多因素影响的煤尘润湿性机理研究*

王 凯,徐 敏,杨孟娇,周 彪,李雨航

(1.中国矿业大学(北京) 共伴生能源精准开采北京市重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院,北京 100083)

0 引言

煤炭资源在我国国民工业生产中占据着重要的战略地位[1-2]。随着我国的国民经济发展,火力发电行业、建材行业和冶金行业对于煤炭的需求也日益增加[3]。据预测,至2040年我国的煤炭消费量将仍然是全球最大的国家,占到世界煤炭总消费量的39%[4-5]。井下漂浮的大量煤尘会污染井下的作业环境,同时大量的煤尘聚集在一起,在一定的条件下还会导致煤尘爆炸事故的发生[6-8]。

自然界的润湿现象是指原本的气-固界面被液-固界面取缔的过程[9-10]。对于煤尘而言,在润湿过程有黏湿、浸湿和铺展3种方式,润湿程度也是依次递增[11]。为提高抑尘剂的除尘效率,许多研究人员通过将各种表面活性剂进行复配或者添加无机盐等增效剂进行抑尘溶液的研发。研究表明[12]:加入电解质会加速表面活性剂在溶液中形成胶束。因为电解质会减少溶液中的电荷,减轻离子性亲水基团之间的排斥力。表面活性剂是由亲水基和疏水基组成的物质,通过增加煤尘表面亲水位点、降低溶液的表面张力来增强煤尘的润湿性和团聚性[13]。阴离子和非离子表面活性剂对改善煤尘润湿性能的效果较好,在复配时通常选用阴离子和非离子表面活性剂的组合[12,14-16]。

为进一步完善煤尘润湿机理,不少学者针对煤的物化性质进行研究[17-20]。从粒径出发对煤尘润湿性进行研究,发现煤尘的分形维数与接触角成正线性关系,即煤尘的粒径与其润湿性呈正相关关系,粒度分形维数与其润湿性成负相关关系。Yang等[21]发现煤尘的孔隙结构的发达程度和其润湿性成负相关。粒径较小的煤尘的开放性孔的数量会增多导致煤尘的比表面积增大,在煤尘表面形成气膜,且自身重力较轻,易受到流场力的作用,不利于润湿行为的发生。润湿煤尘的机理是一个复杂的多因素过程,涉及到煤尘颗粒表面性质、润湿剂的物化特性、环境条件等多个因素。目前润湿机理的研究仍存在着许多的不足,研究多数集中在单一因素的研究上,对于这些因素之间的相互作用和影响关系还存在一定的不足。

本文通过理论分析和实验相结合的方法,对煤尘的抑尘机理进行全新的探究。首先,从煤尘自身的性质出发,着眼于润湿性能的改善,研发具有良好润湿性能的新型无机盐复合溶液。通过对溶液的实验研究,扩充已有的关于无机盐协同单一表面活性剂对煤尘润湿性的影响规律,并对无机盐与阴离子-非离子表面活性剂共同作用对煤尘润湿性的影响机理进行总结,深入分析无机盐和表面活性剂之间的相互作用,揭示它们在润湿过程中的协同作用机制,对于理解煤尘的润湿行为具有重要意义。

1 实验样品及润湿性能分析实验

1.1 实验煤样的制备

本文所选用的煤样采自内蒙古新街台格庙矿区,其煤层赋存条件较好,属低瓦斯、低硫、低灰煤层,煤种以不粘煤为主。将煤样进行剥离、破碎、研磨,通过不同孔径的筛子进行筛分,得到实验煤样。

1.2 接触角测量实验

采用压片的方式进行制样,将从破碎完成后的煤样在研钵内进行研磨,使其颗粒分布均匀,通过台式压片机在压力为20 MPa的压力下将台格庙煤尘制成厚度约为1 mm,直径约为1 cm的圆柱体形状的煤片,最后利用光学液滴形态分析测量仪,测定蒸馏水与煤尘的接触角。

1.3 表面张力实验

液体的表面张力是液体分子间分子力的表现形式,是评估溶液润湿性能的指标。表面活性剂能够降低溶液的表面张力,是因为它们亲水基团和疏水基团的共同作用,亲水基团负责吸引分子进入水溶液,而疏水基团负责阻止分子从水中溶解并离开水相。在这2种基团的共同作用下,水表面形成一层非极性碳氢链,导致水的表面张力降低。

1.4 沉降实验

煤尘的沉降实验可以直观地评估其润湿性能的优劣[22]。本文使用的煤尘沉降实验装置如图1所示。使用电子天平称量50 mg的煤尘样品,并缓慢倒入漏斗中,使其在滤纸表面形成煤堆。将滤纸置于金属环底部,并调节升降平台,使煤粉与溶液接触。此时,滤纸迅速吸收液体,与煤样分离,煤尘缓慢浸润到溶液中,完成沉降过程。煤尘的沉降速度如式(1)所示:

图1 煤尘沉降实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of coal dust settlement experimental device

V=δ/t

(1)

式中:V为煤尘的沉降速度,mg/s;δ为煤尘的沉降量,mg;t为煤尘的沉降时间,s。

1.5 溶液的选择及配制

选取2种阴离子表面活性剂:十二烷基硫酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS);2种非离子表面活性剂:聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)和APG 06;分别按照0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.3%和0.5%的质量分数进行溶液配制。选取无机盐Na2SO4、NaCl、K2SO4和CaCl2分别配制成浓度为0,0.3,0.6,0.9 mol/L的溶液,将其与选出的阴-非离子复合表面活性剂溶液0.05%SDBS+0.3%Triton X-100(4∶1)按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1比例进行混合。

2 无机盐复合溶液润湿性能测试及规律分析

2.1 表面活性剂溶液的优选分析

如表1所示为不同类型不同质量分数的表面活性剂的沉降速率,可以看出4种表面活性剂溶液都可以增强煤尘的润湿性能。其中,非离子表面活性剂Triton X-100润湿效果最明显,阴离子表面活性剂SDBS次之,非离子表面活性APG 06润湿效果相对最差。为更好地反映出煤尘样沉降速率的变化,将上表中的数据进行绘图,如图2所示。

表1 煤尘样在不同溶液中沉降速率Table 1 Settlement rates of coal dust samples in different solutions

图2 煤尘在不同溶液中沉降速率变化趋势Fig.2 Variation trend of settlement rate of coal dust samples in different solutions

由图2可知,SDBS溶液与煤尘样的沉降速率在质量分数为0.05%左右时,变化趋势开始趋于平缓;SDS溶液在0.1%左右变化趋势开始趋于平缓;Triton X-100溶液在0.3%左右变化趋势开始趋于平缓;APG 06溶液在0.1%左右变化趋势开始趋于平缓。随着溶液质量分数的增加,煤尘中分子数增加,形成稳定胶束,减小表面张力,加快煤尘润湿速率。其中,SDBS和Triton X-100 2种表面活性剂溶液的润湿性能相对较好。

润湿性能较强的复配方案为质量分数为0.05%SDBS与质量分数为0.3%Triton X-100,按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的比例进行两两复配,同时利用表面张力和接触角进行方案优选,数据如表2所示。

表2 不同比例下溶液的接触角及表面张力Table 2 Contact angle and surface tension of solutions with different proportions

由表2可知,当阴离子表面活性剂SDBS与非离子表面活性剂X-100的比例为4∶1时其接触角数值与表面张力数值达到最低值。接触角的最低值达到25.95°,远远低于质量分数为0.05%时的SDBS的接触角43.89°,也低于质量分数为0.3%时的Triton X-100的接触角32.84°。这表明比例为4∶1时的0.05% SDBS与0.3%Triton X-100复配组合对煤尘的润湿性能的改善起到很好的协同作用。

2.2 无机盐溶液的优选分析

将浓度分别为0,0.3,0.6,0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4和CaCl2溶液,分别与上一节优选出的复合表面活性剂溶液0.05%SDBS+0.3%Triton X-100(4∶1)按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1比例进行均匀混合,优选出润湿性能更好的无机盐溶液。如图3(a)～图3(d)所示,0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl和K2SO4复合溶液的最小接触角数值分别为21.54°、22.80°、24.84°,均小于阴-非离子复合表面活性剂溶液的最小接触角25.95°。但CaCl2复合溶液的最小接触角为41.33°。说明CaCl2盐溶液不能和表面活性剂起到协同润湿作用。在浓度为0.9 mol/L,复合比例为4∶1的条件下,Na2SO4复合溶液降低接触角的能力最强,NaCl复合溶液次之,K2SO4复合溶液的降低接触角作用不明显。

图3 不同复合比例下溶液的接触角变化Fig.3 Change in contact angle of solutions under different composite proportions

如图4(a)～图4(d)所示,不同无机盐复合溶液的表面张力变化趋势图。其中,Na2SO4溶液降低的最为显著,且随着浓度的增加,表面张力数值逐渐减小。当阴-非离子复合表面活性剂溶液与Na2SO4、NaCl、K2SO4无机盐溶液的比例为4∶1时,无机盐复合溶液的表面张力值最小,分别为26.10,28.20,28.72 mN/m。这些数值都小于阴-非离子复合表面活性剂溶液的最低表面张力值29.06 mN/m。因此,向复配溶液中添加Na2SO4、NaCl、K2SO4溶液可以降低溶液的表面张力,增强润湿性能。

图4 不同复合比例下溶液的表面张力变化Fig.4 Change in surface tension of solutions under different composite proportions

为了更好地体现出无机盐与表面活性剂复合溶液的协同作用,通过测试煤尘样在4种无机盐溶液的沉降速率来进行验证。实验结果显示,当阴-非离子复合表面活性剂溶液与无机盐溶液的配比为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5时的沉降速率会发生明显的沉降现象,其数据绘制如图5(a)～图5(d)所示。由图5可知,无机盐溶液的加入对沉降速率的影响都比较明显,其中Na2SO4溶液作用最明显。当复合配比在8∶2时,其沉降的速率达到最大值,且当加入的无机盐溶液浓度为0.9 mol/L时,沉降速率明显加快。0.9 mol/L的Na2SO4的润湿效果最佳,并与表面活性剂复合溶液的配比为4∶1时润湿性能最好,因此将此比例作为复配的最佳浓度配比。

图5 不同复合比例下溶液的沉降速率变化Fig.5 Change in settlement rate of solution under different composite proportions

2.3 多因素协同作用下的煤尘润湿性规律分析

为确定无机盐复合溶液中对煤尘润湿性起主导作用的表面活性剂,在质量分数为0.05%SDBS溶液和质量分数为0.3%的Triton X-100中依次按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的复合比例加入0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4无机盐溶液,并进行接触角、表面张力及沉降速率实验。首先,在0.05%的SDBS溶液中,按照4∶1、2∶3、3∶2、4∶1的复合比例依次加入0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4无机盐溶液,并测试它们的接触角和表面张力,结果如图6所示。

图6 SDBS与不同无机盐溶液的接触角和表面张力Fig.6 Contact angles and surface tension between SDBS and different inorganic salt solutions

如图6(a)～图6(b)所示,Na2SO4的润湿效果最好。在4∶1的比例下,Na2SO4与表面活性剂单体的润湿效果最佳,接触角为33.06°。无机盐溶液的加入大大增强润湿性能,Na2SO4与阴-非离子表面活性复合溶液的最低接触角为21.54°。NaCl、K2SO4的实验结果与Na2SO4溶液一致,表明在无机盐复合溶液中,无机盐离子与表面活性剂之间存在协同作用。通过比较接触角和表面张力曲线,发现Na2SO4表现出最佳润湿性能。Na2SO4与阴-非离子表面活性剂复合溶液的最低表面张力值为26.10 mN/m,低于Na2SO4与SDBS复合溶液和SDBS单体的最低表面张力值。按照上述操作在0.3%的TritonX-100中依次按照1∶4、2∶3、3∶2、4∶1的复合比例加入0.9 mol/L的Na2SO4、NaCl、K2SO4无机盐溶液,同时测试其接触角及表面张力的数值,将得到的结果进行整理,如图7所示。

图7 Triton X-100与不同无机盐溶液的接触角和表面张力Fig.7 Contact angles and surface tension of Triton X-100 with different inorganic salt solutions

如图7(a)～图7(b)所示,Na2SO4复合溶液降低接触角的能力最强,其次是NaCl复合溶液。在4∶1比例下,无机盐与表面活性剂单体的润湿性能效果最佳。Na2SO4、NaCl、K2SO4与Triton X-100复合溶液的最小接触角分别为28.84°、30.65°和31.15°,低于Triton X-100的临界胶束浓度对应的接触角32.84°。说明无机盐的加入增强表面活性剂溶液的润湿性能。同样对比分析NaCl、K2SO4无机盐在不同溶液中的最小表面张力的数值,均是表面活性剂单体的表面张力值最大,无机盐与单体的复合溶液的次之,无机盐与阴-非离子表面活性复合溶液的最小,这意味着无机盐溶液的加入在一定程度上增强非离子表面活性剂的润湿性能,两者之间存在相互协同润湿的作用。

2.4 多因素作用下的煤尘润湿机理分析

实验发现Na2SO4,NaCl,K2SO4溶液能增强润湿性能,因为煤中的高岭土具有亲水性[12]。硫酸盐阴离子的加入可以缓解高岭土的毛细管润湿作用,增加煤体表面的亲水位点。煤具有正负表面位点的混合,阴离子吸附在这些位点上能增强煤的亲水性。根据双层理论,煤表面形成带负电荷的反离子层和扩散层。阴离子有时会不理想地吸附在带正电荷的煤晶格点上,将其转变为非润湿状态。加入含多价阴离子的试剂可以避免表面活性剂的离子交换反应[23]。无机盐阴离子的加入不仅恢复亲水位点,还使表面活性剂以适当方向吸附在疏水位点上,转变为亲水状态。同时,无机盐阴离子的加入还减小与表面活性剂阴离子头基团之间的斥力,增强溶液的润湿。无机盐协同阴-非离子表面活性剂吸附到煤尘表面的润湿规律如图8所示。

图8 无机盐复合溶液在煤尘表面的吸附润湿机理Fig.8 Adsorption wetting mechanism of inorganic salt composite solution on coal dust surface

无机盐的加入对非离子表面活性剂的润湿性能涉及到盐析作用和盐溶作用。在盐溶作用中,无机盐使得溶液中的无机盐离子与非离子表面活性剂的疏水端发生增溶作用,导致疏水作用减弱,疏水基在溶液中逃逸到水相的同时,在液-气界面的吸附量也减少,使得表面张力增大。而在盐析作用中,无机盐使得溶液中的无机盐离子与非离子表面活性剂的疏水端发生析出作用,导致疏水作用增强,更多的表面活性剂分子逃逸到水相后向液-气界面聚集,导致溶液的表面张力降低。无机盐的添加可以减轻高岭土对毛细管润湿的影响,同时抵消阴离子表面活性剂对润湿性的不利影响。此外,还能增加煤体表面的亲水性位点及阴离子表面活性剂的吸附密度。在阴-非离子表面活性剂的复合过程中,以分散方式共同吸附在煤尘表面。随着阴离子表面活性剂的吸附量增加,复合在煤尘表面的非离子表面活性剂数量也增加,从而增强煤尘表面的亲水性。

3 结论

1)通过表面活性剂单体润湿性能测试,优选出0.05%SDBS和0.3%Triton X-100作为阴-非表面活性剂复配单体,且比例在4∶1时的湿润性能均优于浓度配比方案,接触角为25.95°,溶液的表面张力为29.06 mN/m,煤尘在溶液中的沉降速率为11.820 33 mg/s。

2)在阴-非离子表面活性剂复配溶液中加入合适的无机盐能有效增强溶液的润湿性能,(SDBS+Triton X-100)+Na2SO4的湿润性能最好,当SDBS、Triton X-100、Na2SO4的浓度分别为0.05%、0.3%、0.9 mol/L,SDBS+Triton X-100和(SDBS+Triton X-100)+Na2SO4比例均为4∶1时其润湿性最佳。

3)通过对比分析Na2SO4与阴离子表面活性剂SDBS和Triton X-100不同组合制备溶液的润湿性能,发现无机盐对阴离子表面活性剂的增效作用更为显著,说明,无机盐与阴离子-非离子复合表面活性剂的协同作用主要包括无机盐阴离子的加入恢复高岭土的吸附能力并增加煤表面的亲水性位点。