煤礦降塵劑性能和復配優化實驗研究

謝子超

(華北科技學院 礦山安全學院,北京 065201)

國內在除塵降塵領域的研究起步得比較晚,早期基本是以灑水作為主要的降塵措施[1-4]。直到20世紀60年代,王海寧等[5-7]利用渣油、乳化劑和復合配方制備出降塵用乳狀液,該降塵產品的表面張力小,對粉塵的潤濕能力比較好,將乳狀液噴灑于有粉塵的工作現場,利用其破乳后形成的油膜能充分粘接粉塵,并且能達到長時間降塵的效果。

我國早期對于降塵劑的研究主要是集中應用在路面運輸等降塵的問題上,對于專用于煤礦煤塵用的降塵劑研發較少。作為粉塵中最常見、危害最大的一類,煤塵更應該引起國人的重視,潘海軍研發出一種高效環保的降塵劑主要解決煤塵濕潤性差、表面張力大等問題,與灑水降塵相比,該降塵劑在一定程度上有效改善了溶液的表面張力及接觸角問題,保水率也有一個大幅的提升,降塵率提高了20%以上。

通過對國內現有的降塵技術進行全面學習,我們能夠清楚地看到最早的降塵技術是灑水降塵,一路發展到現在的化學降塵,在降塵方面實現了跨越式的進步。隨著科學研究的不斷進行,降塵劑的性能也在不斷完善,但始終存在一些問題及弊端,主要體現在以下3個方面:第一,以鈉、鎂、鈣等鹵化物,無機鹽及表面活性劑為主的降塵劑雖然降塵效果好且具有較好的濕潤性能,但不足之處在于它的粘結性較差,固化時間長,耐蒸發性差且對運輸設備具有腐蝕作用,同時煤的燃燒值也會受到鹵化物等添加劑的嚴重影響[8];第二,以瀝青、渣油、原油、磺酸鹽和鹵化物等作為基料的降塵劑具有較好的粘結性能,耐蒸發性能及吸濕性較好,但其耐鹽性較差,保水性不足,且難降解、穩定性差、二次污染、毒性、腐蝕性等問題限制了其發展與應用;第三,以吸水性的樹脂為依托的降塵劑含括了原有技術的各方面優勢,并在此基礎上有了很大改進,其吸水、保濕及粘結性都有了大幅度的提高,但現階段多數研究者對以吸水樹脂為依托的抑塵劑研究較少[9-12],此外由于樹脂合成工藝復雜且成本昂貴,難以工業化生產,產品帶有NOX和SOX污染,降解性能不理想,熱穩定性能較差,且功能單一,嚴重威脅其推廣應用。

由此可見,容易降解,熱穩定性較好,原料經濟成本低,無毒無腐蝕性,不產生二次污染,且集潤濕、固化、保水、降塵等作用為一體的多功能型高效降塵劑必將是未來降塵領域的主角。基于此,本文對不同表面活性劑降塵效果進行探究,旨在得出最優降塵材料配比,實驗結果對實際工況降塵技術有一定的指導意義。

1 表面活性劑單體溶液的保水性實驗

1.1 實驗過程

分別稱取5份3 g的煤塵放置在相同的托盤中,再分別量取等質量的表面活性劑,將表面活性劑與煤塵攪拌均勻,做好標記,然后將托盤放于室內自然晾干,每隔10 h稱量一次托盤的重量,直至托盤重量不再發生改變,此時記錄數據,每組實驗記三組數據,取平均值,計算出煤塵的含水率,見式(1)。含水率越高,表面活性劑的保水率就越好。

(1)

式中:Mc為含水率,%;mw為濕樣質量,g;m為恒定質量,g.

具體稱重質量見表1和表2.

表1 表面活性劑單體保水性實驗前質量 單位g

表2 表面活性劑單體保水性實驗后質量 單位g

將3組數據計算出平均值繪制出分析圖如圖1所示。

圖1 表面活性劑單體保水性實驗對比分析圖

1.2 保水性實驗結果分析

將5種表面活性劑的含水率計算結果取平均值見表3.

表3 表面活性劑單體含水率 單位%

由表3可知,含水率較高的是吐溫-80,而事實上,5種表面活性劑的含水率差別不大。含水率由高到低分別是吐溫-80>SDBS>CAB-35>SAS=CMC.

2 表面活性劑對煤塵潤濕性實驗

2.1 表面活性劑對煤塵潤濕性測定

將不同濃度不同種類的表面活性劑做好標記,再分別量取100 mL的溶液放至燒杯,將漏斗豎直放置,讓溶液的表面與漏斗下端口貼近。用托盤天平稱取若干份0.1 g的煤塵,先使用小紙片封住漏斗下端口,再將0.1 g的煤塵倒入漏斗,然后移開紙片,移開紙片的同時用秒表計時,待到煤塵全部沒入到液面以下時,停止計時,這個時間即為潤濕時間。

每組實驗做3次,取3次實驗數據的平均值作為測定結果,結果見表4.

表4 潤濕時間測定結果 單位s

對數據進行處理,繪制出折線見圖2.

圖2 表面活性劑潤濕時間結果折線圖

2.2 潤濕時間測定結果分析

由圖2可知,不同的表面活性劑對煤塵的潤濕時間差別比較大,不同的濃度下活性劑對煤塵的潤濕時間也有差異。如SDBS在濃度很低時就能達到很好的潤濕效果;而吐溫-80和CMC在濃度很低時煤塵懸浮于溶液,但隨著濃度的增加,其沉降的時間也在逐漸減少,潤濕效果也在不斷提高。

在這5種表面活性劑中,有2種表面活性劑在較低的濃度下就能有較好的潤濕能力,分別是SDBS和SAS,且SDBS在濃度很低的情況下,它的潤濕時間也較短。CAB-35在濃度達到0.05%時出現潤濕效果,但潤濕速度很緩慢,在濃度達到0.1%時,可以很大程度縮短了潤濕時間。相比之下,吐溫-80和CMC在溶液濃度為0.1%時才看得到降塵效果,吐溫-80的潤濕時間隨著溶液濃度的增大變化并不如其他幾種活性劑幅度大;在0.1%濃度下,CMC的潤濕時間達到了1 644 s,比0.01%濃度下的SDBS和SAS耗時還要久,隨著濃度的增大,該活性劑的潤濕時間有明顯變化。

綜上所述,通過表面活性劑對煤塵潤濕性實驗數據的分析,能夠看出,SDBS和SAS在低濃度下潤濕效果就比較好;CMC表現較差,在濃度較高時潤濕時間也還較長。

3 表面活性劑單體的復配實驗

通過對初選的5種表面活性劑單體的保水能力測定和不同質量濃度的潤濕時間測定實驗,最終選定4種表面活性劑來進行復配,4種表面活性劑分別是SDBS、SAS、CAB-35、吐溫-80.

將優選出的這4種表面活性劑兩兩按體積比和濃度比均為1∶1進行復配,得到6種不同的復配溶液,再進行實驗,從而優選出更實用的降塵劑配方。為實驗方便,表面活性劑配比時濃度均為0.05%,將SDBS、SAS、CAB-35、吐溫-80分別編號為試劑1、試劑2、試劑3、試劑4.

3.1 復配溶液的保水性實驗

對復配溶液重復進行1.1的操作步驟,每個溶液設置3組平行實驗,得到復配溶液的保水性實驗數據具體見表5和表6.

表5 復配溶液保水性實驗前質量 單位g

表6 復配溶液保水性實驗后質量 單位g

將表格中數據計算出平均值,繪制成復配溶液保水性實驗數據分析圖,見圖3.

圖3 復配溶液保水性實驗數據分析圖

通過對上述兩個表格能計算出復配溶液的保水率,取平均值見表7.

表7 復配溶液含水率 單位%

由表7能夠看出,保水率較高的復配溶液是試劑1+試劑2和試劑1+試劑3,結合表面活性劑單體的含水率繪制出復配溶液含水率對比圖,見圖4.

圖4 復配溶液含水率對比圖

由圖4可以看出,表面活性劑單體的含水率普遍低于復配溶液的含水率,其中變化最大的試劑1+試劑2和試劑1+試劑3這兩組,能夠看出,試劑1的單體含水率不高,但是分別與試劑2還有試劑3進行復配后,其含水率有明顯提升;其次是試劑3+試劑4這組,能夠看出試劑3單體的含水率要高于其他表面活性劑單體,在分別與試劑1和試劑4復配后,其含水率仍舊很高。表現較差的是試劑1+試劑4這組,在6種復配溶液中的含水率并不出眾,可能是由于該組兩個活性劑單體的含水率都不高,因而導致復配后的溶液含水率不高。

綜上所述,復配溶液含水率較高的是試劑1+試劑2,其次是試劑3+試劑4和試劑1+試劑3.

3.2 復配溶液的潤濕時間測定

對復配溶液進行2.1的操作步驟,每個溶液設置3組實驗,取3組數據的平均值作為實驗結果,具體潤濕時間結果見表8.

表8 復配溶液潤濕時間 單位s

由表可知, 潤濕時間較短的是試劑1+試劑2和試劑1+試劑3兩組。其中,試劑1+試劑2這一組在溶液濃度為0.05%的情況下,能達到一個非常快的潤濕效果,煤塵沉降速度較快;結合表面活性劑單體的潤濕結果來看,有試劑1參與的復配溶液都能有較好的潤濕效果。同時試劑2+試劑4和試劑3+試劑4兩組的潤濕能力較差,在低濃度下潤濕效果不佳,潤濕速度極其緩慢,但結合表面活性劑單體的潤濕效果來看,這兩組復配溶液在潤濕性能上有所改進。

綜上所述,復配溶液中潤濕效果較好的是試劑1+試劑2,其次是試劑1+試劑3,這兩組在低濃度下也表現出較好的潤濕能力。

4 復配溶液濃度優選

4.1 實驗設計

為進一步確定降塵劑的最佳濃度,需對上節優選出的復配溶液(試劑1+試劑2)進行不同濃度的降塵測定。本實驗設置5組,濃度分別為0.05%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%,觀察不同濃度配比后的溶液對煤塵的降塵效果,從中選擇出最優的配比比例。

設置5組不同濃度的優選復配溶液,濃度分別設置為0.05%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%,每組取相同劑量100 mL復配溶液倒入量杯中。用托盤天平稱取5份0.1 g的煤塵樣本,再分別倒入5組不同濃度的復配溶液的量杯中,當煤塵與復配溶液接觸時開始計時,并注意要時刻觀察這幾組量杯的變化,直到每個量杯中煤塵全部沉積到量杯隊底部時,此時分別記錄每個量杯煤塵沉積的時間,即為每個復配溶液的降塵時間。對每種濃度的復配溶液都測3組實驗數據,將這3組數據的平均值作為復配溶液的降塵時間。

測定復配溶液的降塵時間,主要目的就是利用不同的復配溶液進行實驗,觀察在相同的條件下,哪種活性劑降塵效果最好,而降塵效果主要表現在降塵時間和所利用的活性劑劑量的多少。

4.2 實驗結果分析

5種濃度下的復配溶液降塵時間測定結果見表9和圖5.

圖5 混合試劑降塵時間測定折線圖

表9 不同濃度下試劑1+試劑2的降塵時間測定 單位s

由圖5可知,復配溶液在濃度為0.05%～0.25%時,其降塵時間隨著濃度的增大而減少;在溶液濃度超過了0.25%之后,復配溶液的降塵時間又開始延長。能夠從圖中直觀地看出,在復配溶液濃度區間為0.15%～0.25%時,溶液的降塵時間較短,效果最好。

5 結 語

1) 在水溶液中添加適量的表面活性劑在一定程度上能夠提高水溶液對煤塵的潤濕能力,同時不同的表面活性劑對煤塵的潤濕時間差別很大,同一種表面活性劑溶液對煤塵的潤濕效果與溶液濃度息息相關,隨著溶液濃度的增大,表面活性劑的潤濕時間也隨之減小,潤濕效果也在提升;

2) 大部分復配溶液在溶液濃度很低的情況下,就有較好的潤濕效果,其潤濕能力遠大于表面活性劑單體,有2種表面活性劑單體在溶液濃度達到0.1%時才出現潤濕效果,而該單體在進行復配后潤濕性得到顯著提升;

3) 復配溶液的保水性相比表面活性劑單體也有顯著改善,表面活性劑單體的含水率普遍在2.5%左右,在進行復配后,各復配溶液的含水率達到3%左右,提升明顯。