鼠李糖脂润湿煤尘表面特性研究

王林芝，郝晋辉，宋军，周锦文，高志宏，李琪，刘慧军，李兆森

（山西汾西矿业（集团） 有限责任公司双柳煤矿，山西吕梁 033300）

0 引言

基于资源消耗与环境保护的双重约束，习近平书记在关于能源革命的重要论述中指出：要坚持以人民为中心的价值取向，切实提升能源产业的多元化、生态化水平[1]。立足于我国多煤、少油、贫气的基本国情，煤炭仍将长期占据我国能源市场的主体地位，因此如何推进煤炭开采行业清洁生产成为煤企关注的焦点[2]。

煤尘作为煤矿开采的主要污染源，对其进行高效降尘是治理井下作业环境的核心[3]，化学抑尘作为煤尘控制的重要方法之一，因其良好的降尘性能在煤尘治理领域应用广泛[4]。王凯[5]等研究了化学表面活性剂SDBS、Triton X-100 及无机盐对煤尘润湿性的影响；林明磊[6]等探究了阴、非离子型表面活性剂复合对疏水煤体的协同效应；相海涛[7]等分析了AEO-9 及NP-10 化学表面活性影响无烟煤润湿性的因素；赵璐[8]等通过对比不同类型表面活性剂润湿低阶煤的效果，筛选了适用于低阶煤的抑尘剂。然而传统抑尘剂的原料大多为石化材料制备的合成表面活性剂[9]，往往具有生物毒性和低生物降解性，不符合绿色除尘的初衷。

目前新型抑尘剂逐渐向环保、高效、无二次污染方向发展[4]。鼠李糖脂作为已工业化的经微生物发酵提取的生物类表面活性剂，具备优良的化学和生物特性，无毒无害且可生物降解，在能够有效降低水的表面张力充当润湿剂的同时，兼具环境修复效果[10]。本文将以表面张力、接触角、沉降时间为评价指标，衡量鼠李糖脂对煤尘的润湿性能，确定鼠李糖脂溶液的最佳润湿浓度，并结合傅里叶红外光谱试验，分析鼠李糖脂对煤尘微观结构特性的影响，最终通过喷雾降尘试验计算鼠李糖脂的降尘效率，试验结果可为生物型表面活性剂在降尘领域的应用提供参考。

1 试验仪器及方案

1.1 煤样及试剂

试验所用煤样来自双柳煤矿，为低中灰、特低硫和高热值的焦煤。将球磨机碾磨粉碎后得到的煤粉放入200 目的筛格进行筛分，烘干备用，所得煤样可作为本次试验所用样品。试验选用的鼠李糖脂选自上海麦克林生化科技股份有限公司，纯度≥95%，将其按质量分数0.005%、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%、0.2%配置成8 种不同浓度的试剂，贴上标签以作区别。

1.2 试验方法

1.2.1 表面张力测定

将8 种不同质量浓度的鼠李糖脂溶液经磁力搅拌器搅拌均匀后，采用HTYZL-H 型全自动表面张力仪，按照GB6541-86《石油产品油对水界面张力测定法》[11]（圆环法） 标准进行表面张力测定，测定温度为25 ℃，每组试剂重复测试3 次取平均。

1.2.2 接触角测定

采用压片机将煤粉加压至20 MPa，保持2 min，压制成厚度均匀的圆形薄片进行接触角试验。使用东莞市晟鼎精密仪器有限公司生产的SDC-350型接触角测量仪测量不同质量浓度下鼠李糖脂溶液与煤片的接触角，每组试剂重复测试3 次取平均，试验流程如图1 ～图2 所示。

图1 表面张力试验Fig.1 Surface tension test

图2 接触角试验Fig.2 Contact angle test

1.2.3 沉降时间测定

根据《矿用降尘剂性能测定方法》[12]（MT506-1996） 标准进行沉降时间测定，按照标准沉降测试示意图搭建煤尘沉降时间测试装置，仪器如图3 所示。称取30 mL 不同浓度的鼠李糖脂溶液至烧杯，称取50 mg 的煤粉使其从漏斗中下落至滤纸中心，通过调节升降台的高度，使载有溶液的烧杯与煤尘接触，记录滤纸与溶液开始接触直至煤粉全部浸没在溶液中所需的时间为煤尘沉降时间，每组试剂重复测试3 次取平均。

图3 沉降时间测试装置Fig.3 Settlement time test device

1.2.4 傅里叶红外光谱试验

试验采用布鲁克傅里叶红外变换光谱仪（德国），通过对比鼠李糖脂溶液浸泡前后煤尘表面官能团的变化，分析影响煤尘润湿性变化的因素如图4 所示。采用空白KBr 片进行背景采集，以1∶100 的质量比将煤样与KBr 均匀混合，研磨干燥后使用压片机压制成透明薄片，置于红外光谱仪样品仓进行透射测试，扫描范围为4000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数设置32 次。

图4 红外光谱测定Fig.4 Infrared spectrometry

1.2.5 喷雾降尘试验

2)监测数据显示最大位移大概位于开挖深度为8 m左右，模拟显示最大位移出现在12 m左右，这与模拟土层的划分情况、现场施工操作和基坑模型考虑的深度也比现场标准段深2 m左右可能都有一定关系.

自行设计搭建矿井模拟巷道进行喷雾降尘试验，如图5 所示。试验过程中煤尘由粉尘发生器在0.5 m/s 风速下（《煤矿安全规程》规定，采煤工作面风速范围为0.25～4 m/s），以一定的进给速度均匀喷入框体，经粉尘测定仪定时检测框体内煤尘浓度，其工作原理如图6 所示。

图5 模拟巷道平台搭建Fig.5 Simulation roadway platform construction

图6 模拟巷道工作原理图Fig.6 Simulation roadway working principle diagram

通过对比喷洒鼠李糖脂溶液前后框体内的全尘浓度、呼尘浓度，计算降尘效率，并设置清水喷洒作为对照试验，重复测量3 次取平均。

降尘效率计算公式如下：

式中：η 为降尘效率；C1为降尘前空气煤尘浓度；C2为降尘后空气煤尘浓度。

2 试验结果及分析

2.1 鼠李糖脂溶液表面性能分析

表面张力是一种液体分子间自发的，有使表面收缩趋势的力，其值大小与溶液性质有关，表面张力越小，液体润湿煤尘的能力越强。不同质量浓度下鼠李糖脂溶液的表面张力如图7 所示，当鼠李糖脂浓度从0.005%增加到0.200%时，表面张力从56.70 mN/m 降低到29.14 mN/m，同比水的表面张力最大下降了60.69%（当地水的表面张力为73.74 mN/m），表明鼠李糖脂能够有效降低水的表面张力，具有用作煤尘抑尘剂的基本性能。质量浓度达到0.04%后，鼠李糖脂溶液的表面张力值起伏变化不大。

图7 鼠李糖脂溶液表面张力变化曲线Fig.7 Surface tension change diagram of rhamnolipid solution

2.2 鼠李糖脂溶液润湿性能分析

2.2.1 接触角分析

煤尘的润湿性通常通过溶液滴落后与煤尘表面形成的夹角来进行表征，即接触角可以反映溶液润湿煤尘的能力。图8 为不同质量浓度下鼠李糖脂溶液滴落煤尘表面所形成的接触角。由图可知，鼠李糖脂溶液在煤尘表面越舒展，则接触角值越小，煤尘越容易被浸润。

图8 煤尘表面鼠李糖脂液滴示意Fig.8 Schematic diagram of rhamnolipid droplets on coal dust surface

不同质量浓度下鼠李糖脂溶液在煤尘表面的接触角变化如图9 所示，当鼠李糖脂浓度从0.005%增加到0.200%时，接触角值从60.40°降低到28.29°，同比水的接触角最大下降了56.33%（当地水的接触角值为64.78°）。质量浓度达到0.04%后，接触角值起伏变化不大，与表面张力的变化规律一致。

图9 鼠李糖脂溶液接触角变化曲线Fig.9 Contact angle diagram of rhamnolipid solution

2.2.2 沉降时间分析

根据沉降煤尘质量、煤尘完全浸没于鼠李糖脂溶液中的沉降时间可计算得到沉降速度。不同质量浓度下煤尘在鼠李糖脂溶液中的沉降情况如图10所示，随着质量浓度上升，煤尘沉降时间变短，沉降速度提高，表明鼠李糖脂溶液对煤尘的润湿能力增强。在达到0.04%～0.06%浓度后，变化逐渐趋于平缓，结合表面性能与润湿性能分析，从经济成本考虑，确定鼠李糖脂的最佳润湿浓度为0.04%。

图10 煤尘沉降情况变化Fig.10 Variation diagram of coal dust deposition

2.3 鼠李糖脂对煤官能团特性的影响

煤的化学结构是影响煤理化性质的关键因素，通过对比官能团种类及含量的变化，可以在微观结构上揭示鼠李糖脂溶液对煤尘的改性机理。图11为鼠李糖脂溶液与清水改性后煤尘的红外光谱图，谱图中峰的位置及峰的强度代表不同官能团的种类及含量。由图11 可知，鼠李糖脂溶液及清水改性后煤尘的特征吸收峰基本不变（清水改性曲线中2340 cm-1处的小峰为空气中CO2干扰峰），但峰强发生了明显变化。据图11 显示，峰强变化主要集中在3000～3600 cm-1的羟基结构特征吸收峰及1000～1800 cm-1的含氧官能团特征吸收峰。

图11 改性煤尘红外光谱图Fig.11 Infrared spectrogram of modified coal dust

3412 cm-1处为分子间氢键O-H 的伸缩振动，鼠李糖脂溶液改性后煤尘在此处的峰强明显强于清水，说明鼠李糖脂结构中存在的强极性羟基能够促进煤与水分子间氢键的形成，从而增强水分子在煤尘表面的吸附，提高煤尘表面亲水性。3041、1600 、1435 cm-1处为芳环C=C 骨架振动，对比鼠李糖脂溶液与清水改性后形成的峰强，说明鼠李糖脂的加入加剧了煤尘分子的振动频率，1030 cm-1处则可能为煤尘中Si-O-Si 官能团或存在的醚键形成的吸收峰。

红外谱图的分析结果解释了鼠李糖脂溶液与清水润湿煤尘性能差异的原因。

2.4 鼠李糖脂溶液降尘性能分析

降尘效率的测定可以直观反映溶液的抑尘效果，表1 为喷洒鼠李糖脂溶液前后与喷洒清水前后煤尘的浓度变化。

表1 降尘效率测量结果Table 1 Dust removal efficiency measurement results

表1 中，降尘前框体内的初始全尘浓度基本稳定在660 mg/m3，初始呼尘浓度稳定在399 mg/m3，喷洒鼠李糖脂溶液后，全尘浓度降低至137.84 mg/m3，呼尘浓度降低至100.07 mg/m3，全尘、呼尘降尘效率分别达到79.11%，74.93%，同比清水的全尘、呼尘降尘效率分别增长了41.5%、42.48%，抑尘效果显著。该测定结果一定程度上可以反应鼠李糖脂溶液的现场应用效果。

3 结论

（1） 由表面性能分析、润湿性能分析证明生物表面活性剂—鼠李糖脂具有用作煤尘抑尘剂的基本性能，且通过对比不同质量浓度下鼠李糖脂溶液的表面张力、接触角及沉降时间，综合成本因素，确定其最佳润湿浓度为0.04%。

（2） 对比鼠李糖脂溶液与清水改性后煤尘的红外谱图，确定鼠李糖脂影响煤体微观结构的关键在于分子中存在的含氧基团及羟基。

（3） 通过搭建模拟巷道进行降尘效率测定，计算得出喷洒鼠李糖脂溶液的全尘降尘效率为79.11%，呼尘降尘效率为74.93%。