多組分表面活性劑復(fù)配對煙煤潤濕效果研究

金靖艷 ，唐明云 ，江丙友 ，王樂樂 ，陳功輝 ，王 冬

（1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

在煤炭的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工等過程中都會(huì)產(chǎn)生大量煤塵，不僅嚴(yán)重污染作業(yè)環(huán)境，對機(jī)器造成腐蝕，又易使作業(yè)人員患上塵肺病、矽肺病，并且在空氣中達(dá)到一定含量時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，造成安全事故[1-3]。一般粒徑1 mm 以下的煤塵都能參與爆炸，0.075 mm 以下的煤塵參與爆炸最多[4]。

針對上述危害，國內(nèi)外大多通過噴霧灑水法進(jìn)行抑塵[5]，眾多研究表明，向水中添加表面活性劑能有效提高煤體的潤濕性[6-8]。而單一的表面活性劑抑塵效率一般，故為了有效降低溶液的表面張力，提高抑塵效率，大量學(xué)者對表面活性劑復(fù)配進(jìn)行了研究[9-14]。李皓偉等[15]以貴州百色集團(tuán)六龍煤礦煤樣為例，選用了4 種具有代表性的表面活性劑，分別是陰離子型的快速滲透劑 T 和SDBS、非離子型的滲透劑 JFCS、混合型的CAB-35，通過表面張力和接觸角測定，優(yōu)選出來濃度0.4%的快滲T 溶液用于現(xiàn)場煤層注水；翁安琦等[16]優(yōu)選仲烷基磺酸鈉(H95)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1 227)、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35)、椰油酸二乙醇酰胺(CDEA)4 種表面活性劑，并按其臨界膠束濃度(CMC) 兩兩復(fù)配，分別對單體和復(fù)配溶液進(jìn)行表面張力、接觸角及反滲試驗(yàn)，結(jié)果表明0.05%H95 和0.05%CDEA 的復(fù)配溶液對煤的潤濕性最好；劉邱祖等[17]通過對10 種潤濕劑的初步實(shí)驗(yàn)，利用沉降法優(yōu)選出3 種試劑作為潤濕劑復(fù)配試劑，利用交叉復(fù)配法和不同濃度值確定了16 種實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)沉降法和成本差價(jià)優(yōu)選出復(fù)配潤濕劑。

從以上文獻(xiàn)分析可知，目前國內(nèi)外學(xué)者對抑塵劑的研究取得了較好的成果，但大多數(shù)對表面活性劑的復(fù)配研究集中于雙組分復(fù)配，而且對于表面活性劑的潤濕性能考察也主要從實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行分析比較。因此，選取煙煤為研究對象，對不同類型的表面活性劑進(jìn)行了考察，結(jié)合分子模擬技術(shù)比較了其潤濕性能的高低；并采用正交法研究了3 種類型表面活性劑的復(fù)配效果；以期優(yōu)選出效果最佳的抑塵劑配方。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

煙煤是自然界中分布最廣和最多的煤種。實(shí)驗(yàn)選取淮南潘三煤礦的煙煤作為研究對象，用磨煤機(jī)對其破碎、研磨。過直徑75 μm 標(biāo)準(zhǔn)篩，篩選出75 μm 以下的煤塵，進(jìn)行密封保存，置于避光陰涼處。煤樣工業(yè)分析結(jié)果如下：水分為1.64%，灰分為16.47%，揮發(fā)分為34.75%，固定碳含量為65.25%。所選煤樣為煙煤中的肥煤。

出于礦井下的工人健康考慮，所選的表面活性劑應(yīng)當(dāng)無毒、無刺激性，綠色環(huán)保，且潤濕性能良好，以達(dá)到抑塵效果。并且煙煤分子的負(fù)電勢部位容易被潤濕，而陽離子型表面活性劑會(huì)與其表面的負(fù)電勢部位結(jié)合，進(jìn)而降低其潤濕效果[18]。在此基礎(chǔ)上，選取了陰離子型、兩性離子型及非離子型表面活性劑，實(shí)驗(yàn)用表面活性劑見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表面活性劑的碳?xì)滏湼采w在水的表面，而烷烴分子間作用力小于水分子間作用力，故表面活性劑吸附在水表面會(huì)導(dǎo)致水的表面張力降低[19]；煤塵沉降實(shí)驗(yàn)簡單易行，并且能說明溶液對煤塵的潤濕能力的強(qiáng)弱[20-21]。表面張力和沉降時(shí)間均能有效反映溶液的抑塵效果，通過此2 種考察指標(biāo)，對每種離子類型的表面活性劑各自優(yōu)選出最佳單體，然后進(jìn)行正交試驗(yàn)。

每種實(shí)驗(yàn)均是由低濃度向高濃度進(jìn)行，且每組實(shí)驗(yàn)做3 次，取平均值以減少誤差。同時(shí)每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都以清水為對照組。

2 單體配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

2.1 表面張力實(shí)驗(yàn)

使用（泡沫）界面流變儀，采用懸滴法（上升氣泡法）[22]進(jìn)行了表面張力實(shí)驗(yàn)。對于懸滴法，在這種情況下能有效控制新形成的液體或氣體表面受環(huán)境污染程度，同時(shí)也可以基本避免液滴在空氣中的蒸發(fā)和揮發(fā)情況，還能較大程度減弱低黏度液滴受周圍環(huán)境影響而發(fā)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，并且所有的測量值均來自同一個(gè)液滴，完全避免了表面張力值和時(shí)間計(jì)時(shí)方面的偏差問題[23]。

表面活性劑表面張力如圖1。經(jīng)測量，水的表面張力為72.22 mN/m。由圖1 可知，在陰離子表面活性劑中，快滲T 的表面張力最小，先降低，然后在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)趨于穩(wěn)定。在兩性離子表面活性劑中，LAB-35 的表面張力隨著濃度的增大而增大，而CAB-35 和BS-12 的表面張力較為穩(wěn)定，且均在0.15%之后低于LAB-35。在非離子表面活性劑中，TWEEN-20 的表面張力隨著濃度增大而增大，在0.10%之后趨于穩(wěn)定，APG 的表面張力總體隨著濃度增大而降低。

圖1 表面活性劑表面張力Fig.1 Surfactants surface tension

2.2 煤塵沉降實(shí)驗(yàn)

為測量不同表面活性劑作用下煤塵的自然沉降時(shí)間，以MT 506—1996《礦用降塵劑性能測定方法》為標(biāo)準(zhǔn)，自行搭建一種簡便的實(shí)驗(yàn)裝置，煤塵沉降實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。

圖2 煤塵沉降實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device of coal dust deposition

將所選的8 種表面活性劑分別配制出質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的溶液，使用JJ2202BC 電子秤稱量100 mg 煤粉，之后將煤粉通過漏斗均勻地沉入50 mL溶液中，用秒表記錄下煤粉從接觸液面到完全沉入的時(shí)間。煤塵沉降效果如圖3（煤粉在水中處于漂浮狀態(tài)，不發(fā)生沉降）。

圖3 煤塵沉降效果Fig.3 Coal dust settling effect

表面活性劑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下沉降時(shí)間分布如圖4。由圖4 可知：在陰離子表面活性劑中，快滲T 的沉降時(shí)間最短，在0.05% 時(shí)已達(dá)到穩(wěn)定，SDS 在0.15% 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，而K12 在0.20%時(shí)才達(dá)到穩(wěn)定，快滲T＜SDS＜K12；在兩性離子表面活性劑中，BS-12 沉降時(shí)間基本上隨濃度的增大而減小，在0.15% 時(shí)趨于穩(wěn)定，遠(yuǎn)小于LAB-35 和CAB-35；在非離子表面活性劑中，TWEEN-20 的沉降時(shí)間隨著濃度增大而增大，效果不佳，APG 的沉降時(shí)間隨著濃度增大而減小，并在0.20% 時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)；所有試劑中，陰離子型表面活性劑沉降時(shí)間最短，效果最好。

圖4 表面活性劑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下沉降時(shí)間分布Fig.4 Distribution of sedimentation time under different mass fractions of surfactants

2.3 優(yōu)選結(jié)果

依據(jù)表面張力實(shí)驗(yàn)和沉降實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從3種離子類型表面活性劑中各自優(yōu)選出快滲T、BS-12、APG，分別在0.15%、0.15%、0.20% 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，將其表面張力和沉降時(shí)間進(jìn)行比較，優(yōu)選試劑表面張力和沉降時(shí)間如圖5。從圖5 可以看出，不論是以表面張力還是沉降時(shí)間為考察指標(biāo)，陰離子表面活性劑快滲T 效果都最好。

圖5 優(yōu)選試劑表面張力和沉降時(shí)間Fig.5 Preferred reagent surface tension and settling time

3 分子模擬

3.1 分子模型

目前，分子模擬技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，可以從微觀原子角度來解釋一些現(xiàn)象，對表面活性劑的潤濕機(jī)理進(jìn)行很好的補(bǔ)充。分子力學(xué)是以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，由于體系中的分子坐標(biāo)會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)變化，故可通過牛頓運(yùn)動(dòng)方程的求解，來獲得模擬過程中粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而計(jì)算出各分子之間的能量和一些力學(xué)性質(zhì)等重要信息。

模擬使用Materials Studio 軟件，利用Visualizer 模塊構(gòu)建了優(yōu)選的3 種表面活性劑快滲T、BS-12 和APG 的分子模型。然后，利用Forcite 模塊的Geometric Optimization 對分子模型進(jìn)行優(yōu)化，使分子的結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定。最后，將分子的靜電勢映射到電子密度面上，表面活性劑靜電勢分布如圖6。

圖6 表面活性劑靜電勢分布Fig.6 Surfactant electrostatic potential distribution

3.2 靜電勢

靜電勢是指分子某一點(diǎn)處的單位點(diǎn)電荷與整個(gè)體系之間的相互作用能，靜電勢絕對值越大，引起靜電吸引相互作用的概率越大，越容易與水分子形成氫鍵，則越容易在溶液表面形成密集排列，即會(huì)降低溶液的表面張力，故形成氫鍵的難易可以體現(xiàn)出表面活性劑的潤濕性能差異。而靜電勢絕對值的高低可以通過靜電勢區(qū)域顏色的深淺來判斷[24]。

與BS-12 和APG 相比，快滲T 的極性基團(tuán)處顏色最深，靜電勢絕對值最大，極易與水分子形成氫鍵。此結(jié)果與實(shí)際一致，實(shí)驗(yàn)中快滲T 的表面張力最低，沉降時(shí)間最短。故優(yōu)選的3 種表面活性劑中，陰離子表面活性劑快滲T 效果最好。

4 抑塵劑復(fù)配正交試驗(yàn)

4.1 正交試驗(yàn)的因素和水平

優(yōu)選出陰離子表面活性劑快滲T、兩性離子表面活性劑BS-12、非離子表面活性劑APG 3 種單體試劑作為正交試驗(yàn)的3 個(gè)因素A、B、C；其各自在0.15%、0.15%、0.20%時(shí)表面張力達(dá)到穩(wěn)定，以0.05% 為濃度梯度，選取3 個(gè)最佳濃度作為3水平。正交試驗(yàn)因素水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factor level table of orthogonal experiment

4.2 正交試驗(yàn)極差

對設(shè)計(jì)出的3 因素3 水平正交試驗(yàn)的9 組方案繼續(xù)進(jìn)行表面張力實(shí)驗(yàn)和沉降實(shí)驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。然后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果見表4。其中，ki為各因素試驗(yàn)結(jié)果之和的均值；R為極差值，R越大，表示因素越重要。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment results

表4 極差分析結(jié)果Table 4 Range analysis results

由表4 可知：從表面張力分析，3 個(gè)因素中APG 對表面張力的影響最大，快滲T 對表面張力的影響最小；從沉降時(shí)間分析，APG 對沉降時(shí)間的影響最大，BS-12 對沉降時(shí)間的影響最小。分別根據(jù)表面張力和沉降時(shí)間2 項(xiàng)考察指標(biāo)，選取此3 種因素的極差最小項(xiàng)組合作為配方，可以優(yōu)選出2 種最佳復(fù)配方案：A2B2C3和A2B1C2。

對優(yōu)選得出的2 組復(fù)配方案繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出配方A2B2C3表面張力為20.27 mN/m，沉降時(shí)間為30.47 s；配方A2B1C2表面張力為16.95 mN/m，沉降時(shí)間為20.95 s。故最佳復(fù)配方案為A2B1C2，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20% 的快滲T、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15% 的BS-12、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的APG 等比例復(fù)配，其表面張力和沉降時(shí)間均為最低。

4.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

將此優(yōu)選配方復(fù)配效果與單體試劑進(jìn)行對比，優(yōu)選配方各性能指標(biāo)比較見表5。

表5 優(yōu)選配方各性能指標(biāo)比較Table 5 Comparison of performance indexes of optimized formula

由表5 可知：復(fù)配試劑的表面張力為16.95 mN/m，比快滲T 降低了30.59%，比BS-12 降低了38.54%，比APG 降低了41.69%；復(fù)配試劑的沉降時(shí)間為20.95 s，比快滲T 加快了20.34%，比BS-12 加快了94.01%，比APG 加快了58.72%。說明此復(fù)配方案具有很好的協(xié)同效果，能顯著提高溶液的潤濕性能。

5 結(jié)語

1）通過表面張力實(shí)驗(yàn)和沉降實(shí)驗(yàn)分別從3 種離子類型的表面活性劑中優(yōu)選出效果最好的試劑，為陰離子型表面活性劑快滲T、兩性離子型表面活性劑BS-12 和非離子型表面活性劑APG，通過比較得出陰離子型表面活性劑快滲T 的效果最好。

2）采用分子模擬技術(shù)研究3 種表面活性劑的靜電勢分布，發(fā)現(xiàn)陰離子型表面活性劑快滲T 效果最好，此結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

3）通過正交試驗(yàn)對此3 種試劑進(jìn)行等比例復(fù)配。最佳復(fù)配方案為：0.20% 快滲T+0.15% BS-12+0.25%APG。