煤粉粒径及含量对纳米流体润湿强化效果的影响

吴光先,赵管柱,杜佩剑,贾雪祺,秦兴林

(1.山西保利合盛煤业有限公司,山西 晋中 031300;2.重庆大学 资源与安全学院,重庆 400044;3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;4.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)

深部煤层具有高地应力、高瓦斯、低透气性的特点,加大了瓦斯治理难度,严重制约了煤矿的安全生产[1-3]。目前高突矿井在煤层瓦斯治理过程中主要通过地面井[4]、开采保护层[5]、井下钻孔[6]等方式进行抽采。其中,施工井下钻孔进行煤层瓦斯抽采最为常用,而钻孔施工常面临巷道粉尘严重、钻孔排渣慢等问题,不仅给作业人员的身体健康造成严重威胁,也会导致钻孔抽采效率不稳定,使用寿命缩短,严重的甚至影响矿井采-掘-抽平衡[7];同时,大直径钻孔、定向钻孔工程施工周期长、造价高,如果在抽采时间和效率上无法有效发挥作用,也会给矿方造成巨大的经济损失。

针对以上问题,国内外诸多学者通过实验室与现场研究等手段开展了大量的工作[8-9]。经研究发现,氟碳表面活性剂[10]、十二烷基苯磺酸钠[11]等表面活性剂能改变煤体润湿性,将煤体表面由亲油性转化为亲水性,增加液体润湿煤体的效率,为作业现场水力降尘提供思路,但由于井下作业周期较长,需要大量的润湿剂来保障工作面降尘及煤层注水的效果,成本较高,无法实现现场的广泛应用。SiO2纳米流体作为一种新型流体,能够改变煤体表面张力与润湿性[12],且价格低廉、环境友好。

本文使用不同质量分数的SiO2纳米流体对煤粉进行润湿处理,并测量煤粉处理前后的表面接触角,对比不同粒径和不同质量煤粉受纳米流体改性的效果,分析影响纳米流体润湿效果的因素,微观观察纳米颗粒在煤体表面的赋存状态,探究纳米流体对煤粉润湿强化的机理。

1 实验方法与表征

1.1 实验材料

实验所用煤尘取自陕西省神木市四门沟煤矿。为了保证实验的准确性,在取样完成后,将取得的一整块煤样进行粉碎、干燥和筛分,从而获得了3种不同粒径范围(60～80目、80～100目、100～150目)的煤尘。在润湿性研究中,接触角是衡量材料表面润湿性的关键参数之一,接触角越小,被测材料的润湿性就越好。对3种粒径范围的煤尘进行了初始接触角测试,3种煤尘的初始接触角分别为89.37°、89.42°和87.56°,都接近90°,表明其表面亲水性不佳。

实验选用平均粒径为20 nm的亲水性SiO2纳米颗粒,纳米颗粒的真实密度为2.1 g/cm3,其形状为近球形,颜色为白色。在此使用的水基SiO2纳米流体均采用两步法进行制备:超声时间为20 min,超声功率为200 W,最终得到颗粒质量分数为0.1%、0.5%、1.0%和1.5%的水基SiO2纳米流体。

实验中采用落置液滴法(落滴法)进行接触角测量,图1为落滴法示意图。首先调整接触角测量仪底座保证仪器水平,将压片后的煤粉放置在测量台上,调整测量台高度和角度,保证摄像头能拍到完整液滴,使用注射器挤出一滴去离子水滴落到被测压实煤粉表面,旋转旋钮升起注射器,操作计算机使摄像头拍照记录液滴在被测压片煤粉表面的形态,计算左、右接触角及平均接触角。

图1 落滴法测量煤粉表面接触角Fig.1 Measurement of contact angle of coal powder surface by dropping method

实验设计对照组与实验组,对照组用去离子水润湿煤粉,实验组用不同质量分数的水基SiO2纳米流体润湿煤粉。首先将不同粒径、不同质量的煤粉放置在分装瓶中,注入不同质量分数的纳米流体,具体分组如表1所示。拧紧分装瓶后晃动均匀,常温常压放置24 h,使煤粉在纳米流体中被完全浸润。对照组取3个分装瓶,编号为W-11、W-12、W-13,分别称量3种粒径范围的煤粉各0.5 g,分别注入20 ml去离子水中,重复实验组操作。

表1 煤粉样品分组Table 1 Grouping of coal powder samples

1.2 表征与测试

通过接触角测试量化表征SiO2纳米流体对煤粉表面润湿性的影响。煤粉经润湿处理24 h后,使用200目漏斗分别过滤分装瓶内液体,留下润湿后的煤粉,将煤粉转移到干燥的分装瓶中并均匀摆放至干燥箱中,调节温度为60℃,干燥12 h后测量其质量,后续间隔12 h多次测量质量,直至相邻两次数据差值小于0.01 g,表明煤粉质量不再发生变化,停止干燥。将干燥完成的润湿后煤粉从分装瓶中取出,进行压片处理,使用接触角测量仪对压实煤粉进行接触角测量并记录数据。为了观察纳米流体润湿煤粉的微观形态,将去离子水润湿后的煤粉和纳米流体润湿后的煤粉分别进行扫描电镜(SEM)测试。

2 结果与讨论

2.1 煤粉粒径对纳米流体润湿强化效果的影响

如图2所示,通过对粒径60～80目、80～100目和100～150目的煤粉进行润湿实验和接触角测量,比较纳米流体对不同粒径煤粉的润湿强化效果。从图2(b)中可以看出,用质量分数为0.1%的纳米流体处理后的样品,其接触角随煤粉粒径的增加呈现“V”字型,最大值和最小值可相差15.51°,且质量分数为0.1%的纳米流体对80～100目的煤粉润湿效果最好。从图2(c)中可以看出,质量分数为0.5%的纳米流体对60～80目的煤粉润湿效果最好;当煤粉量增加,煤粉接触角受目数增加产生的变化减小,接触角数值趋于稳定。从图2(d)中可以看出,质量分数为1.0%的纳米流体对粒径小、细密的煤粉润湿强化能力差。从图2(e)中可以看出,随着煤粉目数增加,经质量分数为1.5%的纳米流体润湿后的煤粉接触角整体呈先上升后平缓的趋势,润湿强化效果先降低后维持稳定。说明质量分数为1.5%的纳米流体对较大粒径煤粉有更好的润湿强化能力,而对于目数大于80目的细小煤粉润湿效果大幅下降,并且当煤粉目数大于80目时,接触角稳定在36°～40°,不再随煤粉粒径减小而大幅变化。

图2 不同粒径煤粉经不同质量分数纳米流体润湿后接触角变化曲线Fig.2 Contact angle variation curves of coal powder with different particle sizes after wetting of nanofluids with different mass fractions

综合比较发现,纳米流体与去离子水对煤粉的润湿效果随粒径的变化有很大不同。如图2(a)所示,去离子水润湿后的煤粉随煤粉粒径减小,接触角减小,润湿强化效果提升;而经质量分数大于0.5%的纳米流体润湿的煤粉随粒径减小,接触角增加,润湿强化效果降低。但整体来看,纳米流体的润湿强化能力仍远高于去离子水,将亲油性煤粉转化为亲水性,煤粉表面接触角将降低至20°～30°。

2.2 煤粉含量对纳米流体润湿强化效果的影响

保持SiO2纳米流体含量一定,通过增加煤粉含量改变纳米流体与煤粉配比,分析煤粉配比对纳米流体润湿强化效果的影响。如图3(a)所示,对于60～80目的煤粉,随着煤粉含量增大,煤粉接触角并未发生明显变化,波动相对稳定。如图3(b)所示,80～100目煤粉的接触角会随煤粉质量增加而降低,润湿性增强;当纳米流体质量分数达到1.5%时,随煤粉质量变化,接触角未发生较大改变,维持在40°左右。而对于100～150目的煤粉而言(图3(c)),除质量分数为0.1%的纳米流体润湿后煤粉接触角随煤粉质量增加而增加外,其余质量分数的煤粉接触角均随煤粉质量增加而减小,并且当SiO2纳米流体质量分数大于1.0%后,随煤粉质量变化,煤粉接触角变化程度较小。

(a) 60～80目煤粉

(b) 80～100目煤粉

(c) 100～150目煤粉图3 不同含量煤粉经不同质量分数纳米流体润湿后接触角变化曲线Fig.3 Contact angle variation curves of coal powder with different contents after wetting of nanofluids with different mass fractions

综上所述,当润湿实验中纳米流体质量分数较小时,煤粉润湿性易受煤粉质量变化产生部分变化;当纳米流体质量分数较大时,煤粉润湿性在煤粉质量发生变化时维持在一个相对稳定的状态,并未产生较大波动,接触角维持在40°左右,具有较好的润湿性。

2.3 煤粉表面形貌分析

为了观察纳米流体润湿煤粉的微观形态,将去离子水润湿后的煤粉和纳米流体润湿后的煤粉干燥处理后,分别进行扫描电镜测试。图4为去离子水润湿后煤粉在干燥处理后进行SEM扫描的图像。图4(a)中,去离子水润湿后煤粉表面比较平整,除存在一些杂质外,整体较光滑;图4(c)和4(d)中,画面聚焦在细小褶皱处,可以看到煤粉表面比较平整光滑但吸附了一些颜色较浅的杂质颗粒。整体来看,去离子水润湿后的煤粉在干燥处理后表面相对平整,存在少量杂质附着。

图4 去离子水润湿后的煤粉表面形貌Fig.4 Surface morphology of coal powder after deionized water wetting

图5为不同质量分数纳米流体润湿的煤粉经干燥处理后的SEM图像。对比发现质量分数为0.1%纳米流体润湿后的煤粉表面纳米颗粒比较分散,能观察到单独存在的纳米颗粒,并且纳米颗粒分布相对较少,而经质量分数为0.5%、1.0%、1.5%的纳米流体润湿后的煤粉,其表面的纳米颗粒呈团聚状,且相互连接聚集,分布广泛。尤其是图5(d)中的纳米颗粒堆积层数多且广泛覆盖于煤粉表面。

对比去离子水润湿后煤粉与纳米流体润湿后煤粉的表面形貌,可以明显发现纳米流体对煤粉表面原始形态改变显著,煤粉表面多处被纳米颗粒覆盖,煤粉原本平整、光滑的表面由于纳米颗粒的存在变得粗糙。纳米颗粒在煤粉表面的聚集状态随着纳米流体质量分数的增加由分散转变为聚集,覆盖程度逐渐增加,但颗粒间连接并不紧密。

图5 不同质量分数纳米流体润湿后煤粉表面形貌Fig.5 Surface morphology of coal powder after wetting of nanofluids with different mass fractions

2.4 表面元素分析

电镜扫描测试后,又对煤粉表面进行EDS能谱分析,分析煤粉表面各元素的分布情况。由图6可以发现,原始图片左边部分为“云朵状”聚集颗粒,通过EDS成像后元素分析发现,此部分大量赋存的元素为Si和O,可以说明吸附聚集在煤粉表面的颗粒为SiO2纳米颗粒,同时赋存少量C,说明SiO2纳米颗粒虽然覆盖在煤粉表面,但也留有一部分空隙。对比右下角,可以发现在没有纳米颗粒明显团状聚集的部分,C的表观含量并不高,粉色颗粒密度不大,且同时也存在绿色和红色颗粒,说明部分煤粉表面虽然没有形成纳米颗粒团聚形态但也有少量纳米颗粒均匀分布。

表2为纳米流体润湿后煤粉表面EDS能谱分析数据,可以看到,Si和O元素的表观浓度较大,分别为53.30和36.22,而C的表观浓度较小,说明煤粉表面未被SiO2纳米颗粒附着的部分占少数。

图6 纳米流体润湿后煤粉表面元素分布Fig.6 Surface element distribution of coal powder after nanofluid wetting

表2 煤粉表面EDS能谱分析Table 2 Energy dispersive spectrometer analysis of coal powder surface

3 结论

1)改变被润湿煤粉的目数发现,随着粒径增大纳米流体强化效果也逐渐增大,但整体而言,纳米流体润湿强化效果仍优于去离子水,最高将煤样接触角降低63°,使煤粉表面由亲油性转化为亲水性。

2)通过SEM扫描去离子水和纳米流体润湿后的煤粉表面,发现水润湿后的煤粉表面相对平整光滑,而纳米流体润湿后的煤粉表面多处被纳米颗粒覆盖且分布不均匀。随着纳米流体质量分数的增加,纳米颗粒在煤粉表面的聚集状态由分散转变为聚集,覆盖程度逐渐增加。

3)通过对纳米流体润湿后的煤粉表面进行EDS能谱分析,发现煤粉表面的大量团聚状颗粒的元素组成为Si和O,表观浓度分别为53.30和36.22,说明团聚状颗粒为二氧化硅纳米颗粒。同时,在无明显团聚状颗粒的煤粉表面,也可以检测到Si和O的分布,说明未形成纳米颗粒团聚状态的煤粉表面存在少量纳米颗粒均匀分布。