solution

2.2 鼠李糖脂溶液潤濕性能分析

2.2.1 接觸角分析

煤塵的潤濕性通常通過溶液滴落后與煤塵表面形成的夾角來進行表征，即接觸角可以反映溶液潤濕煤塵的能力。圖8 為不同質量濃度下鼠李糖脂溶液滴落煤塵表面所形成的接觸角。由圖可知，鼠李糖脂溶液在煤塵表面越舒展，則接觸角值越小，煤塵越容易被浸潤。

圖8 煤塵表面鼠李糖脂液滴示意Fig.8 Schematic diagram of rhamnolipid droplets on coal dust surface

不同質量濃度下鼠李糖脂溶液在煤塵表面的接觸角變化如圖9 所示，當鼠李糖脂濃度從0.005%增加到0.200%時，接觸角值從60.40°降低到28.29°，同比水的接觸角最大下降了56.33%（當地水的接觸角值為64.78°）。質量濃度達到0.04%后，接觸角值起伏變化不大，與表面張力的變化規律一致。

圖9 鼠李糖脂溶液接觸角變化曲線Fig.9 Contact angle diagram of rhamnolipid solution

2.2.2 沉降時間分析

根據沉降煤塵質量、煤塵完全浸沒于鼠李糖脂溶液中的沉降時間可計算得到沉降速度。不同質量濃度下煤塵在鼠李糖脂溶液中的沉降情況如圖10所示，隨著質量濃度上升，煤塵沉降時間變短，沉降速度提高，表明鼠李糖脂溶液對煤塵的潤濕能力增強。在達到0.04%～0.06%濃度后，變化逐漸趨于平緩，結合表面性能與潤濕性能分析，從經濟成本考慮，確定鼠李糖脂的最佳潤濕濃度為0.04%。

圖10 煤塵沉降情況變化Fig.10 Variation diagram of coal dust deposition

2.3 鼠李糖脂對煤官能團特性的影響

煤的化學結構是影響煤理化性質的關鍵因素，通過對比官能團種類及含量的變化，可以在微觀結構上揭示鼠李糖脂溶液對煤塵的改性機理。圖11為鼠李糖脂溶液與清水改性后煤塵的紅外光譜圖，譜圖中峰的位置及峰的強度代表不同官能團的種類及含量。由圖11 可知，鼠李糖脂溶液及清水改性后煤塵的特征吸收峰基本不變（清水改性曲線中2340 cm-1處的小峰為空氣中CO2干擾峰），但峰強發生了明顯變化。據圖11 顯示，峰強變化主要集中在3000～3600 cm-1的羥基結構特征吸收峰及1000～1800 cm-1的含氧官能團特征吸收峰。

圖11 改性煤塵紅外光譜圖Fig.11 Infrared spectrogram of modified coal dust

3412 cm-1處為分子間氫鍵O-H 的伸縮振動，鼠李糖脂溶液改性后煤塵在此處的峰強明顯強于清水，說明鼠李糖脂結構中存在的強極性羥基能夠促進煤與水分子間氫鍵的形成，從而增強水分子在煤塵表面的吸附，提高煤塵表面親水性。3041、1600 、1435 cm-1處為芳環C=C 骨架振動，對比鼠李糖脂溶液與清水改性后形成的峰強，說明鼠李糖脂的加入加劇了煤塵分子的振動頻率，1030 cm-1處則可能為煤塵中Si-O-Si 官能團或存在的醚鍵形成的吸收峰。

紅外譜圖的分析結果解釋了鼠李糖脂溶液與清水潤濕煤塵性能差異的原因。

2.4 鼠李糖脂溶液降塵性能分析

降塵效率的測定可以直觀反映溶液的抑塵效果，表1 為噴灑鼠李糖脂溶液前后與噴灑清水前后煤塵的濃度變化。

表1 降塵效率測量結果Table 1 Dust removal efficiency measurement results

表1 中，降塵前框體內的初始全塵濃度基本穩定在660 mg/m3，初始呼塵濃度穩定在399 mg/m3，噴灑鼠李糖脂溶液后，全塵濃度降低至137.84 mg/m3，呼塵濃度降低至100.07 mg/m3，全塵、呼塵降塵效率分別達到79.11%，74.93%，同比清水的全塵、呼塵降塵效率分別增長了41.5%、42.48%，抑塵效果顯著。該測定結果一定程度上可以反應鼠李糖脂溶液的現場應用效果。

3 結論

（1） 由表面性能分析、潤濕性能分析證明生物表面活性劑—鼠李糖脂具有用作煤塵抑塵劑的基本性能，且通過對比不同質量濃度下鼠李糖脂溶液的表面張力、接觸角及沉降時間，綜合成本因素，確定其最佳潤濕濃度為0.04%。

（2） 對比鼠李糖脂溶液與清水改性后煤塵的紅外譜圖，確定鼠李糖脂影響煤體微觀結構的關鍵在于分子中存在的含氧基團及羥基。

（3） 通過搭建模擬巷道進行降塵效率測定，計算得出噴灑鼠李糖脂溶液的全塵降塵效率為79.11%，呼塵降塵效率為74.93%。