高效型煙煤抑塵劑復配研究

韓宗琪，葛少成，孫麗英，張小偉，陳 曦，荊德吉，康健婷

(1.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西省太原市，030024;2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧省阜新市，123000)

煤炭生產的各個階段都伴隨著煤塵的產生。煤塵會引起煤塵爆炸事故、降低機械使用壽命，并對礦工的健康造成不可逆的危害[1-3]。為了預防煤塵的安全隱患，可采取的除塵措施有煤層注水、通風除塵及采煤工作面噴霧降塵等[4]。傳統噴霧降塵中水霧對煤分子的潤濕效果差，呼吸性粉塵由于粒徑小更不易被噴霧液滴吸附和潤濕，因此，利用抑塵劑噴霧除塵成為主要解決手段[5-8]。

國內外學者對于利用抑塵劑噴霧除塵進行了很多研究，如用SDS、OP-10、Tween-80、快滲T等進行單一表面活性劑除塵實驗或添加無機鹽以及用不同種類表面活性劑復配的實驗[9-12]。雖然關于抑塵劑的研究已經從單一表面活性劑轉向多種類表面活性劑以及無機鹽的復配，但在實際應用時，靜態潤濕實驗結果與動態噴霧降塵實驗結果相差較大。基于此，筆者提出一種高效型煙煤抑塵劑的優選方法。實驗全部采用可生物降解型表面活性劑，并對該表面活性劑進行接觸角、表面張力、浸潤時間3個性能的測定，優選出表面活性劑單體進行復配。通過對復配抑塵劑3個表征參數的分析對比，得出潤濕性最佳的煙煤抑塵劑，并對復配抑塵劑進行噴霧粒徑測定以判斷霧化效果。

1 實驗方法研究

1.1 實驗材料

本實驗所用煤樣為山西省晉中市鑫鼎泰煤礦煙煤，針對煙煤與無煙煤和褐煤不同的表面特性，選擇抑塵劑配料。將球磨機研磨過的煤樣過篩200目，取過篩后的煤粉烘干保存備用。根據前人研究經驗，煙煤分子中的負電勢部位較易被潤濕，但陽離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑的加入會與煙煤分子的負電勢部位結合，從而降低其潤濕效果。因此采取陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑進行優選復配實驗[13]。

本實驗選擇了10種可生物降解表面活性劑，如表1所示。

表1 生物降解型表面活性劑

1.2 實驗方法

1.2.1 沉降時間測定法

根據《降塵劑性能測定方法》，用鐵環將盛有50 mg煤粉的定性濾紙放在抑塵劑溶液表面。濾紙與表面活性劑溶液接觸時開始計時，直至煤粉全部完成沉降。所得時間即為該抑塵劑的浸潤時間。若超過5 h仍未完成沉降，則判斷其為潤濕效果差。

1.2.2 接觸角測定

將干燥過篩的煤粉用壓片機壓至20 MPa并保持3 min，制成薄厚均勻的薄片。使用型號為SDC-350P的接觸角測量儀對質量濃度為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的表面活性劑進行接觸角的測定。測量方法為量角法，即將固體表面的液滴投影到屏幕上，測量切線與相界面的夾角。

1.2.3 表面張力測定

對質量濃度為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.10%、0.30%、0.50%、0.70%、0.90%的優選單體SAS-60及AEO-7運用懸滴法進行表面張力測定，測定過程中實時記錄表面張力值以選取臨界點表面張力。

2 研究結果及分析

2.1 單體優選實驗

2.1.1 浸潤時間

各表面活性劑的浸潤時間如表2所示。

表2 不同質量濃度的各表面活性劑溶液的浸潤時間 s

由表2可知，10種表面活性劑中浸潤時間最短的為SAS-60及AEO-7，各表面活性劑隨著濃度增加，浸潤時間縮短的速率下降。其中潤濕效果差的表面活性劑為APG06及APG10，這是由于烷基糖苷類表面活性劑主要靠降低溶液的表面張力提高煙煤分子的親水性。烷基碳鏈鏈長對表面張力影響明顯，烷基碳鏈上每增加一個碳原子，其臨界膠束濃度降低一半，降低表面張力的效率就增加1倍[14]。因此APG06及APG10由于碳鏈較短不能達到提高煤粉親水性的要求。

2.1.2 接觸角

表面活性劑在煤片表面的潤濕情況如圖1所示，表面活性劑液滴在固體表面上處于平衡狀態時，在固體、液體、氣體3個相交界處，從固液交界面到液氣交界面的夾角為接觸角。接觸角越小則表明該抑塵劑對煙煤分子的潤濕性越好。除APG06及APG10以外的8種表面活性劑在不同濃度下的接觸角如圖2所示。由圖2可知，接觸角的大小排序為SAS-60

圖1 接觸角示意圖

2.1.3 表面張力

表面活性劑的表面張力大小是影響煤塵親水性的重要因素。優選單體表面張力曲線如圖3所示，在0.1%實驗濃度時，SAS-60及AEO-7的表面張力都趨于穩定，說明這2個溶液在實驗濃度時都達到了該溶液的臨界膠束濃度。陰、非離子表面活性劑形成膠團過程如圖4所示。由圖4可知，陰離子和非離子之間沒有相互排斥的電勢，兩者復配溶液的臨界膠束濃度遠低于其他離子復配溶液。達到臨界膠束濃度后隨著濃度增加形成膠團，使不易親水的煙煤分子進入膠團中，增加了煙煤分子的親水性[15]。因此選擇SAS-60及AEO-7表面活性劑復配在低濃度可得到更高效的抑塵劑。

圖2 表面活性劑濃度及接觸角關系

圖3 SAS-60及AEO-7表面張力曲線

綜上3種參數分析，達到臨界膠束濃度后，SAS-60及AEO-7的潤濕性隨著濃度的增加而提高，但隨著濃度逐漸增大，提高速率逐步下降。本著經濟性兼高效性的考慮，本實驗采用質量濃度為0.4%的SAS-60溶液及質量濃度為0.5%的AEO-7溶液進行復配實驗。

圖4 陰、非離子表面活性劑形成膠團示意圖

2.2 復配優選實驗

用質量濃度為0.4%的SAS-60溶液及0.5%的AEO-7溶液在體積比例為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1時進行復配實驗研究。對9種配比的復配抑塵劑進行潤濕時間、表面張力和接觸角的測定結果進行分析，以選擇最優的配比。復配抑塵劑與表面活性劑單體實驗數據對比如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 不同比例復配抑塵劑的接觸角

分析可得，復配抑塵劑對煙煤分子的潤濕性并非都優于表面活性劑單體。配比比例在優選抑塵劑中的影響較大。其中質量濃度為0.4%的SAS-60溶液及0.5%的AEO-7溶液在體積比例1∶9、6∶4、7∶3下的復配抑塵劑在浸潤時間和接觸角2個參數對比中都優于表面活性劑單體。比例為7∶3的復配抑塵劑較其他比例的復配抑塵劑潤濕性明顯提高，復配抑塵劑的浸潤時間、表面張力和接觸角比SAS-60單體溶液分別下降12.0%、2.0%和18.7%，復配抑塵劑的浸潤時間、表面張力和接觸角比AEO-7單體溶液分別下降29.0%、7.1%和21.0%。

圖6 不同比例復配抑塵劑的潤濕時間

圖7 不同比例復配抑塵劑的表面張力

由此可得，質量濃度為0.4%的SAS-60和0.5%的AEO-7表面活性劑溶液在體積比為7∶3時，靜態潤濕效果最優，作為噴霧溶劑進行噴霧粒徑分析。

3 噴霧粒徑測定

對SAS-60、AEO-7及復配抑塵劑進行噴霧粒徑測定，并與純水在同等試驗條件下對比分析。確定復配抑塵劑在實際噴霧除塵時也具備良好的霧化效果。噴霧粒徑測定由本實驗室搭建的噴霧特性測試系統進行實驗。噴霧特性測試系統由噴霧系統和霧滴分析系統組成，如圖8所示。噴霧系統用于給被測試噴嘴提供穩定持續的氣壓，主要由空壓機、氣體調壓閥、噴嘴、噴嘴固定支架和抑塵劑攪拌桶組成。霧滴分析系統由實時噴霧激光粒度分析儀和計算機分析控制系統組成，可對噴嘴噴出的霧滴粒徑進行實時測算。由于井下最大供氣壓力0.5 MPa，本實驗采用孔徑為1.0 mm的燃油噴嘴在供氣壓力為0.4 MPa時，對距離噴嘴出口軸線30 cm處進行霧滴粒徑測量。噴霧粒徑累積分布如圖9所示。

圖8 噴霧特性測試系統

圖9 噴霧粒徑累積分布

D50為中位徑或者中值粒徑，表示累積分布百分數達到50%時所對應的粒徑值。它的物理意義是粒徑大于它的顆粒占50%，小于它的顆粒也占50%，D50常用來表示噴霧的平均粒度[16-17]。D50越小則表明噴霧平均粒徑越小。按D50從小到大進行排序：復配抑塵劑

4 結論

(1)通過浸潤時間、接觸角、表面張力3個參數的對比，得出單體表面活性劑中潤濕效果最顯著的為陰離子表面活性劑SAS-60和非離子表面活性劑AEO-7，優選其進行復配實驗。

(2)SAS-60和AEO-7兩種單體表面活性劑在質量濃度分別為0.4%和0.5%，復配比例為7∶3時潤濕效果最優。復配抑塵劑的浸潤時間、表面張力和接觸角比SAS-60單體溶液分別下降12.0%、2.0%和18.7%，相比AEO-7單體溶液分別下降29.0%、7.1%和21.0%。

(3)對復配抑塵劑進行噴霧粒徑測定，噴霧平均粒徑從小到大排序為：復配抑塵劑