礦用抑塵劑對(duì)不同粒徑煤塵的潤(rùn)濕性能影響

趙奕博,王 康,徐 磊,王海龍

(1.陜西煤業(yè)新型能源科技股份有限公司科研中心分公司,陜西 西安 710100;2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710100;3.陜西新能聯(lián)慧科技有限公司,陜西 西安 710100;4.西安陜煤新能源科技有限公司,陜西 西安 710014)

0 引言

煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中,大量細(xì)微煤塵隨著采掘設(shè)備的作業(yè)而產(chǎn)生。煤塵不僅會(huì)引發(fā)礦工塵肺病,而且會(huì)加速設(shè)備的磨損,甚至存在爆炸危險(xiǎn)[1]。由于煤自身特殊的理化性質(zhì)及井下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,傳統(tǒng)的降塵技術(shù)受限較大[2]。為解決煤塵超限及難以沉降問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)發(fā)各類(lèi)抑塵劑以適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境的降、除塵需要[3-6]。WU等[7]研制出一種環(huán)保生物除塵劑,通過(guò)風(fēng)蝕耐性試驗(yàn)確定了有效除塵成分最佳比例,證明EIPC技術(shù)對(duì)露天煤礦煤塵防治具有重要意義。張江石、WANG等[8-9]以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)多種表面活性劑進(jìn)行性能優(yōu)選,復(fù)配得到最佳的抑塵劑配方,并對(duì)抑塵劑的降塵效率及安全性進(jìn)行分析。王振宇、SUN等[10-11]以淀粉為主要原料,與表面活性劑、無(wú)機(jī)鹽和粘結(jié)劑等進(jìn)行復(fù)配,得到適用于井下潤(rùn)濕沉積粉塵的復(fù)合型抑塵劑,并探究其作用性能。王和堂等[12]通過(guò)優(yōu)化微生物發(fā)酵工藝,利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵合成可降解的生物抑塵劑BDS,并進(jìn)行性能試驗(yàn)。

現(xiàn)有研究主要集中在對(duì)表面活性劑的選擇和復(fù)配[13-15],缺乏能夠直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng),針對(duì)抑塵劑最佳使用濃度及對(duì)不同類(lèi)型、不同粒徑煤塵潤(rùn)濕效果的研究。鑒于此,選取曹家灘、張家峁、涼水井、小紀(jì)汗和象山煤礦的煤樣,進(jìn)行表面張力、沉降及保濕性試驗(yàn),優(yōu)化礦用抑塵劑最佳使用工況,為現(xiàn)場(chǎng)提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考。

1 抑塵劑制備

1.1 試驗(yàn)原理

表面活性劑對(duì)煤塵具有良好的捕捉、潤(rùn)濕作用,被潤(rùn)濕的煤塵會(huì)團(tuán)聚沉降。其中非離子型表面活性劑在溶液中不以離子形式存在,不易受外界環(huán)境干擾,穩(wěn)定性較強(qiáng),其親水基之間無(wú)靜電排斥力且在氣、液界面的排列比離子型表面活性劑更緊密,故在同一濃度下,非離子型表面活性劑有更低的表面張力[16]。非離子型表面活性劑的相容性較好,離子型-非離子型表面活性劑的復(fù)配會(huì)對(duì)混合體系產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),由于吸附平衡,會(huì)進(jìn)一步降低混合體系的臨界膠束濃度[17]。無(wú)機(jī)鹽無(wú)水氯化鈣是良好的干燥劑,將其按一定比例加入表面活性劑中,當(dāng)表面活性劑溶液潤(rùn)濕煤塵后,其中的氯化鈣會(huì)通過(guò)吸收空氣中的水分來(lái)增強(qiáng)表面活性劑的保濕性和抗蒸發(fā)性,使沉降的煤塵被長(zhǎng)時(shí)間潤(rùn)濕,避免水分快速蒸發(fā)造成二次揚(yáng)塵[18]。

1.2 原料

主要選取4種原料用于分析試驗(yàn)。即,壬基酚聚氧乙烯醚中活性物≥99%,化學(xué)純,山東淄博海杰化工有限公司;曲拉通為化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水氯化鈣為分析純,含量≥96%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;自制蒸餾水。

1.3 制備過(guò)程

為得到質(zhì)量濃度為10%的抑塵劑溶液,將盛有100 mL蒸餾水的燒杯置于磁力攪拌器上,加熱至40 ℃左右。稱(chēng)取9.8 g壬基酚聚氧乙烯醚和1.2 g曲拉通于燒杯中,調(diào)節(jié)磁力攪拌器至適宜轉(zhuǎn)速,恒溫?cái)嚢? h。待壬基酚聚氧乙烯醚和曲拉通完全溶解后,在室溫下靜置30 min,使體系溫度降至室溫并維持穩(wěn)定。再加入0.11 g無(wú)水氯化鈣攪拌5 min制成目標(biāo)溶液。

2 試驗(yàn)方案

2.1 表面張力試驗(yàn)

將抑塵劑分別制備質(zhì)量濃度為0.01%、0.02%、0.03%、0.05%、0.08%、0.1%、0.3%、1%、2%、3%的樣品溶液。利用密度計(jì)測(cè)得蒸餾水的密度,用游標(biāo)卡尺測(cè)量屈氏粘力管外徑。利用滴重法對(duì)已知表面張力的蒸餾水進(jìn)行測(cè)定,根據(jù)式(1)及哈金斯校正因子表迭代計(jì)算(插值法),得到屈氏粘力管的精確半徑r。同法測(cè)得樣品溶液每滴重量和密度,由式(1)即可求得樣品表面張力。

2πrσf=mg

(1)

(2)

式中,r為屈氏粘力管半徑,cm;σ為表面張力,mN/m,常溫下蒸餾水的表面張力為72.8 mN/m;f為哈金斯校正因子;m為每滴液滴質(zhì)量(測(cè)量3次取平均值),g;g為重力加速度,0.981 m/s2;V為每滴液體的體積,cm3。

2.2 沉降試驗(yàn)

選取曹家灘、張家峁、涼水井、小紀(jì)汗和象山煤礦5個(gè)礦井的煤塵樣品,分別利用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分制備粒徑為38.5～80 μm、80～160 μm、160～315 μm的煤塵進(jìn)行沉降試驗(yàn)。

利用精度為0.001 g的分析天平,稱(chēng)取0.1 g不同粒徑的煤塵,使其自然下落在快速定性濾紙上形成圓錐體。將50 mL不同濃度的抑塵劑溶液置于燒杯,用鐵絲環(huán)將盛有煤塵的快速定性濾紙托于貼近抑塵劑溶液表面的同一高度。用秒表記錄從濾紙接觸液面至煤塵全部沉底所需時(shí)間,超過(guò)300 s未完全沉降即認(rèn)為該濃度抑塵劑的潤(rùn)濕性能差,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,為消除試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的誤差,取3次試驗(yàn)平均值進(jìn)行分析。

2.3 保濕性試驗(yàn)

抑塵劑溶液的保濕性能主要依靠其中無(wú)機(jī)鹽的吸濕作用,改變抑塵劑溶液中無(wú)機(jī)鹽含量,可直接調(diào)節(jié)抑塵劑溶液潤(rùn)濕煤塵后的保濕時(shí)間和抗蒸發(fā)性能。改變抑塵劑溶液中無(wú)機(jī)鹽含量為溶質(zhì)的0%、0.04%、0.06%、0.11%、0.22%、0.55%。稱(chēng)取1 g粒徑為80～160 μm的煤塵于燒杯中,再稱(chēng)取4 g上述濃度的抑塵劑溶液并將煤塵完全潤(rùn)濕,記錄燒杯質(zhì)量。將全部樣品統(tǒng)一置于同一環(huán)境室溫下,每隔一段時(shí)間記錄燒杯重量,利用式(3)計(jì)算其樣品失水率。

η=(m0-mi)/m0×100%

(3)

式中,η為失水率,%;m0為初始樣品質(zhì)量,g;mi為第i小時(shí)后樣品質(zhì)量,g。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 表面張力分析

表面張力是表征抑塵劑溶液潤(rùn)濕性能的重要指標(biāo)之一,由于氣-液面蒸發(fā),液體表面分子比液體內(nèi)部稀疏,分子間距變大,分子間相互作用表現(xiàn)為引力,使液面具有一定程度的抗拉伸性。抑塵劑溶液濃度直接影響著水分子表面張力被破壞程度,抑塵劑不同濃度時(shí)表面張力如圖1所示。

圖1 抑塵劑不同濃度時(shí)表面張力

由圖1可知,隨著抑塵劑溶液質(zhì)量濃度的上升,表面張力呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到0.1%時(shí),表面張力為37.06 mN/m,繼續(xù)升高濃度,表面張力基本保持不變,表明抑塵劑溶液達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)。這說(shuō)明,若只考慮表面張力的影響,該抑塵劑溶液在使用過(guò)程中,質(zhì)量濃度為0.1%左右時(shí),保證潤(rùn)濕效果較好的同時(shí)成本較低。

3.2 沉降時(shí)間分析

沉降時(shí)間是驗(yàn)證抑塵劑能否有效降塵的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。采用沉降法測(cè)定煤塵的沉降時(shí)間,沉降時(shí)間越短,則說(shuō)明其潤(rùn)濕效果越好。選擇曹家灘煤礦80～160 μm粒徑的煤樣進(jìn)行試驗(yàn),確定最佳稀釋濃度后,對(duì)5個(gè)煤礦共15個(gè)粒徑的煤塵樣品進(jìn)行驗(yàn)證,抑塵劑不同濃度時(shí)沉降時(shí)間和不同煤塵粒徑的沉降時(shí)間分別如圖2、3所示。

圖2 抑塵劑不同濃度時(shí)沉降時(shí)間

由圖2可知,對(duì)于同一粒徑煤塵而言,抑塵劑溶液濃度越大,沉降所需時(shí)間越短,潤(rùn)濕效果越好。當(dāng)抑塵劑溶液濃度為0.1%左右時(shí),沉降時(shí)間為18 s,繼續(xù)增加抑塵劑溶液濃度,煤塵沉降速率降幅緩慢。綜合抑塵劑溶液表面張力和沉降時(shí)間,確定抑塵劑使用濃度為0.1%。

圖3為0.1%濃度抑塵劑對(duì)不同粒徑煤塵沉降試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知,抑塵劑溶液濃度為0.1%時(shí),對(duì)各煤礦、較大粒徑范圍的煤塵沉降時(shí)間在4至23 s內(nèi)。隨著煤塵粒徑的增大,沉降時(shí)間顯著縮短。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明濃度為0.1%的抑塵劑溶液在具備較好潤(rùn)濕作用的同時(shí)也具備較高的普適性,便于大規(guī)模工業(yè)制備和推廣。

圖3 抑塵劑0.1%質(zhì)量濃度下不同煤塵粒徑的沉降時(shí)間

3.3 保濕性分析

要強(qiáng)化抑塵劑溶液對(duì)煤礦井下工作面抑塵效果,應(yīng)具有一定的保濕性能,可以避免溶液快速蒸發(fā)后造成二次揚(yáng)塵。為了增強(qiáng)礦用抑塵劑的保濕性能,本試驗(yàn)通過(guò)改變無(wú)機(jī)鹽氯化鈣的含量,在一定程度上控制抑塵劑的保濕性。在室溫環(huán)境下,測(cè)量了6種不同氯化鈣添加含量對(duì)抑塵劑失水率的影響,依據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果,選取如下6種濃度梯度,分別為0%、0.04%、0.06%、0.11%、0.22%和0.55%,抑塵劑在室溫下氯化鈣不同含量時(shí)失水率測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 室溫下氯化鈣不同含量時(shí)失水率

由圖4可知,隨著抑塵劑中無(wú)機(jī)鹽氯化鈣含量的增加,被潤(rùn)濕煤塵的失水率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)氯化鈣含量為溶質(zhì)的0.11%時(shí),在各時(shí)間段的失水率均最低,保濕效果顯著,在放置時(shí)間超過(guò)24 h后,含水率基本可維持在40%左右,被潤(rùn)濕煤塵的含水率最大相差29.64%。此外,考慮到抑塵劑應(yīng)用場(chǎng)景的高濕環(huán)境可能會(huì)對(duì)添加劑含量和失水率效果存在潛在影響,故又在高濕(濕度≥90%)環(huán)境下,對(duì)4種濃度氯化鈣含量添加劑進(jìn)行了失水率試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,高濕環(huán)境下被潤(rùn)濕煤塵失水率變化與正常濕度下一致。當(dāng)氯化鈣含量為溶質(zhì)的0.11%時(shí),被潤(rùn)濕煤塵表現(xiàn)出吸濕現(xiàn)象,重量不減反增,3 h后潤(rùn)濕煤塵的蒸發(fā)與吸濕達(dá)到平衡狀態(tài)。其余樣品在4 h后達(dá)到平衡,重量不再出現(xiàn)變化。綜上試驗(yàn)結(jié)果考慮,抑塵劑使用濃度為0.1%,氯化鈣占溶質(zhì)的最佳比重為0.11%。

4 結(jié)論

(1)隨著濃度的升高,抑塵劑溶液表面張力先減小后趨于穩(wěn)定,當(dāng)抑塵劑濃度為0.1%時(shí)達(dá)到臨界膠束濃度。

(2)抑塵劑濃度越高,煤塵粒徑越大,沉降所需時(shí)間越短。15種煤塵樣品所表現(xiàn)出的沉降效果隨時(shí)間變化的趨勢(shì)相同,在抑塵劑溶液濃度為0.1%時(shí),煤塵沉降時(shí)間被控制在4～23 s內(nèi)。

(3)隨著無(wú)機(jī)鹽氯化鈣含量升高,抑塵劑的保濕性能呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減小。當(dāng)氯化鈣含量為溶質(zhì)的0.11%時(shí),抑塵劑溶液作用于煤塵時(shí)的保濕性能最佳,在室溫高濕環(huán)境下表現(xiàn)出良好的吸濕性和抗蒸發(fā)性。