煤尘抑尘剂优化设计的试验研究

2022-11-18赵振保阎杰谢军舒新前郝永江

北京理工大学学报 2022年11期

赵振保，阎杰，谢军，舒新前，郝永江

（1. 太原科技大学煤矿粉尘智能监测与防控山西省重点实验室，山西，太原 030024；2. 河北建筑工程学院土木工程学院，河北，张家口 075000；3. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083）

煤尘是矿井开采和加工等过程中产生的颗粒物，许多属于可吸入颗粒物甚至可入肺颗粒物，可以长时间悬浮于大气中，造成从业人员的尘肺疾病以及安全生产事故. 喷雾降尘作为传统降尘技术，一直是工业生产过程中大量使用的有效降尘技术. 但是鉴于水的表面张力过大，加之煤尘表面的润湿性相对较差，许多情况下，喷雾降尘难以达到降尘效果. 为此，越来越多的研究致力于开发和使用抑尘剂，进行粉尘的高效抑制[1-3]. 抑尘剂通常由表面活性剂、黏结剂、添加剂和水按照一定比例配比后加工而成，具有良好的润湿和对煤尘的抑制能力. 尤其是近年来，随着全社会对环保和安全的更多关注，学者们开始进行高效抑尘剂的开发与应用[4-6]. 毕瑞卿等[7]研究表明，抑尘剂中的试剂类型以及溶液的pH 值，影响煤尘的润湿性及表面电性. 秦桐等[8]研究表明，表面活性剂的润湿效果与试剂种类、结构、浓度和表面张力等因素相关，同时受到煤尘表面结构的影响. 本课题组阎杰等[9]建立了团聚模型，进一步讨论了溶液黏度对颗粒团聚效果的影响. 结果表明，溶液的黏度越高，团聚效果越好. 总的说来，煤尘的性质与结构、表面活性剂与团聚剂的类别性质等，均影响煤尘的润湿、团聚性能. 因此，只有全面研究煤尘的基本性质，分析表面活性剂和添加剂与煤尘的作用过程和机理，才能深入了解抑尘剂促进煤尘润湿和团聚的强化作用机理，提高降尘效率.

在抑尘剂的配制过程中，由于表面活性剂和黏结剂的种类繁多、作用机理各不相同，为探讨不同种类、不同浓度试剂制抑尘剂的性能，往往需要进行大量繁杂的实验，以找出抑尘剂的优化配方[10-12]. 为此，本文在实验室结果分析的基础上，尝试通过响应面分析法，寻找试剂种类和用量最佳的抑尘剂配比，以大大降低实验工作量与实验消耗，为抑尘剂的优化配置提供准确的理论依据[13-14].

1 试验部分

1.1 煤质分析

试验选取一种榆林煤（YL）为研究对象，经破碎、筛分及烘干后进行工业分析和元素分析，测得结果见表1.

表1 煤尘的工业分析和元素分析Tab. 1 Proximate and ultimate analysis of coal dust

由表1 可知，YL 煤的挥发分质量分数在10%～40%之间，初步判定该煤尘属于中等变质程度的烟煤； YL 煤尘水分质量分数为3.7%，灰分质量分数为28.8%；元素分析中C 元素所占质量分数为78.4%，O 元素所占质量分数为13.4%，H、S、N 的质量分数都很低.

1.2 试验仪器

本实验所需设备主要包括用于测定YL 煤在不同浓度表面活性剂溶液中接触角的接触角测定仪：JGW-360A 型；用于测定YL 煤在表面活性剂中透过率的分光光度计：7 200 型；对煤尘进行工业分析的工业分析仪：TF-G6800；元素分析仪：Vario MACRO CHNS；电子天平：FA2204B；高速破碎机： YS-08；电热鼓风干燥箱等设备：GZX-9240MBE.

1.3 表面活性剂的选择

煤尘的性质决定选择表面活性剂需要无毒无味、不可燃、价格低廉、环保型的表面活性剂为宜. 本文分别选择了非离子型表面活性剂APG-10，阴离子型表面活性剂SDBS 和APAM 进行复配研究.

2 响应面试验设计

2.1 试验试剂的选择

通常，煤尘的润湿效果以接触角的大小作为表征参数. 接触角越小，表面润湿效果越好；反之亦然.将APG-10、SDBS、APAM 三种表面活性剂配制成不同浓度的溶液，利用接触角测量仪测定表面活性剂与煤尘的接触角. 表面活性剂与煤尘作用的接触角见图1. 其中横坐标表示表面活性剂的质量浓度，纵坐标表示接触角.

图1 表面活性剂溶液在YL 煤尘表面的接触角Fig. 1 Contact angle of surfactant solution on YL coal dust surface

从图1 可以看出，不同浓度的表面活性剂均能对YL 煤的润湿性产生影响. 其中，对于YL 煤尘来说，表面活性剂对YL 煤的润湿效果顺序为APG-10＞SDBS＞APAM，当APG-10 的质量浓度为0.4%时，煤尘与表面活性剂的接触角最小，仅为28°. 因此如果采用单一表面活性剂，APG-10 的润湿效果是最好的. 本文拟采用三种表面活性剂进行复配，仍选取APG-10 作为其中一种响应变量.

2.2 响应面实验设计[15-19]

根据图1 数据显示出APG-10 对YL 煤的润湿效果是最好的，非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂复配的效果是最好的，因此分别选取APG-10 作为A响应变量，SDBS 作为B响应变量，APAM 作为C响应变量，按照Box-Behnken 中心组合实验设计原理，以沉降时间（s）和透过率（%）作为响应值，通过响应面软件进行分析，获得复配体的最佳质量浓度配比，如表2 所示.

表2 响应面实验的因素与水平Tab. 2 Factors and level of response surface experiment

3 结果与讨论

3.1 试验试剂的选择

采用中心组合设计试验，输入响应面实验的因素与水平，考察三响应变量对沉降时间、渗透率的影响，所得的中心组合试验设计及结果如表3 所示.

表3 响应面实验设计及结果Tab. 3 Design and results of response surface experiment

3.2 润湿性响应面结果分析

①模型建立及方差分析.

通过对表3 中数据进行回归分析，获到了复配体系（A+B+C）对沉降时间的回归方程

对回归方程进行方差分析，结果见表4.

表4 二次模型方差分析表Tab. 4 Analysis table of quadratic model variance

由表4 可知，模型的相关系数0.908 2，方程的F值为7.69，概率0.006 8＜0.01，失拟项的F值为4.48，概率为0.090 7＞0.05，说明该模型具有相当的可靠性，分析和预测复配溶液润湿性较高时的最优配比. 由表中显著性可知，参数B、C、BC是模型中的显著模型参数，说明SDBS、APAM 在复配体中，对煤尘润湿性起主导作用；其中APAM 作为黏结剂，依靠氢键作用团聚煤尘的同时也起到了润湿煤尘的作用.

②响应面图形分析.

三个试剂单体对润湿性的影响及两两试剂之间的交互作用，见响应面三维图2 所示.

图2（a）中，是APAM 质量浓度为0.04%时，APG-10 和SDBS 质量浓度对煤尘沉降时间的影响. 从图中可以看出，APG-10 和SDBS 之间存在重要的交互作用，意味着，当SDBS 的质量浓度增加时，APG-10质量浓度可以适当的减小，反之亦然.

图2 试剂浓度对沉降时间的响应面三维图Fig. 2 Three - dimensional response surface diagram of reagent concentration to settling time

图2（b）中，是SDBS 质量浓度为0.40%时，APG-10 与APAM 质量浓度对煤尘沉降时间的影响. 从图中可以看出，APG-10 对沉降时间的相对影响较小，而随着APAM 质量浓度增加，沉降时间逐渐降低，进而改善润湿效果.

图2（c）中，是APG-10 质量浓度为0.20%时，SDBS与APAM 质量浓度对煤尘沉降时间的影响. 从图中可以看出，SDBS 的影响不大，而APAM 对沉降时间的影响比较明显. 随着APAM 质量浓度的增加，沉降时间出现了先减小后增大的趋势. 主要原因在于黏结剂质量浓度增加，增大了煤尘表面分子间的静电斥力，阻碍了煤尘表面润湿.

③最优化条件.

通过软件分析可知，煤尘润湿性最好时各成分的最佳质量浓度为：阴离子聚丙烯酰胺（APAM）0.04%，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）0.40%，烷基糖苷（APG-10）0.20%，且最小沉降时间为35.87 s.

3.3 团聚性响应面结果分析

①模型建立及方差分析.

通过对表3 中数据进行回归分析，得到复配体系（A+B+C）对透过率的回归方程

对回归方程作进一步分析，方差分析见表5.

表5 二次模型方差分析表Tab. 5 Analysis table of quadratic model variance

由表5 可知，模型的相关系数0.919 0，方程的F值为8.83，概率0.004 5＜0.01，失拟项的F值为1.30，概率为0.390 0＞0.05，说明该模型是显著的，可以用来分析和预测复配溶液的团聚效果的最优配比.

由表5 中显著性可知，参数B、C、BC是模型中的显著模型参数，即SDBS、APAM 对团聚影响很大，提高了煤尘的团聚性，并且二者有明显的交互作用.因此，在反应过程中对煤尘团聚起主导作用的依然是黏结剂APAM，而表面活性剂SDBS 在一定程度上提高了黏结剂在煤尘表面的吸附作用，形成大的絮凝物，加速粒子沉降.

②响应面图形分析.

三个试剂单体对团聚性的影响及两两试剂之间的交互作用，见响应面三维图3 所示.

图3（a）中，是APAM 质量浓度为0.04%时，APG-10 和SDBS 质量浓度对煤尘透过率的影响. 从图中可以看出，随着APG-10 质量浓度的增加，透过率呈先升高后减小的趋势，且变化幅度较小；随着SDBS质量浓度的增加，透过率明显提高，当质量浓度为0.5%时，透过率最大，团聚效率效果最好.

图3 试剂浓度对透过率的响应面三维图Fig. 3 Three - dimensional response surface diagram of reagent concentration to transmittance rate

图3（b）中，是SDBS 质量浓度为0.40%时，APG-10 与APAM 质量浓度对煤尘透过率的影响. 从图中可以看出，APG-10 与APAM 具有重要的交互作用，随着APG-10 质量浓度的增加，APAM 质量浓度适当减小，团聚效果好，反之亦然.

图3（c）中，是APG-10 质量浓度为0.20%时，SDBS与APAM 质量浓度对煤尘透过率的影响. 从图中可以看出，二者具有明显交互作用，SDBS 和APAM 质量浓度增加，透过率都有明显的提高，且二者质量浓度达到最大值时，透过率达到91%左右，团聚效果最好.

③最优化条件.

通过软件分析可知，煤尘团聚性最好时各成分的最佳质量浓度为：烷基糖苷（APG-10）0.15%，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）0.50%，阴离子聚丙烯酰胺（APAM）0.04%，最优透过率达到91.70%.

3.4 抑尘剂最优化条件及实验验证

综合以上实验结果，应用响应面软件对最优效果进行分析，当APG-10、SDBS、APAM 的质量浓度分别为0.17%，0.49%，0.05%时，模型预测的沉降时间为34.902 5 s，透过率为93.725 9%. 为了验证响应面分析法对实验结果预测的准确性，采用预测浓度进行了3 组平行实验，并取平均值进行比较. 对于YL 煤尘，当试剂单体质量浓度分别为APG-10：0.17%，SDBS：0.49%，及APAM：0.05%时，可同时达到润湿和团聚的最佳状态.