潤濕劑對低階弱黏煤表面改性的研究

韓 超，劉傳犇，于繼圖，侯彬彬

(1.陜西正通煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2，山東科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590；3，山東博選礦物資源技術(shù)開發(fā)有限公司，山東 濟寧 272000)

作為一個富煤、貧油、少氣的國家，我國的能源結(jié)構(gòu)長期以來都是以煤炭為主。但由于我國煤炭產(chǎn)銷的地域差別，形成了西煤東運、南煤北運的情況[1-3]。我國煤炭經(jīng)過洗選后的出廠產(chǎn)品一般都殘留6.5%～14%的水分，并且大部分水以自由水的形態(tài)附著在煤炭的表面[4]。因此選煤產(chǎn)品在運輸過程中失水虧噸也是造成煤炭購銷量差商務(wù)糾紛的重要因素之一。煤炭的失水情況與煤的表面性質(zhì)息息相關(guān)，因此，使用潤濕劑對煤炭表面進行改性，改變其表面疏水性，使其在運輸過程中能夠保留住水分，即可避免商務(wù)糾紛。在煤炭運輸過程中的助劑大多以表面活性劑為主，其目的主要是解決煤炭運輸過程中粉塵污染、冬季防凍和失水虧噸的問題。如陳景序等[5]以羧甲基纖維素鈉為黏結(jié)劑、保水劑，以十二烷基磺酸鈉為表面活性劑，研制出了新型藥劑，取得了良好的應(yīng)用效果；劉鳳月等[6]將采用接枝改性淀粉制得的表面活性劑應(yīng)用于運煤列車表層后，明顯減少了運煤損失，避免了環(huán)境污染。

陜西正通煤業(yè)有限公司的選煤產(chǎn)品在鐵路運輸過程中由于失水虧噸，損失了6%左右的水分，造成了嚴重的商務(wù)糾紛及經(jīng)濟損失。文章通過使用潤濕劑對出廠選煤產(chǎn)品進行表面改性，旨在提高煤表面的親水性，減少煤的外在水分的流失，以避免其在運輸過程中的失水虧噸問題。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料有：陜西正通煤業(yè)有限公司最終出廠的洗選產(chǎn)品，該煤樣干基揮發(fā)分(Vdaf)為27.90%，焦渣特征為弱黏性，判定為弱黏煤；潤濕劑，由陜西正通煤業(yè)有限公司提供；泰勒標準篩；PVC管，內(nèi)徑160 mm，高度50 cm；計時器；電子天平；烘箱。

1.2 試驗過程

在泰勒標準篩上放置兩個PVC管，將正通煤業(yè)提供的選煤產(chǎn)品放入105 ℃烘箱進行干燥處理，向烘干后的煤中加入其質(zhì)量15%的水，待其充分吸水后放入1#PVC管中；取同樣質(zhì)量的煤和水，向水中加入潤濕劑配成3‰的溶液，待其充分吸水后放入2#PVC管中，用小盆接取滲漏下來的水，并間隔一段時間稱取盆中水的質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與表征方法

2.1 改性效果

通過模擬煤炭運輸過程中水分的滲漏情況進行試驗，得到選煤產(chǎn)品水分流失情況(表1) 。

表1 選煤產(chǎn)品水分流失情況

由表1可知，經(jīng)過潤濕劑的改性，選煤產(chǎn)品水分流失情況得到了有效的改善，24 h后僅損失了0.20%的水分，很好地解決了選煤產(chǎn)品的水分流失問題。

2.2 紅外光譜分析[7-8]

改性前后的煤樣和潤濕劑均采用KBr壓片法分析。稱取改性前后的空氣干燥基分析煤樣和潤濕劑粉末三種試樣各5 mg，分別與200 mgKBr放入瑪瑙研缽中研磨至0.074 mm左右，再放入壓片機中壓成薄片，隨后置于紅外光譜的測試室內(nèi)的樣品架上進行測定。采用Thermo Fisher Scientific Nicolet iS5 FT-IR光譜儀進行測定。儀器的測試條件為：光譜范圍為400～4 000 cm-1,分辨率為4.000 cm-1,動鏡速度為0.474 7 cm/s，掃描次數(shù)為32次，使用空白的KBr壓片作為背景進行掃描，用來消除背景對光譜質(zhì)量的影響。

采用紅外光譜儀對三種樣品進行測定，得到的紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 紅外光譜圖

由圖1(b)和圖1(c)可知，煤樣和潤濕劑經(jīng)過改性后，紅外光譜圖中波數(shù)為2 920 cm-1處出現(xiàn)的峰的吸收強度增強，這是由于藥劑吸附在煤的表面增加了—CH2、—CH3等基團的含量，從而導(dǎo)致該處的透過率減少。

2.3 拉曼光譜分析[9-13]

HORIBA Lab RAM HR800光譜儀對改性前后的煤樣以及潤濕劑進行測定，得到拉曼光譜圖(圖2)。

圖2 拉曼光譜圖

通過對比圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn)，光譜的強度減小，而在2 610 cm-1和2 831 cm-1兩處的峰強度降低，并且峰型變的平緩。總體來說，改性前后的拉曼光譜變化不大。

2.4 XPS分析[12, 14-17]

為了解改性前后元素發(fā)生的變化，采用Thermo Scientific ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀對改性前后的煤樣分別進行測定，得到煤樣XPS分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 煤樣XPS分析結(jié)果

由圖3可知：經(jīng)過XPS測定分析得出，改性前煤樣的C原子含量為83.35%，O原子含量為13.83%，N原子含量為1.38%；改性后煤樣的C原子含量為82.36%，O原子含量為14.18%，N原子含量為1.5%。從檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面活性劑的改性，煤的氧碳比增加，N原子的含量也有所增加。這是因為通過改性引入了羥基、羧基、酰胺等基團，正是這些基團的作用提高了煤的潤濕性，使煤變得親水。

2.5 接觸角分析[18-20]

稱取改性前后的煤樣各0.3 g，放入壓片機中，在25 MPa壓力下保持15 min壓制成薄片。采用Kruss DSA30光學(xué)接觸角測量儀進行接觸角的測定，得到改性前后煤樣接觸角，如圖4、圖5所示。

由圖4可知，對于改性之前的煤，在滴加去離子水后的初始接觸角為56.9°。在0～10 s這一時間段內(nèi)，接觸角緩慢減小至52.3°，并且10 s之后接觸角保持不變。

由圖5可知，當(dāng)水剛與煤樣接觸時的接觸角為41.2°，比未改性時的最終接觸角還要小。說明該潤濕劑對煤進行改性后的確能夠增加煤的親水性。隨著煤與水接觸時間的增加，能夠發(fā)現(xiàn)煤表面的水逐漸被煤吸收而不是像未改性時以水滴的形式附著在煤的表面。據(jù)測定，在40 s左右時，煤表面的水被完全吸收，并且煤片因吸水發(fā)生彎曲變形。

通過圖4和圖5的比較，能夠清楚直觀地觀察到經(jīng)過潤濕劑的表面改性后，煤表面的親水性大大增強，達到了改性試驗的目的。

圖4 改性前煤樣接觸角

圖5 改性后煤樣接觸角

結(jié)合其他表征方法可以得出，該潤濕劑能夠有效改善此煤樣的親水性，從而避免在鐵路運輸過程中發(fā)生失水虧噸現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)在改性過程中，潤濕劑中的疏水基團與煤的表面吸附結(jié)合，潤濕劑中的親水基團代替了煤表面的疏水部分與水進行接觸，有效掩蔽了煤表面的疏水區(qū)域，提高了煤的親水性，降低了煤的接觸角。

(2)通過潤濕劑的改性作用，潤濕劑在掩蔽疏水區(qū)域時，還在煤的表面引入了羥基等親水官能團，該類官能團使煤在與水接觸時以弱氫鍵結(jié)合，保留住更多的水分，同時提高了煤的氧碳比，因此能夠?qū)崿F(xiàn)使選煤產(chǎn)品增加親水性的目的。

(3)試驗證明，通過潤濕劑對選煤產(chǎn)品進行改性處理，可使其親水性大大加強，能夠解決選煤產(chǎn)品在運輸過程中的失水虧噸問題。