浅析影响煤岩润湿性的因素

李庆会，游 艺，欧阳云丽，柯文丽，杨林江

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

煤的润湿性是煤的一项很重要的物理化学性质参数,它不仅在煤化工中应用,而且在煤矿开采及安全中亦有重要作用,例如在煤层预注水防尘中，煤润湿性的大小在很大程度上影响着其注水效果；煤的水润湿性研究对提高防降尘效果有重要意义；油团聚法和浮选法等也都是以煤的润湿性为依据的选煤工艺。

由已有的结论说明，煤粉在溶液中的润湿性能首先和溶液中气体-液体表面张力有关，其次也和溶液中煤粉的固体一液体界面张力，溶液中煤粉的固体-液体界面张力的大小有关，还和煤粉的疏水性等性质有关系，由此总结出影响煤岩润湿性的因素主要有界面间的相互作用，煤的表面结构，溶液的pH值及添加剂浓度等以下三个方面。

1 界面间的相互作用

润湿现象是一种界面行为,润湿性的改变是通过改变相接触的液固界面性质来实现的。具体方法是：在煤的悬浮液中加入一些譬如表面活性剂和絮凝剂这样的添加剂,这些添加剂在界面上有吸附作用,这种作用可导致溶液的界面性质以及固体的表面性质改变,进而引起煤表面润湿性的改变。

首先，由于表面活性剂分子所带的电荷不同,其产生的吸附作用也有区别，进而表面活性剂分子与煤粒表面之间的作用也不一样。其次,由于表面活性剂的浓度不同，其造成的煤表面的润湿性也不同。有机液体能从煤表面取代水的效率和水相-有机液体之间、煤-水之间、煤-有机液体之间的互相作用有密切关系。在固定的界面张力作用下,有机物对煤的润湿性随着煤阶的增加而增加。而对于一特定的煤阶,界面张力的增加会使其润湿程度降低,这显示出水-有机液体的相互作用对有机液体对煤表面的润湿性强的影响。

2 煤的表面结构

2.1 煤的炭化程度和风化程度

2.2 煤阶

煤的表面是一种非均匀的相结构,无机物和有机物在其中通过很繁杂的方式聚集在一起,它们通过这种方式来影响煤的润湿性。煤中的有机成分是由不一样极性的官能团的芳香单元组成,易润湿于油。煤的润湿性和煤阶密切相关，首先是褐煤阶段,因为褐煤的表面极性官能团相对多些,所以其润湿与水的性能较好,接触角较小。其次在煤阶的增高后,其表面极性官能团逐渐在减少,润湿性便随着下降。之后到了烟煤阶段,烟煤的芳香环开始变多,烟煤的疏水性也跟着变强。

2.3 含氧量及含氧官能团

接触角值是煤表面各表面位上性质的宏观平均，碳氧比则反映了这种表面性质的平衡度量。随着碳氧比的增加，煤的临界界面张力也增加，此时界面也易被一些极性较低的有机液体所润湿。煤表面的一些包括酚、醚等在内的含氧官能团一般情况下分布在煤的表面，它们容易形成氢键而亲水。

煤的氧化导致酚、羧基与醚键官能团的产生，而这些含氧官能团在煤中是最重要的。煤中不同C-O基团中氧对碳的影响是不同的，比如羧基（O-C=O）、羟基（-OH）中的氧仅仅与一个C原子相连，因此仅仅影响这一个碳原子，而醚键（-O-）中的氧则与2个C原子相连，因此一个醚键中的氧会影响到2个碳原子。由此可以得到一个结论:对煤表面润湿性影响最大的是羧基的含量，比如褐煤表面的化学性质就是是由羧基官能团控制的。羟基对润湿性的影响仅次于羧基。而对于醚基，从其化学结构上看出，它们对润湿性的影响甚微。因此，煤的含氧官能团和含氧量的不同会导致它们的表面润湿性亦不同。

2.4 其他因素

PS（X射线光电子能谱分析）中现实的有机含氧基团的数值反映了碳和氧元素的含量对疏水性的影响；氢元素不但与羟基的含量有关，而且还与芳香氢、脂肪氢的含量有关。芳香度与芳香氢的含量有直接关系；灰分的影响又从无机氧的多少中反映了出来。从已有的数据得出，不同煤岩的组分中性质差别较大的有：灰分的含量、内在水分的含量、羟基和氢元素。这其中煤岩表面的亲水性是由水分和灰分的大小直接反映出来的。

3 溶液的pH值及添加剂浓度

煤表面的润湿性随水溶液的pH值变化而变化。当溶液中有多种物种存在时，Gibbs吸附等温式的一般式写成：

式中：Γi为物种i的活度；μi是物种i的化学势。

设溶液中除了表面活性剂R－Na＋外,还有NaCl,将Gibbs公式用于固液界面可得：

若NaCl浓度足够大，以至溶液pH变化时不影响NaCl的活度，则加上水的离平衡条件：所以：

此式指出，固-液界面张力γSL是pH的函数，结合Young方程可知，接触角θ也是pH的函数。在表面活性剂浓度为零的条件下dμR-=0，dγLV=0，dγSV=0，所以：

当 pH 值在等电点时，σs=0，此时 dcosθ/d（pH）=0，θ-pH曲线达到最大值。

煤表面的润湿性随加入的添加剂的浓度和水溶液的pH值的改变而变化，而煤表面上酚羟基和羧基的电离行为以及煤表面的电势均受到溶液pH改变的影响。电势ξ～pH曲线类似于pH滴定曲线（见图1）。

大多数曲线显示了pH值在 10和pH在3～5范围内的影响。第一部分相应于酚羟基的电离,在该pH值附近,接触角随pH的变化（见图2）。

4 结论

煤表面的润湿是一复杂过程，影响煤岩润湿性的因素主要有三个方面：煤岩的表面结构特征（煤阶、含氧量及含氧官能团、炭化及风化程度等）、溶液的pH值及添加剂浓度、界面间的相互作用。其中煤的表面结构特征是影响润湿的内部因素,而表面活性物质的初始浓度、水煤系统的pH等则对煤表面的润湿性有明显的影响,但该影响又明显煤的表面性质有很强的依赖性。

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