淺析影響煤巖潤濕性的因素

李慶會，游 藝，歐陽云麗，柯文麗，楊林江

（長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

煤的潤濕性是煤的一項很重要的物理化學性質參數,它不僅在煤化工中應用,而且在煤礦開采及安全中亦有重要作用,例如在煤層預注水防塵中，煤潤濕性的大小在很大程度上影響著其注水效果；煤的水潤濕性研究對提高防降塵效果有重要意義；油團聚法和浮選法等也都是以煤的潤濕性為依據的選煤工藝。

由已有的結論說明，煤粉在溶液中的潤濕性能首先和溶液中氣體-液體表面張力有關，其次也和溶液中煤粉的固體一液體界面張力，溶液中煤粉的固體-液體界面張力的大小有關，還和煤粉的疏水性等性質有關系，由此總結出影響煤巖潤濕性的因素主要有界面間的相互作用，煤的表面結構，溶液的pH值及添加劑濃度等以下三個方面。

1 界面間的相互作用

潤濕現象是一種界面行為,潤濕性的改變是通過改變相接觸的液固界面性質來實現的。具體方法是：在煤的懸浮液中加入一些譬如表面活性劑和絮凝劑這樣的添加劑,這些添加劑在界面上有吸附作用,這種作用可導致溶液的界面性質以及固體的表面性質改變,進而引起煤表面潤濕性的改變。

首先，由于表面活性劑分子所帶的電荷不同,其產生的吸附作用也有區別，進而表面活性劑分子與煤粒表面之間的作用也不一樣。其次,由于表面活性劑的濃度不同，其造成的煤表面的潤濕性也不同。有機液體能從煤表面取代水的效率和水相-有機液體之間、煤-水之間、煤-有機液體之間的互相作用有密切關系。在固定的界面張力作用下,有機物對煤的潤濕性隨著煤階的增加而增加。而對于一特定的煤階,界面張力的增加會使其潤濕程度降低,這顯示出水-有機液體的相互作用對有機液體對煤表面的潤濕性強的影響。

2 煤的表面結構

2.1 煤的炭化程度和風化程度

2.2 煤階

煤的表面是一種非均勻的相結構,無機物和有機物在其中通過很繁雜的方式聚集在一起,它們通過這種方式來影響煤的潤濕性。煤中的有機成分是由不一樣極性的官能團的芳香單元組成,易潤濕于油。煤的潤濕性和煤階密切相關，首先是褐煤階段,因為褐煤的表面極性官能團相對多些,所以其潤濕與水的性能較好,接觸角較小。其次在煤階的增高后,其表面極性官能團逐漸在減少,潤濕性便隨著下降。之后到了煙煤階段,煙煤的芳香環開始變多,煙煤的疏水性也跟著變強。

2.3 含氧量及含氧官能團

接觸角值是煤表面各表面位上性質的宏觀平均，碳氧比則反映了這種表面性質的平衡度量。隨著碳氧比的增加，煤的臨界界面張力也增加，此時界面也易被一些極性較低的有機液體所潤濕。煤表面的一些包括酚、醚等在內的含氧官能團一般情況下分布在煤的表面，它們容易形成氫鍵而親水。

煤的氧化導致酚、羧基與醚鍵官能團的產生，而這些含氧官能團在煤中是最重要的。煤中不同C-O基團中氧對碳的影響是不同的，比如羧基（O-C=O）、羥基（-OH）中的氧僅僅與一個C原子相連，因此僅僅影響這一個碳原子，而醚鍵（-O-）中的氧則與2個C原子相連，因此一個醚鍵中的氧會影響到2個碳原子。由此可以得到一個結論:對煤表面潤濕性影響最大的是羧基的含量，比如褐煤表面的化學性質就是是由羧基官能團控制的。羥基對潤濕性的影響僅次于羧基。而對于醚基，從其化學結構上看出，它們對潤濕性的影響甚微。因此，煤的含氧官能團和含氧量的不同會導致它們的表面潤濕性亦不同。

2.4 其他因素

PS（X射線光電子能譜分析）中現實的有機含氧基團的數值反映了碳和氧元素的含量對疏水性的影響；氫元素不但與羥基的含量有關，而且還與芳香氫、脂肪氫的含量有關。芳香度與芳香氫的含量有直接關系；灰分的影響又從無機氧的多少中反映了出來。從已有的數據得出，不同煤巖的組分中性質差別較大的有：灰分的含量、內在水分的含量、羥基和氫元素。這其中煤巖表面的親水性是由水分和灰分的大小直接反映出來的。

3 溶液的pH值及添加劑濃度

煤表面的潤濕性隨水溶液的pH值變化而變化。當溶液中有多種物種存在時，Gibbs吸附等溫式的一般式寫成：

式中：Γi為物種i的活度；μi是物種i的化學勢。

設溶液中除了表面活性劑R－Na＋外,還有NaCl,將Gibbs公式用于固液界面可得：

若NaCl濃度足夠大，以至溶液pH變化時不影響NaCl的活度，則加上水的離平衡條件：所以：

此式指出，固-液界面張力γSL是pH的函數，結合Young方程可知，接觸角θ也是pH的函數。在表面活性劑濃度為零的條件下dμR-=0，dγLV=0，dγSV=0，所以：

當 pH 值在等電點時，σs=0，此時 dcosθ/d（pH）=0，θ-pH曲線達到最大值。

煤表面的潤濕性隨加入的添加劑的濃度和水溶液的pH值的改變而變化，而煤表面上酚羥基和羧基的電離行為以及煤表面的電勢均受到溶液pH改變的影響。電勢ξ～pH曲線類似于pH滴定曲線（見圖1）。

大多數曲線顯示了pH值在 10和pH在3～5范圍內的影響。第一部分相應于酚羥基的電離,在該pH值附近,接觸角隨pH的變化（見圖2）。

4 結論

煤表面的潤濕是一復雜過程，影響煤巖潤濕性的因素主要有三個方面：煤巖的表面結構特征（煤階、含氧量及含氧官能團、炭化及風化程度等）、溶液的pH值及添加劑濃度、界面間的相互作用。其中煤的表面結構特征是影響潤濕的內部因素,而表面活性物質的初始濃度、水煤系統的pH等則對煤表面的潤濕性有明顯的影響,但該影響又明顯煤的表面性質有很強的依賴性。

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