基于正交試驗的煤塵濕潤劑復配研究

胡 夫

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市渝中區，400037)

煤塵危害作為煤礦安全生產的主要危害之一，不但會減少機械設備磨損、污染井下作業環境、誘發工人塵肺病，甚至可能引發煤塵爆炸事故。近年來，煤礦多采用在防塵用水中添加濕潤劑的方法來改善煤塵親水性能，提高降塵效率。然而隨著煤礦開采量的日益加大，單一成分的濕潤劑很難滿足礦井生產防塵、降塵的實際需要，本文考察了3種常規濕潤劑的濕潤性能后，對其進行了復配優化，以期進一步提高濕潤能力，實現煤礦井下的高效除塵。

1 試驗方法

1.1 煤塵樣品

試驗中的樣品選用山西陽泉煤作為濕潤對象，煤樣經破碎、研磨，過200目標準篩篩去粗塵后作為試驗樣品，煤樣工業分析結果如下：Mad為0.68%、Aad為7.40%、Vad為7.69%、FCd為85.47%。

1.2 試驗試劑

選取了市面上常見的3種單體濕潤活性劑，選用的濕潤活性劑見表1。

表1 選用的濕潤活性劑

1.3 試驗儀器

試驗中使用的儀器有德國賽多利斯公司生產的BSA224S電子分析天平(0.01 g～220 g)、鞏義市予華儀器有限責任公司生產的HJ-2磁力攪拌器、美國科諾工業有限公司生產的科諾A201型表面張力儀(0～999.9 mN/m)。

1.4 試驗方法

將濕潤劑質量濃度設定4組，濃度分別為0.05%、0.10%、0.20%、0.30%，做三因素四水平正交對比試驗，其因素水平表見表2。

表2 濕潤劑復配的正交試驗條件因素水平

根據《礦用降塵劑性能測定方法》(MT 506-1996)中的沉降法測量煤塵沉降時間，記錄1.00 g煤塵全部浸入溶液中所需時間，即煤塵沉降時間。以試驗中煤塵沉降時間的長短判定濕潤劑濕潤性能的優劣。

2 結果與討論

2.1 復配試驗研究

依據表2中的正交試驗條件分別配置了16組復合濕潤劑，并開展了相應的沉降試驗，濕潤劑復配試驗結果見表3。

表3中K為各因素同一水平下試驗結果之和，K′為各因素試驗結果之和的均值。在同一因素條件下，K′值越小代表水平條件下煤塵的沉降時間越短。當濕潤劑A濃度為0.30%時，K′值最小為26.80；當濕潤劑B濃度為0.20%時，K′值最小為28.80；當濕潤劑C濃度為0.30%時，K′值最小為29.0。所以濕潤性能最佳的復合配比條件是A∶B∶C為0.30%∶0.20%∶0.30%。

表3 濕潤劑復配試驗結果表

同時表3中極差值R的大小代表復合濕潤劑性能影響的大小。3個因素中濕潤劑A的極差值最大，說明A是復合劑濕潤性能的主要影響因素。

2.2 濕潤性能對比

正交試驗中得到的最佳復配比例是A∶B∶C為0.30%∶0.20%∶0.30%，以此比例制備復配劑，并與相同濃度的各單體濕潤劑進行濕潤性能對比，單體濕潤劑與復配劑沉降試驗結果對比如圖1所示。

由圖1可以看出，不難發現4種濕潤劑均能明顯改善煤塵的濕潤性。隨著濕潤劑濃度的增加，煤塵沉降時間迅速減少，這表明溶液的濕潤性能快速增大，且復配劑和濕潤劑A的濕潤性能明顯好于另外兩者。

當濃度達到0.20%以后，曲線逐漸趨于平緩，沉降時間隨濕潤劑濃度的增大而減少的趨勢放緩。由此，確定復配劑適宜的使用濃度為0.20%，在此濃度條件下，相較A、B、C這3種單體濕潤劑其濕潤性能分別提升了12.10%、55.40%和52.50%。

圖1 單體濕潤劑與復配劑沉降實驗結果對比

2.3 表面張力對比

濕潤劑溶液表面張力的大小反映了溶液對煤塵濕潤能力的強弱，其表面張力越小越容易使煤塵濕潤。采用A201型表面張力儀對A、B、C及其復配劑共4種濕潤劑溶液的表面張力進行測定，濕潤劑表面張力對比結果如圖2所示。

圖2 濕潤劑表面張力對比

由圖2可以看出，水的表面張力值通常為72.80 mN/m，煤塵可潤濕的臨界表面張力值為45.00 mN/m。試驗中濕潤劑的表面張力值均明顯低于濕潤的臨界張力值45.00 mN/m，隨著濕潤劑溶液濃度的增加，表面張力值是逐漸降低的，其對煤塵的濕潤能力也在逐漸變強。當濕潤劑溶液濃度增大到0.20%左右后表面張力趨于平緩，其對煤塵濕潤能力的增加也趨于緩慢，這與濕潤劑沉降試驗結果變化趨勢一致。

復配劑表面張力較單體濕潤劑有明顯減小，濃度為0.20%的復配劑，其表面張力可降至33.20 mN/m，可見A、B、C這3種單體濕潤劑復配后對溶液表面張力的改善作用顯著，也客觀反映出復配劑性能提升的原因。

2.4 復配機理簡析

濕潤劑復配機理示意圖如圖3所示。

圖3 濕潤劑復配機理示意圖

由圖3(a)可以看出，由于濕潤劑活性分子具有親油性和親水性，進入水體后，親水活性基團朝向水中，親油活性基團則朝向空中，朝向空氣的親油基團由于極性相同而相互排斥，致使水面活性分子密集度變差，從而影響濕潤劑的濕潤能力。因此，當濕潤劑為單一組分時，隨著濃度的不斷增加，極性相同的基團濃度也相應變大，則濕潤劑分子間斥力也會增大，所以宏觀上的表現為濕潤性能增幅放緩，表面張力略有升高。

由圖3(b)可以看出，當復配體系中加入了陰離子表面活性劑(A、B)和兩性表面活性劑(C)組分后，兩者產生了較好的復合協同效應，A、B的陰離子極性基團與C的陽離子極性基團產生靜電吸引作用，各單體活性劑分子間極性基團的互斥力得以削弱，因此導致氣液界面活性劑分子間的排列方式變得更為緊密，極性基團彼此間的空隙更小，繼而使得活性劑分子親水基周邊的定向水分子數目減少，自由水分子增多，混亂度變大，從而起到提升復配劑表面活性的作用。

3 結論

采用正交試驗的方法對3種常規單體濕潤劑A、B、C進行了復配研究，研究結果表明，復配后濕潤劑性能進一步提升，其最佳復配比例是A∶B∶C為0.30%∶0.20%∶0.30%，最佳使用濃度為0.20%；當復配劑濃度為0.20%時，其表面張力達到最低，為33.20 mN/m，且表面張力變化趨勢與沉降實驗結果變化趨勢一致；選用不同離子類型的單體濕潤劑復配對提高復合濕潤劑性能具有積極作用。