多组分表面活性剂复配对烟煤润湿效果研究

2024-02-12金靖艳唐明云江丙友王乐乐陈功辉

煤矿安全 2024年1期

金靖艳，唐明云，江丙友，王乐乐，陈功辉，王冬

（1.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001）

在煤炭的生产、运输、加工等过程中都会产生大量煤尘，不仅严重污染作业环境，对机器造成腐蚀，又易使作业人员患上尘肺病、矽肺病，并且在空气中达到一定含量时会发生爆炸，造成安全事故[1-3]。一般粒径1 mm 以下的煤尘都能参与爆炸，0.075 mm 以下的煤尘参与爆炸最多[4]。

针对上述危害，国内外大多通过喷雾洒水法进行抑尘[5]，众多研究表明，向水中添加表面活性剂能有效提高煤体的润湿性[6-8]。而单一的表面活性剂抑尘效率一般，故为了有效降低溶液的表面张力，提高抑尘效率，大量学者对表面活性剂复配进行了研究[9-14]。李皓伟等[15]以贵州百色集团六龙煤矿煤样为例，选用了4 种具有代表性的表面活性剂，分别是阴离子型的快速渗透剂 T 和SDBS、非离子型的渗透剂 JFCS、混合型的CAB-35，通过表面张力和接触角测定，优选出来浓度0.4%的快渗T 溶液用于现场煤层注水；翁安琦等[16]优选仲烷基磺酸钠(H95)、十二烷基二甲基苄基氯化铵(1 227)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35)、椰油酸二乙醇酰胺(CDEA)4 种表面活性剂，并按其临界胶束浓度(CMC) 两两复配，分别对单体和复配溶液进行表面张力、接触角及反渗试验，结果表明0.05%H95 和0.05%CDEA 的复配溶液对煤的润湿性最好；刘邱祖等[17]通过对10 种润湿剂的初步实验，利用沉降法优选出3 种试剂作为润湿剂复配试剂，利用交叉复配法和不同浓度值确定了16 种实验方案，根据沉降法和成本差价优选出复配润湿剂。

从以上文献分析可知，目前国内外学者对抑尘剂的研究取得了较好的成果，但大多数对表面活性剂的复配研究集中于双组分复配，而且对于表面活性剂的润湿性能考察也主要从实验角度进行分析比较。因此，选取烟煤为研究对象，对不同类型的表面活性剂进行了考察，结合分子模拟技术比较了其润湿性能的高低；并采用正交法研究了3 种类型表面活性剂的复配效果；以期优选出效果最佳的抑尘剂配方。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

烟煤是自然界中分布最广和最多的煤种。实验选取淮南潘三煤矿的烟煤作为研究对象，用磨煤机对其破碎、研磨。过直径75 μm 标准筛，筛选出75 μm 以下的煤尘，进行密封保存，置于避光阴凉处。煤样工业分析结果如下：水分为1.64%，灰分为16.47%，挥发分为34.75%，固定碳含量为65.25%。所选煤样为烟煤中的肥煤。

出于矿井下的工人健康考虑，所选的表面活性剂应当无毒、无刺激性，绿色环保，且润湿性能良好，以达到抑尘效果。并且烟煤分子的负电势部位容易被润湿，而阳离子型表面活性剂会与其表面的负电势部位结合，进而降低其润湿效果[18]。在此基础上，选取了阴离子型、两性离子型及非离子型表面活性剂，实验用表面活性剂见表1。

1.2 实验方法

表面活性剂的碳氢链覆盖在水的表面，而烷烃分子间作用力小于水分子间作用力，故表面活性剂吸附在水表面会导致水的表面张力降低[19]；煤尘沉降实验简单易行，并且能说明溶液对煤尘的润湿能力的强弱[20-21]。表面张力和沉降时间均能有效反映溶液的抑尘效果，通过此2 种考察指标，对每种离子类型的表面活性剂各自优选出最佳单体，然后进行正交试验。

每种实验均是由低浓度向高浓度进行，且每组实验做3 次，取平均值以减少误差。同时每项实验都以清水为对照组。

2 单体配方优选实验

2.1 表面张力实验

使用（泡沫）界面流变仪，采用悬滴法（上升气泡法）[22]进行了表面张力实验。对于悬滴法，在这种情况下能有效控制新形成的液体或气体表面受环境污染程度，同时也可以基本避免液滴在空气中的蒸发和挥发情况，还能较大程度减弱低黏度液滴受周围环境影响而发生抖动的现象，并且所有的测量值均来自同一个液滴，完全避免了表面张力值和时间计时方面的偏差问题[23]。

表面活性剂表面张力如图1。经测量，水的表面张力为72.22 mN/m。由图1 可知，在阴离子表面活性剂中，快渗T 的表面张力最小，先降低，然后在质量分数为0.10%时趋于稳定。在两性离子表面活性剂中，LAB-35 的表面张力随着浓度的增大而增大，而CAB-35 和BS-12 的表面张力较为稳定，且均在0.15%之后低于LAB-35。在非离子表面活性剂中，TWEEN-20 的表面张力随着浓度增大而增大，在0.10%之后趋于稳定，APG 的表面张力总体随着浓度增大而降低。

图1 表面活性剂表面张力Fig.1 Surfactants surface tension

2.2 煤尘沉降实验

为测量不同表面活性剂作用下煤尘的自然沉降时间，以MT 506—1996《矿用降尘剂性能测定方法》为标准，自行搭建一种简便的实验装置，煤尘沉降实验装置如图2。

图2 煤尘沉降实验装置Fig.2 Experimental device of coal dust deposition

将所选的8 种表面活性剂分别配制出质量分数为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的溶液，使用JJ2202BC 电子秤称量100 mg 煤粉，之后将煤粉通过漏斗均匀地沉入50 mL溶液中，用秒表记录下煤粉从接触液面到完全沉入的时间。煤尘沉降效果如图3（煤粉在水中处于漂浮状态，不发生沉降）。

图3 煤尘沉降效果Fig.3 Coal dust settling effect

表面活性剂不同质量分数下沉降时间分布如图4。由图4 可知：在阴离子表面活性剂中，快渗T 的沉降时间最短，在0.05% 时已达到稳定，SDS 在0.15% 时达到稳定，而K12 在0.20%时才达到稳定，快渗T＜SDS＜K12；在两性离子表面活性剂中，BS-12 沉降时间基本上随浓度的增大而减小，在0.15% 时趋于稳定，远小于LAB-35 和CAB-35；在非离子表面活性剂中，TWEEN-20 的沉降时间随着浓度增大而增大，效果不佳，APG 的沉降时间随着浓度增大而减小，并在0.20% 时处于稳定状态；所有试剂中，阴离子型表面活性剂沉降时间最短，效果最好。

图4 表面活性剂不同质量分数下沉降时间分布Fig.4 Distribution of sedimentation time under different mass fractions of surfactants

2.3 优选结果

依据表面张力实验和沉降实验的结果，从3种离子类型表面活性剂中各自优选出快渗T、BS-12、APG，分别在0.15%、0.15%、0.20% 时达到稳定，将其表面张力和沉降时间进行比较，优选试剂表面张力和沉降时间如图5。从图5 可以看出，不论是以表面张力还是沉降时间为考察指标，阴离子表面活性剂快渗T 效果都最好。

图5 优选试剂表面张力和沉降时间Fig.5 Preferred reagent surface tension and settling time

3 分子模拟

3.1 分子模型

目前，分子模拟技术的发展日趋成熟，可以从微观原子角度来解释一些现象，对表面活性剂的润湿机理进行很好的补充。分子力学是以经典力学为基础，由于体系中的分子坐标会发生实时变化，故可通过牛顿运动方程的求解，来获得模拟过程中粒子运动轨迹，进而计算出各分子之间的能量和一些力学性质等重要信息。

模拟使用Materials Studio 软件，利用Visualizer 模块构建了优选的3 种表面活性剂快渗T、BS-12 和APG 的分子模型。然后，利用Forcite 模块的Geometric Optimization 对分子模型进行优化，使分子的结构达到稳定。最后，将分子的静电势映射到电子密度面上，表面活性剂静电势分布如图6。

图6 表面活性剂静电势分布Fig.6 Surfactant electrostatic potential distribution

3.2 静电势

静电势是指分子某一点处的单位点电荷与整个体系之间的相互作用能，静电势绝对值越大，引起静电吸引相互作用的概率越大，越容易与水分子形成氢键，则越容易在溶液表面形成密集排列，即会降低溶液的表面张力，故形成氢键的难易可以体现出表面活性剂的润湿性能差异。而静电势绝对值的高低可以通过静电势区域颜色的深浅来判断[24]。

与BS-12 和APG 相比，快渗T 的极性基团处颜色最深，静电势绝对值最大，极易与水分子形成氢键。此结果与实际一致，实验中快渗T 的表面张力最低，沉降时间最短。故优选的3 种表面活性剂中，阴离子表面活性剂快渗T 效果最好。

4 抑尘剂复配正交试验

4.1 正交试验的因素和水平

优选出阴离子表面活性剂快渗T、两性离子表面活性剂BS-12、非离子表面活性剂APG 3 种单体试剂作为正交试验的3 个因素A、B、C；其各自在0.15%、0.15%、0.20%时表面张力达到稳定，以0.05% 为浓度梯度，选取3 个最佳浓度作为3水平。正交试验因素水平见表2。

表2 正交试验因素水平表Table 2 Factor level table of orthogonal experiment

4.2 正交试验极差

对设计出的3 因素3 水平正交试验的9 组方案继续进行表面张力实验和沉降实验，正交试验结果见表3。然后对实验数据进行极差分析，极差分析结果见表4。其中，ki为各因素试验结果之和的均值；R为极差值，R越大，表示因素越重要。

表3 正交试验结果Table 3 Orthogonal experiment results

表4 极差分析结果Table 4 Range analysis results

由表4 可知：从表面张力分析，3 个因素中APG 对表面张力的影响最大，快渗T 对表面张力的影响最小；从沉降时间分析，APG 对沉降时间的影响最大，BS-12 对沉降时间的影响最小。分别根据表面张力和沉降时间2 项考察指标，选取此3 种因素的极差最小项组合作为配方，可以优选出2 种最佳复配方案：A2B2C3和A2B1C2。

对优选得出的2 组复配方案继续进行实验，实验结果得出配方A2B2C3表面张力为20.27 mN/m，沉降时间为30.47 s；配方A2B1C2表面张力为16.95 mN/m，沉降时间为20.95 s。故最佳复配方案为A2B1C2，即质量分数为0.20% 的快渗T、质量分数为0.15% 的BS-12、质量分数为0.25%的APG 等比例复配，其表面张力和沉降时间均为最低。

4.3 正交试验结果

将此优选配方复配效果与单体试剂进行对比，优选配方各性能指标比较见表5。

表5 优选配方各性能指标比较Table 5 Comparison of performance indexes of optimized formula

由表5 可知：复配试剂的表面张力为16.95 mN/m，比快渗T 降低了30.59%，比BS-12 降低了38.54%，比APG 降低了41.69%；复配试剂的沉降时间为20.95 s，比快渗T 加快了20.34%，比BS-12 加快了94.01%，比APG 加快了58.72%。说明此复配方案具有很好的协同效果，能显著提高溶液的润湿性能。