活性磁化水改善无烟煤煤尘润湿性能的研究

庞杰文，谢建林，赵振保，郝永江，韩巧云，梁磊

（1.太原科技大学 安全与应急管理工程学院，山西，太原 030024；2.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；3.湖南科技大学 土木工程学院，湖南，湘潭 411201）

煤尘是煤矿井下开采的主要危害之一，主要表现在煤尘爆炸和尘肺病职业危害两方面[1-5].其产生位置主要在采煤工作面和掘进工作面.为了有效降低作业环境粉尘浓度，国内外学者做了大量尝试[6-7].目前在煤矿井下应用最为广泛的降尘措施为喷雾降尘，而传统的喷雾降尘效果并不理想，其主要原因之一在于大多数情况下水滴难以湿润煤尘形成大颗粒沉降.

许多学者通过添加表面活性剂改善煤的湿润性[8]，从而提高抑尘效率.关于表面活性剂的研究主要集中在离子表面活性剂[9-11]、非离子表面活性剂[12-14]、天然表面活性剂[15]和复合表面活性剂的研究[16-20].而另一部分学者发现，采用磁场磁化方法可降低水的表面张力，从而改善水对煤尘的湿润作用.NIE 等[21]研究发现采用磁场磁化方法可以降低矿井水的表面张力，在矿井水中添加适宜的表面活性剂，表面张力降低甚至大于磁化对矿井水的作用.从降低表面张力的角度来看，采用磁场磁化矿井水与表面活性剂的应用结合，会发挥更加明显的作用.WANG等[22]研究了不同溶质体积分数和磁场作用时间处理对抑尘剂的作用，发现磁化处理对非离子表面活性剂溶液的影响比较明显.ZHOU 等[23-24]为了有效提高降尘水的润湿性能，开发了一种具有表面活性磁化水的新型防尘技术，可以明显提高降尘效率.

上述关于表面活性剂、活性磁化水改善煤尘湿润性研究，所选煤样多为褐煤和烟煤.而YAO 等[25]通过核磁共振（NMR）和X 射线光电子能谱（XPS）实验研究发现无烟煤相较于褐煤、气煤，煤样多环芳香结构紧凑，表面含氧官能团几乎全部脱除，润湿性差.

为此，一些学者[26-31]试图通过添加非离子试剂或离子试剂来改善水对无烟煤尘的湿润作用.因此，为了提高无烟煤尘的降尘效率，对活性磁化水的试剂、浓度、磁化强度、磁化时间进行实验研究，优选最佳表面活性剂及其添加浓度、最佳磁化参数，将之用于产生活性磁化水并进行现场应用，对于无烟煤尘降尘具有较好的现实意义.

1 实验材料

1.1 煤 样

煤样取自山西沁水煤田东南部15 号煤，为无烟煤.将煤样粉碎并筛至250 目以下，由FW-4A 型粉末压片机以30 MPa 压力压制，形成煤样压片，用于溶液的接触角测量实验.

1.2 溶 液

用于本实验的溶液有4 种，溶质分别为：十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基磺酸钠和尘克C&C 矿用除尘剂，溶剂为水，水取自山西沁水煤田煤矿井下管道静压水.依据实验方案，以上溶液分别配备6 种不同浓度（质量分数分别为0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，0.30%）.

2 实验设备及实验方法

2.1 实验设备

2.1.1 磁化仪器

磁化实验磁场由TY1000 型永磁测量仪提供.该仪器可通过直流电源进行励磁，磁场稳定可调.为了确定最佳磁化强度和磁化时间，本研究中采用TY1000 型永磁测量仪分别为实验提供100，200，300，400，500 mT.

2.1.2 表面张力测试仪

表面张力采用JYW-200B 型微控全自动液体表面张力仪进行测试.采用脱环法测量液体的表面张力，可实时记录脱环过程中液体薄膜的张力，直至薄膜破裂，取整个过程中的最大张力为液体的表面张力.

2.1.3 接触角测试仪

采用JY-PHb 接触角测定仪进行实验液体的接触角测量.测量时，先将待测液体滴于固体表面，待固-液-气三相界面平衡后进行拍摄，在影像中做液面的切线，并测量切线与固体界面的夹角，所得夹角就是接触角.

2.2 实验方法

2.2.1 最佳溶液和最佳浓度

为了选取湿润性最好的溶液，分别采用矿井管道水配备了十二烷基硫酸钠（SDS）溶液、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）溶液、十二烷基磺酸钠溶液和尘克C&C 溶液.各溶液分别以6 种浓度配备：质量分数0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，0.30%.然后，对所配备溶液进行表面张力测试，根据表面张力测试结果选取最优溶剂及溶液浓度.

2.2.2 最佳磁化强度

根据聂百胜等[32]的研究结果，矿井水在磁化1～5 min 时，其表面张力趋于稳定.为了确定最佳磁化强度，分别对最优表面活性溶液施加磁场磁化并测定不同磁化强度下溶液的表面张力.实验磁场强度依次为：100，200，300，400，500 mT.磁化时间为5 min.

2.2.3 最佳磁化时间

为了确定最佳磁化时间，分别对最优表面活性溶液施加不同时间的最优磁场强度的磁场.磁化时间分别为：60，120，180，240，300 s.然后，选取最优磁化时间区间，并在最佳磁化时间区间内，分别对最优表面活性溶液进行磁化，磁化时间间隔为10 s，同时测试不同磁化时间下溶液的表面张力，以确定最佳磁化时间.

2.2.4 活性磁化水优化参数评价

为了评价活性磁化水的湿润性，其在低水分无烟煤煤样压片表面的接触角是一个很重要的参数.在本研究中，分别测试了矿井管道水、最优表面活性溶液、最优活性磁化水在低水分无烟煤煤样压片表面的接触角，并计算了粘附功、浸湿功、扩展功，以评价活性磁化水的优化效果.

3 结果与讨论

3.1 煤的湿润性

图1 为本实验所选煤样的接触角测试结果图，由图可以看出，煤样的接触角为74.2°，相较于其他类型的煤[30]（接触角为20.55°，22.34°，34.23°和29.75°），其接触角明显偏大，具有较强的疏水性.

图1 煤样的接触角测试结果图Fig.1 Contact angle test results of coal samples

表1 为煤样的工业分析结果，其水分为1.97%.根据XU 等[31]的研究结论，煤尘的水分越大，湿润性越好，其实验所用煤样的水分分别为1.44，1.84，1.28，3.71，1.42，5.83，5.52，6.17.与之相较，所选煤样水分小于2%，为低水分煤样，湿润性较差.

表1 煤样的工业分析Tab.1 Proximate analysis of coal samples

3.2 不同表面活性剂溶液的湿润性

如图2 所示，4 种溶液随着浓度的增加，表面张力逐渐趋于稳定.十二烷基磺酸钠溶液质量分数大于0.20%时，溶液表面张力趋于稳定.表面张力最小时，溶液质量分数为0.30%.十二烷基硫酸钠（SDS）溶液质量分数大于0.05%时，溶液表面张力趋于稳定.表面张力最小时，溶液质量分数为0.15%.十二烷基苯磺酸钠（SDBS）质量分数大于0.15%时，溶液表面张力趋于稳定.表面张力最小时，溶液质量分数为0.30%.尘克C&C 溶液质量分数大于0.05%时，溶液表面张力趋于稳定.表面张力最小时，溶液质量分数为0.10%.由图可以看出，相较于十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和十二烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠（SDS）和尘克C&C 可以较大程度地降低溶液的表面张力，提高溶液对低水分无烟煤颗粒的湿润性.同时，考虑到尘克C&C 溶液具有无腐蚀、无污染、可生物降解、不造成二次污染的特性，最终选择质量分数0.10%尘克C&C 溶液作为最优表面活性溶液.

图2 不同溶剂溶液的表面张力Fig.2 Surface tension of different solutions

3.3 溶液表面张力随磁化强度的变化

如图3 所示，磁化5 min 后的矿井静压水和质量分数0.10%尘克C&C 溶液表面张力会降低，最大降低幅度分别为7.28%和7.54%.最佳磁场强度均为300 mT.

图3 不同磁化强度条件下矿井静压水与质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的表面张力Fig.3 Surface tension of mine hydrostatic water and 0.10wt% C&C solution under different magnetization conditions

无论矿井静压水还是质量分数0.10%尘克C&C溶液，随着磁场强度的增加，其溶液表面张力先减小后增大.这是因为磁场的施加可使溶液发生三方面的变化，分别是：①磁场可破碎水分子簇，使之成为许多小分子体[33]，从而减弱其表面张力.②磁场可使溶液分子之间的氢键断裂，使得溶液具有更强的极性，更容易与煤表面的悬键结合，从而湿润煤体[34].③适当的磁场会使得溶液表面的亲水基团更加致密，从而增强溶液的湿润性.磁场强度的增加，使得这三方面的影响逐渐增大，表现为溶液的表面张力逐渐减小.然而，过度的磁化可使溶液表面的亲水基团脱落，使得溶液湿润性变差，表现为过度磁化后溶液表面张力逐渐增加[35].

由图3 可知，质量分数0.10%尘克C&C 溶液的表面张力为33.2 mN/m.加入质量分数0.10%尘克C&C 试剂，使得溶液表面张力由59.1 mN/m 下降到33.2 mN/m，下降幅度为43.82%.磁化强度为300 mT，磁化5 min 的矿井静压水的表面张力为54.8 mN/m.最佳磁化强度下，矿井静压水的表面张力由59.1 mN/m下降到54.8 mN/m，下降幅度为7.28%.由此可知，与试剂对溶液湿润性的提升效果相比，磁化作用对溶液湿润性的提升较小.

3.4 溶液表面张力随磁化时间的变化

确定最优磁化时间，对磁化装置设计及经过磁化装置时的流量参数控制很重要.如图4（a）所示，在300 mT 的磁化强度下，磁化时间超过60 s 时，矿井静压水和质量分数0.10%尘克C&C 溶液表面张力逐渐趋于稳定.磁化强度为300 mT，磁化时间60 s 时，矿井静压水和质量分数0.10%尘克C&C 溶液表面张力最小，分别为52.0 ，31.5 mN/m.

图4 不同磁化时间下矿井静压水与质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的表面张力Fig.4 Surface tension of mine hydrostatic water and 0.1wt% C&C solution under different magnetization times

为了确定最优磁化时间，分别测定了磁场强度为300 mT，磁化时间为30，40，50，60，70，80，90 s 时的溶液表面张力.由图4（b）可以看出，磁化时间在30～90 s 范围内，矿井静压水的表面张力波动性变化，磁化时间为60 s 时，矿井静压水的表面张力最小.而质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的表面张力在50 s 时有一个明显的拐点，之后表面张力趋于稳定.拐点处，质量分数0.10% 尘克C&C 溶液表面张力最小.磁场强度为300 mT，质量分数0.10% 的尘克C&C 溶液的最佳磁化时间为50 s.

3.5 活性磁化水湿润性评价

如图5 所示，矿井静压水 的接触角为74.2°.质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的接触角为34°.相较于矿井静压水，其接触角减小了54.18%.质量分数0.10%尘克C&C 磁化水的接触角为15.5°.相较于矿井静压水，其接触角减小了79.11%.由此可以看出，质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水具有更好的润湿性能，提升了溶液对低水分无烟煤颗粒的浸湿能力.

质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的表面张力为33.2 mN/m.相较于矿井静压水，其表面张力减小了43.82%.质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水的表面张力为31.3 mN/m.相较于矿井静压水，其接触角减小了47.04%.由此可以看出，尘克C&C 试剂和磁化相结合可更好地降低溶液的气-液界面张力，使得溶液与低水分无烟煤颗粒接触时，更容易排出固-气-液三相界面的气体，以减弱其湿润阻力.

图6 展示了三种的溶液的粘附功、铺展功和浸湿功.这三种功可表征溶液雾滴捕集低水分无烟煤颗粒的能力.

图6 溶液粘附功、铺展功以及浸湿功的改善情况Fig.6 Improvement of solution adhesion work, spreading work, and wetting work

喷雾降尘抑尘的过程中，煤尘的润湿过程分为三个过程[20]，即煤尘颗粒被沾湿，溶液在煤尘颗粒上铺展，煤尘颗粒完全被浸湿.

煤尘的沾湿是指液体与煤体从不接触到接触，变液-气界面和固-气界面为固-液界面的过程.这个过程使得系统（初始为固-气系统、液-气系统，最终为固-液系统）的表面自由能降低，其降低值通常用Wa来表示，称为粘附功，可用式（1）计算[23,36].粘附功越大，表明溶液湿润性越好.

式中：γsg为气-固界面张力(mN/m)；γlg为气-液界面张力(mN/m)；γsl为固-液界面张力(mN/m).

铺展过程是固-液界面代替气-固界面，且扩展了气-液界面的过程，单位面积系统的自由能降低，降低值用S表示，称为铺展功.可用式（2）计算[23,36].铺展功越接近0，表明溶液越容易在煤尘颗粒表面铺展，当铺展功大于0 时，溶液可在煤尘颗粒表面连续铺展，取代煤尘颗粒表面的空气.

式中：Wc为液滴的内聚功（mN/m），可由式（3）计算得出

煤尘的浸湿是指固体浸入液体，固-液界面变为固-气界面的过程.系统（初始为固-液系统，最终为固-气系统）自由能降低，其降低值通常用Wi表示，称为浸湿功，可用式（4）计算[23,36].浸湿功越大，表明溶液的湿润性越好.

式中θ为煤-溶液界面处的接触角（°）.

根据YANG 氏方程[37]，即γlgcosθ=γsg-γsl,Wa，S的计算公式可简化为式（5）式（6）

由图6(a)和图6(b)可以看出，矿井静压水的粘附功为75.23 mN/m，质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的粘附功为60.73 mN/m，质量分数0.10% 尘克C&C磁化水的粘附功为61.46 mN/m.矿井静压水沾湿低水分无烟煤颗粒的能力优于质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水，而质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水沾湿低水分无烟煤颗粒的能力优于质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水.添加尘克C&C 试剂削弱了溶液沾湿低水分无烟煤颗粒的能力，而对溶液进行磁化，可提升溶液沾湿低水分无烟煤颗粒的能力.

矿井静压水，质量分数0.10% 尘克C&C 溶液，质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水的铺展功分别为-42.97，-5.67，-1.14 mN/m.由图6(b)可以看出，添加尘克C&C 试剂和对溶液磁化，均可以提升溶液的铺展功.相较于矿井静压水，质量分数0.10% 尘克C&C磁化水的铺展功最大，提升了97.35%，更趋近于0，更容易在低水分无烟煤颗粒表面铺展.

矿井静压水的浸湿功为16.13 mN/m，质量分数0.10% 尘克C&C 溶液的浸湿功为27.53 mN/m，质量分数0.10%尘克 C&C 磁化水的浸湿功为30.16 mN/m.添加尘克C&C 试剂，对溶液磁化可逐步提升溶液的浸湿功，增强溶液浸湿低水分无烟煤颗粒的能力.相较于矿井静压水，质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水的浸湿功最大，增大了87.01%，使溶液更容易捕集低水分无烟煤颗粒.

综上所述，质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水的湿润性能最好.其接触角为15.5°.相较于矿井静压水，其接触角减小了79.11%.表面张力为31.3 mN/m.相较于矿井静压水，其表面张力减小了47.04%.就其捕集低水分无烟煤颗粒的能力而言，尽管质量分数0.10%尘克C&C 磁化水使得溶液的粘附功降低了18.3%，降低了溶液的粘附能力，但极大程度地提升了溶液的铺展能力和浸湿能力.表现为，铺展功提升了97.35%，浸湿功提高了87.01%.而在溶液湿润特性评价中，周群等[23]更以溶液的铺展功和浸湿功为基础评价溶液的湿润性能.因此，质量分数0.10% 尘克C&C 磁化水可更好地捕集低水分无烟煤颗粒.

4 现场应用

根据实验结果，最佳溶剂是尘克C&C，最佳质量分数为0.10%，最佳磁化强度是300 mT，最佳磁化时间是50 s.基于以上参数，将质量分数0.10%尘克C&C 磁化水应用于山西晋城采煤工作面采煤机内外喷雾、各转载点以及防尘网等装置的喷雾用水.此工作面走向长947 m，倾斜长178 m，煤层厚度为1.2～2.1 m，煤层倾角为4°～7°.工作面采高为1.6 m.主要除尘措施有：工作面进回风巷安设净化风流水幕；采煤机、液压支架及破碎机、转载地点安装防尘罩及喷雾装置.

为了了解活性磁化水的现场降尘效果，在采煤司机处设置了粉尘监测点，粉尘采样仪器选用AKFC-92A 型矿用粉尘采样器，采样时间为3 min，采样时采煤机处于运转状态.采用矿井静压水作为喷雾用水时，其全尘浓度为212.12 mg/m3，采用质量分数0.10%尘克C&C 磁化水后，其全尘浓度为132.52 mg/m3.降尘效率提高了37.53%.

5 结 论

①试剂及其浓度可降低溶液的表面张力，改善溶液的湿润性.通过测试6 种浓度的十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基磺酸钠和尘克C&C 矿用除尘剂溶液，发现质量分数0.10%的尘克C&C 溶液其表面张力最小且环境友好，相较于矿井静压水，可使表面张力下降43.83%（至33.2 mN/m）.

②不同的磁化参数（磁化强度以及磁化时间）会影响水分子簇的破裂，氢键的断裂以及溶液分子表面亲水基团的密度，进而影响溶液的表面张力.通过改变质量分数0.10%尘克C&C 溶液的磁化强度及磁化时间，并测试其表面张力，获得了质量分数0.10%尘克C&C 溶液最优磁化参数，最优磁化强度为300 mT，最优磁化时间为50 s.

③质量分数0.10%尘克C&C 磁化水生成的雾滴对低水分无烟煤颗粒具有更好的捕集作用.相较于矿井静压水，质量分数0.10%尘克C&C 磁化水接触角减小了79.11%（至15.5°）.表面张力减小了47.04%（至31.3 mN/m）.溶液的粘附功降低了18.3%，降低了溶液的粘附能力，而铺展功及浸湿功分别提升了97.35%，87.01%.极大提升了溶液的铺展能力和浸湿能力.

④通过现场应用试验，使用质量分数0.10%尘克C&C 磁化水作为采煤工作面的喷雾降水，可提高采煤工作面喷雾降尘效率，相较于使用矿井静压水喷雾降尘，其降尘效率提高了37.53%.