表面活性剂对煤尘润湿性能的影响

桂 哲， 刘荣华,2， 王鹏飞,2， 苟尚旭， 舒 威， 谭烜昊

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院， 湖南 湘潭 411201；



表面活性剂对煤尘润湿性能的影响

桂 哲1， 刘荣华1,2， 王鹏飞1,2， 苟尚旭1， 舒 威1， 谭烜昊1

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院， 湖南 湘潭 411201；

2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室， 湖南 湘潭 411201)

为了研究表面活性剂润湿机理，减小煤矿喷雾降尘用水的表面张力，增强煤尘的湿润能力，采用对比分析方法，选择四种常用的表面活性剂和三种煤样，通过表面张力、接触角以及沉降实验，研究煤尘润湿性的影响因素。结果表明：表面活性剂的润湿性能随质量分数的增加而增强，其中非离子表面活性剂OP-10的润湿性最佳；表面张力、接触角及沉降时间都只是评价表面活性剂润湿性的一个必要因素，而不是决定因素，其中SDBS 溶液的表面张力较OP-10的要低，但从接触角大小和沉降时间看OP-10的润湿性较SDBS强；无烟煤的可润湿性能比焦煤和瘦煤要好，一般表面活性剂在较低浓度就可以较好润湿无烟煤，但对于焦煤和瘦煤，所选用的浓度要较高。

表面活性剂； 表面张力； 接触角； 沉降； 润湿性

0 引 言

20世纪90年代以来，随着煤矿开采强度的不断增加和机械化程度的不断提高，井下采掘工作面的粉尘浓度剧增，高达2 500～3 000 mg/m3，作业环境严重恶化，极大威胁着矿井的安全生产和工人的身心健康。采用喷雾降尘具有经济、简便和实用等优点，在煤矿井下得到广泛应用[1-4]。一般防尘用水大多为清水，虽然简便经济，但由于煤的表面含有大量的憎水非极性基团，使其有一定疏水性，且水的表面张力较大，导致清水无法有效的润湿粉尘颗粒。在液体介质中添加一定的表面活性剂可以降低其表面张力，有效地降低液体的表面能，利于粉尘的润湿。因此，研究表面活性剂对煤尘的润湿性能的影响，有助于增强对煤尘的润湿和捕集[5-10]。

近年，国内学者相继开展了有关表面活性剂润湿性的大量工作。吴超[11]等对阴离子、阳离子及非离子表面活性剂对粉尘润湿能力的改善程度，以及添加适量Na2SO4对表面活性剂表面活性的影响，做了大量研究，结果显示阴离子和非离子表面活性剂的润湿性能优于阳离子表面活性剂，适量Na2SO4对阴离子表面活性剂表面活性的影响较明显；何杰[12]深入探讨了使用不同种类的表面活性剂在不同浓度以及溶液的pH对煤的润湿性的影响，发现煤表面的润湿是一复杂过程，煤的表面结构是影响润湿的内因，而表面活性物质及其初始浓度等因素则明显影响着煤表面的润湿行为，但这种影响又明显依赖于煤的表面性质；杨静等[13]为了研究煤的表面物理化学性质对煤的润湿性的影响，对煤尘进行了FTIR分析、电位实验、接触角实验以及沉降实验，结果表明煤尘的润湿性取决于气液界面张力、气固界面张力以及液固界面张力的大小，并且煤尘的表面电性以及添加的表面活性剂的结构和性质都对煤的润湿性有重要的影响。目前，关于表面活性剂对不同煤质的润湿性能影响的研究文献较少。笔者试采用用途较广的阴离子、非离子两类表面活性剂，针对无烟煤、焦煤和瘦煤，进行表面张力、接触角和沉降实验，研究表面活性剂及煤质对煤尘的润湿性能的影响。

1 实验系统

1.1 仪器和材料

实验系统包括三个部分：测定表面张力的Kruss K20型表面张力仪，测定接触角的CA100B接触角测量仪，沉降实验用比色管。

实验选择有代表性的三种煤样；湖南兴源煤矿的无烟煤、贵州发耳煤矿的焦煤和山西万峰煤矿的瘦煤。将煤粉用粉碎机粉碎，经149 μm的筛子筛取细煤粉作为实验煤样。

本着无毒无害、生物降解性好、低温不结晶、无沉淀和盐析现象、能大幅度降低水的表面张力、保存时间长且理化性质不变、不可燃、对金属和橡胶无腐蚀、成本低且运输方便的原则，在参考国内外有关降尘用表面活性剂配方、专利及相关学术论文的基础上，从现有的表面活性剂中优选了用途较广的阴离子、非离子两类表面活性剂，四种试剂进行实验，如表1所示。

表1 实验所选表面活性剂

1.2 方案

第一组实验为表面张力实验，使用德国Kruss K20型表面张力仪，分别对四种表面活性剂在不同质量分数下的表面张力进行测定，测量三组取平均值。该表面张力仪采用吊片法测量，表面张力测量范围为1～999 mN/m，测量精度为±0.1 mN/m，可在内置控制板上显示测量结果。

第二组实验为接触角实验，使用国产的CA100B型接触角测量仪，取300 mg煤粉装在模具中，用FW-4A型粉末压片机加压到30 MPa，保持1 min，制成φ15 mm×3 mm的煤粉压片，然后分别对四种表面活性剂的不同质量分数溶液在三种煤粉压片上的接触角进行测量。该接触角测量仪全自动进样，测试分辨率为0.01°，测试精度 0.1°。

第三组实验为沉降实验，使用一组比色管，将200 mg煤尘倒在液面上，使尘粒原有固-气界面被固-液界面取代逐渐完成，记录下粉煤沉降到液面以下所需的时间。

2 结果与分析

2.1 表面张力实验

表面活性剂由极性亲水基和非极性疏水基组成，表面活性剂溶于水中时，由于疏水效应，其亲水基插入水中，疏水基伸向空气中，表面活性剂分子在水溶液表面形成定向界面吸附层，水溶液表面由较低表面自由能的非极性分子代替，导致水溶液表面张力降低。当表面活性剂浓度增加到临界胶束浓度时，溶液的界面吸附达到饱和，表面张力保持不变。一方面，表面活性剂的表面张力要较小，如果表面活性剂溶液的表面张力较大，就不能对矿尘进行较好的润湿，降尘效果不佳；另一方面，表面活性剂的临界胶束浓度不能过高，为了有效降低矿井采掘面的粉尘浓度，就必须加大试剂用量，造成成本增加。

从表2可以看出，这些溶液的质量分数在达到0.005 00%前，表面张力会有一个明显下降，当溶液质量分数达到0.050 00%后，表面活性降到最低，下降趋势趋于缓和，这说明四种表面活性剂溶液的临界胶束浓度均在0.005 00%～0.050 00%。对于这四种表面活性剂单体溶液，当质量分数在0～0.005 00%变化时，这四种表面活性剂溶液的表面张力在46.4～72.3 mN/m变化，表面张力的变化幅度较大；当溶液质量分数继续增加到0.005 00%、0.05 00%、0.500 00%时，溶液的界面吸附逐渐达到饱和，表面张力的变化幅度逐渐减缓。表面活性剂SDBS、OP-10的临界胶束浓度约为0.005 00%，而Tween-80和SDS的临界胶束浓度较高，约为0.050 00%。在其质量分数为0.050 00%时，Tween-80溶液的表面张力高达40.8 mN/m，其他三种单体溶液的表面张力在28.8～31.9 mN/m，其中SDBS表面活性剂溶液的表面张力达到最低28.8 mN/m，表面活性最强。相关研究表明，只有当溶液表面张力降低到约35 mN/m时，该试剂才可能对煤尘有较好的润湿性[14]。这四种表面活性剂的质量分数超过0.005 00%时，溶液可以达到较好的湿润效果，不同表面活性剂溶液在相同的表面活性下，表面活性剂SDBS的浓度最低，Tween-80最高，可知这四种表面活性剂的表面活性大小为SDBS>SDS>OP-10>Tween-80。

表2 四种表面活性剂溶液在不同质量分数下的表面张力

Table 2 Surface tension of four surfactant solutions at different fraction

w/%γ/mN·m-1SDSSDBSTween-80OP-10073.071.373.072.00.0000559.558.062.654.80.0005051.542.847.443.80.0050035.928.843.532.60.0500031.328.440.831.90.5000030.428.039.732.5

2.2 接触角实验

接触角反映了液体分子与固体表面的润湿作用，润湿作用越强越易于在固体表面上铺展开来，接触角趋于较小值。图1是SDBS表面活性剂溶液在瘦煤压片上的接触角。表3和图2是不同表面活性剂溶液在不同煤样压片上的接触角。

图1 SDBS溶液在瘦煤压片上的接触角

Fig. 1 Contact angle of SDBS solutions in lean coal powder pressing

由表3和图2可以得出，四种表面活性剂单体溶液在三种煤样压片上的接触角随溶液浓度的增加而降低，即随着溶液浓度的增加，接触角越小，溶液在压片表面上越易铺展开来，溶液对煤样压片的润湿性也越强。这四种表面活性剂溶液对无烟煤的润湿能力要强于焦煤和瘦煤。例如清水在无烟煤压片上的接触角在38.22°～40.12°，其平均值为39.17°，远小于清水在焦煤和瘦煤压片上接触角的平均值71.08°、68.14°；在SDBS表面活性剂溶液浓度为0.005 00%时，无烟煤、焦煤和瘦煤压片上的接触角分别为25.63°、56.15°、52.01°，其他三种表面活性剂在无烟煤上的接触角也是最小的，可以看出无烟煤的可润湿性最强；随着表面活性剂浓度的增加，四种表面活性剂溶液的接触角呈现为不断减小的趋势，所选的表面活性剂具有普适性，都能够在一定程度上增加对煤尘的润湿性。

表3 不同表面活性剂溶液在煤粉压片上的接触角

a 无烟煤

b 焦煤

c 瘦煤

Fig. 2 Contact angle of different surfactant solutions on coal powder pressing

从图2可以看出，相较于表面活性剂SDBS、SDS、Tween-80，表面活性剂OP-10溶液在无烟煤、焦煤、瘦煤三种煤粉压片的接触角最小，即表面活性剂OP-10的表面活性强，容易在固体表面发生吸附，润湿性能最好。在质量分数为0.050 00%时，表面活性剂OP-10溶液在无烟煤、焦煤和瘦煤压片上的接触角最小，分别为16.90°、30.65°、31.02°，而表面活性剂Tween-80溶液在无烟煤、焦煤和瘦煤压片上的接触角最大，分别为26.69°、55.30°、56.72°。OP-10和Tween-80同为非离子表面活性剂，但对煤粉的润湿性却有很大差别，主要与煤尘本身含有的芳香烃和脂肪烃等极性基团有关[13,15]。

2.3 沉降实验

记录煤粉全部沉入表面活性剂溶液所需的时间，即为煤尘沉降时间。实验所需的沉降时间最短，则润湿性能最好。 表4给出了煤粉在表面活性剂溶液中的沉降情况，其中，不沉降指沉降时间过长，无明显对比效果。

由表4可以看出，这四种表面活性剂溶液的润湿性随着质量分数的增加而增强，所选三种煤样的煤粉沉降时间都随溶液的质量分数的增加而缩短，如无烟煤煤粉沉降时间由最初的6～7 min缩短为3～8 s，焦煤和瘦煤煤粉由最开始的不沉降缩短到有明显的可润湿性；其中无烟煤煤粉的沉降时间相较于焦煤和瘦煤煤粉的沉降时间要快，而且在质量分数达到0.050 00%时，无烟煤煤粉的沉降时间达到最短的几秒钟，而后保持不变，焦煤和无烟煤煤粉在这四种表面活性剂低浓度溶液中的沉降时间过长，在高浓度溶液中才有明显的可润湿性。Tween-80表面活性剂溶液的润湿性能最差，OP-10表面活性剂溶液的润湿性能相对来说最好，SDBS和SDS次之。

表4 煤粉在表面活性剂溶液中的沉降时间

3 结 论

(1)表面活性剂的润湿性能随质量分数的增加而增强，其中非离子表面活性剂OP-10的润湿性最佳，优于阴离子表面活性剂SDBS和SDS，但并不是所有的非离子表面活性剂的润湿性强于阴离子表面活性剂，表面活性剂的润湿性不仅和种类有关，还和所湿润的固体表面有关。

(2)表面张力、接触角及沉降时间都只是评价表面活性剂润湿性的一个必要因素，而不是决定因素，其中SDBS的表面张力较OP-10的要低，但从接触角大小和沉降时间看出OP-10的润湿性较SDBS的要强。

(3)实验所选无烟煤的可润湿性能比焦煤和瘦煤要好，一般表面活性剂在较低浓度就可以较好润湿无烟煤，质量分数为0.005 00%的OP-10表面活性剂溶液可以较好润湿无烟煤，但对于焦煤和瘦煤，所选用的浓度要较高，选用OP-10表面活性剂溶液时质量分数高达约0.500 00%。

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(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Experimental study on surfactant effect on coal dust wettability

GuiZhe1，LiuRonghua1,2，WangPengfei1,2，GouShangxu1，ShuWei1，TanXuanhao1

(1.School of Resource, Environment & Safety Engineering， Hunan University of Science & Technology，Xiangtan 411201， China； 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines， Hunan University of Science & Technology， Xiangtan 411201， China)

This paper aims to investigate the mechanism behind the wetting of surfactants in an effort to reduce the surface tension of water used for spraying for dust control in coal mine, and enhance the effect of water on the wettability of coal dusts. The study looks at the influencing factors of coal dust wettability by applying the method of comparative analysis, 4 kinds of commonly used surfactants, and 3 kinds of coal samples; and using the surface tension, contact angle experiment, and dust sinking experiments. The results demonstrate that an increase in mass fraction is followed by an increase in the wetting property of surfactants, of which nonionic surfactant OP-10 has the best wettability; surface tension, contact angle, and dust sinking time are only a necessary factor for evaluating the wettability of the surfactant, but not a decisive factor, and in this case, SDBS has a lower surface tension than OP-10, but in terms of the contact angle and settling time, OP-10 has a stronger wettability than SDBS; anthracite boasts a better wettability than coking coal and lean coal, leaving commonly-used lower surfactant concentration capable of a better wetting of anthracite, but a necessity arises for the selection of a higher surfactant concentration in the case of coking coal and lean coal.

surfactant; surface tension; contact angle; dust sinking; wettability

2016-08-09

国家自然科学基金项目(51574123)；湖南省研究生科研创新项目(CX2015B539)

桂 哲(1991-)，男，湖北省荆门人，硕士，研究方向：矿井通风与粉尘防治，E-mail:283766223@qq.com。

简介： 刘荣华(1964-)，男，湖南省邵阳人，教授，博士，研究方向：矿井通风与粉尘防治，E-mail:rhliu2008@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.009

TD714; X936

2095-7262(2016)05-0513-05

A