煤礦噴霧降塵用新型潤濕劑優(yōu)選復(fù)配基礎(chǔ)試劑的實驗

常宸瑋，趙 媛，劉 暢，趙明越

(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256603)

1 潤濕劑除塵機理

1.1 濕潤劑簡介及除塵機理

液體之所以能夠潤濕固體，是因為固體表面能對液體產(chǎn)生了吸引力，與被潤濕的表面接觸，親油鏈段吸附在固體表面，親水基向外伸向水中。把水和基材的接觸，變成了水和潤濕劑的親水基團接觸，形成了以潤濕劑為中間層的夾層結(jié)構(gòu)。使水相更容易鋪展，從而達到潤濕的目的。在噴霧降塵過程中，霧滴與霧滴、霧滴與粉塵顆粒以及粉塵顆粒之間都會發(fā)生碰撞，在這三種情況下，僅有霧滴與粉塵顆粒之間的碰撞才可能有降塵效果[1]。換言之，只有當(dāng)液滴表面張力足夠小時，塵粒才能被吞沒在液滴中。粉塵與霧滴的吸附過程如圖1所示。

圖1 粉塵與霧滴的吸附過程示意圖Fig.1 Adsorption process schematic diagram of the dust and droplets

研究表明，潤濕劑是一種表面活性劑，由親水基與疏水基組成，在防塵用水中添加潤濕劑后，塵粒與液滴相互碰撞，當(dāng)碰撞發(fā)生后并且其吸引力大于排斥力時，塵粒才能粘附于液滴的表面，如果液滴的表面張力很小，塵粒進而被吞沒在液滴中。因此，在井下防塵用水中加入潤濕劑后，可以降低水的表面張力，改善其潤濕性，從而使塵粒更容易被液滴捕獲，提高降塵效率[2]。

1.2 添加潤濕劑后提高噴霧降塵效果的機理分析

在原有降塵噴霧系統(tǒng)中加入潤濕劑，能夠顯著提高降塵系統(tǒng)的降塵效果。分析其原因，一是因為在防塵系統(tǒng)中加入潤濕劑以后能使降塵過程變得更加有效；二是潤濕劑與煤塵的相互作用。

1.2.1 液滴捕獲塵粒并從氣體中分離的過程

圖2 液滴捕獲煤塵過程的圖示Fig.2 Here in the process of droplet capture dust

圖3 液滴膨脹現(xiàn)象及其作用的圖示 Fig.3 The graphic of droplet expansion phenomenon and its effects

在一個噴霧系統(tǒng)中，液滴捕獲塵粒并從空氣中分離的各個過程可用圖2表示。在有液滴噴霧的含塵氣溶膠系統(tǒng)中，塵粒與塵粒、液滴與液滴、塵粒與液滴之間都會彼此碰撞。然而，只有塵粒與液滴之間的碰撞對抑塵才是有效的。如果該液滴足夠大，它能夠沉降并從空氣中分離。否則，如果該液滴小于臨界粒徑，則該含塵液滴需要與其他含塵液滴或純液滴進一步凝并，然后再下降并從空氣中分離。

1.2.2 煤質(zhì)對潤濕劑影響的分析

在礦井生產(chǎn)過程中，粉塵主要是以煤塵的形式存在，因此要搞清楚潤濕劑與粉塵之間如何作用才能夠抑塵，對粉塵性質(zhì)的研究就是必不可少的。

圖4 潤濕劑對揮發(fā)性成分較多的煤塵作用不大的原因圖示Fig.4 Wetting agent on the cause of the more volatile components of coal dust effect is not big here

圖4為一塵粒放大的示意圖。一般說來，一顆煤塵有毛細孔、裂隙和裂縫，在亞微觀結(jié)構(gòu)上，50～75 nm的直徑稱為毛細孔，2～50 nm的直孔定義為亞微間隙孔，小于2 nm為微隙孔。塵粒中的揮發(fā)性物質(zhì)按其分布位置可分為內(nèi)部吸附揮發(fā)物、毛細孔揮發(fā)物、裂隙間揮發(fā)物和表面吸附揮發(fā)物等。如果煤塵顆粒沒有揮發(fā)物質(zhì)，在潤濕的環(huán)境中(如在做沉降試驗時)上述空隙能夠吸附液體。相反，如果煤塵顆粒中的空隙被揮發(fā)物充填，液體吸附現(xiàn)象只能發(fā)生在塵粒的表面，而且由于揮發(fā)性物質(zhì)由特殊成分組成，在高溫時會釋放出酚鹽、乙烯、丙烷、異丁烷等，它們難以被潤濕劑潤濕。所以，潤濕劑對高揮發(fā)物含量的煤塵的作用下降。

總體來說，煤塵是不容易被防塵用水捕獲(未加潤濕劑)的，所以工作面防塵系統(tǒng)盡管比較完善，但是粉塵濃度依然是居高不下，因此，在防塵用水中添加潤濕劑來提高降塵效率是十分必要的。

2 潤濕劑單體的優(yōu)選實驗

為了配制出適用于田陳煤礦采掘工作面環(huán)保、高效、經(jīng)濟的潤濕劑復(fù)配溶液，優(yōu)選了19種適合井下降塵用的潤濕劑單體，通過表面張力實驗、接觸角實驗及沉降實驗對19種潤濕劑單體進行優(yōu)選，將其中綜合降塵指標(biāo)最好的潤濕劑單體，作為潤濕劑復(fù)配試劑的基礎(chǔ)試劑。

2.1 潤濕劑單體的初選

潤濕劑單體的選擇，首先要滿足無毒、無害且生物降解性較好的特點，其次則需要潤濕劑單體潤濕性能強、降塵效果好。本文為配制出環(huán)保、高效、經(jīng)濟的潤濕劑配方，在參考降塵用潤濕劑相關(guān)學(xué)術(shù)論文、專利及市場調(diào)研的基礎(chǔ)上[3～6]，初步選定了19種潤濕劑單體，濕潤劑單體的具體信息如表1所示。

表1 初選潤濕劑單體一覽表Table 1 Primary wetting agent monomer list

表1(續(xù))

2.2 潤濕劑單體溶液的表面張力測定實驗

2.2.1 表面張力簡介及其測試原理

液體表面分子與液體內(nèi)部分子受力是不同的，液體內(nèi)部的分子所受的力是對稱的，基本處于平衡狀態(tài)，而液體表面的分子由于受到內(nèi)部分子的吸引力作用而呈現(xiàn)向液體內(nèi)部移動的趨勢[7]。也就是說，液體表面的分子受到一個拉入液體內(nèi)部的力，在這個力的作用下，液體表面會力圖將液體表面積縮小，促使這一不平衡狀態(tài)趨向平衡，這個力就稱為“表面張力”。從熱力學(xué)角度來說，表面張力就是形成或擴張單位面積的截面所需要的最低能量，也被稱為單位面積上的自由能，單位為J/m2或N/m。圖5為用表面張力表示的塵粒潤濕示意圖。

圖5 用表面張力表示的塵粒潤濕示意圖Fig.5 Dust wetting schematic expressed in surface tension

可以用著名的Young方程定量表示塵粒潤濕過程[8]。即

Fd,a=Fd,w+Fw,a·cosθ

(1)

式中，F(xiàn)d,a—氣-固界面的表面張力，N/m；

Fd,w—固-液界面的表面張力，N/m；

Fw,a—液-氣界面的表面張力，N/m；

θ—潤濕邊界角，°。

只用當(dāng)cosθ>0，即θ≤90°時，液體才能將塵粒潤濕，若cosθ=1，即 =0時，塵粒就能被液體完全潤濕；而當(dāng)cosθ<0，即

θ>90°時，塵粒則不會被液體潤濕。

2.2.2 表面張力測定結(jié)果與分析

利用表面張力儀對上述19種潤濕劑單體試劑分別進行了不同濃度的表面張力測定，測定濃度分別為0.000005%、0.00005%、0.0005%、0.005%、0.05%、0.5%以及5%七種。19種單體試劑的每種不同濃度溶液的表面張力測定三次，并取其平均值，以減少誤差。實驗過程中用到的蒸餾水表面張力為72.833 mN/m，19種潤濕劑單體溶液的表面張力測定結(jié)果如表2所示。

表2 初選潤濕劑單體溶液表面張力測定結(jié)果 mN/mTable 2 Primary wetting agent monomer solution surface tension determination results mN/m

表2(續(xù))

由于篇幅所限，本文僅給出了1631，即十六烷基三甲基溴化銨在質(zhì)量濃度為0.00005%、0.005%及0.5%時的表面張力測定曲線，如圖6所示。為了明確表示出濃度對各種試劑溶液表面張力的影響，繪制出了19種試劑溶液的表面張力隨不同質(zhì)量濃度變化曲線示意圖如圖7所示。

圖6 1631不同質(zhì)量濃度溶液的表面張力測定曲線Fig.6 The surface tension of the solution of different concentrations measured curve of 1661

圖7 各種試劑溶液的表面張力隨不同質(zhì)量濃度變化曲線示意圖 Fig.7 All kinds of surface tension of the reagent solution with different mass concentration curve diagram

由圖6中可以看出，十六烷基三甲基溴化銨溶液的表面張力隨著溶液濃度的增加而降低，實驗過程中，其他大部分單體試劑溶液的表面張力也出現(xiàn)了相似情況，但隨著濃度的增加溶液的表面張力降幅逐漸減小。

而從表2及圖7中可以明顯的看出，當(dāng)單體試劑溶液的質(zhì)量濃度達到某一值時，其表面張力會出現(xiàn)明顯的下降，這一濃度稱為該溶液的臨界膠束濃度，簡稱CMC，當(dāng)溶液濃度到達CMC時，潤濕劑分子會在溶液中聚合成膠束。

在19種初選的潤濕劑單體溶液中，當(dāng)溶液的質(zhì)量濃度在0.000005%～0.0005%之間變化時，大部分潤濕劑單體溶液的表面張力變化較小，而當(dāng)溶液質(zhì)量濃度繼續(xù)增加到0.005%、0.05%時，潤濕劑單體溶液的平均表面張力迅速由62.69 mN/m下降至48.59、34.96 mN/m。而當(dāng)潤濕劑單體溶液的質(zhì)量濃度進一步增加至0.5%時，潤濕劑溶液的表面張力則降幅很小，平均表面張力僅由34.96 mN/m降至30.32 mN/m。由此可以斷定，初選的19種潤濕劑單體中大部分潤濕劑單體的CMC在0.05%左右。

研究表明，當(dāng)潤濕劑溶液的質(zhì)量濃度為0.05%時，溶液的表面張力降低到35 mN/m以下，才可能有良好的降塵效果。而從表2及圖7中可以看出，初選的19種潤濕劑單體中，部分潤濕劑單體的CMC較大，如陰離子潤濕劑中的拉開粉BX、陽離子潤濕劑中的1227、非離子潤濕劑中的NOS等，當(dāng)上述單體溶液的質(zhì)量濃度達到0.05%時，其表面張力均在40 mN/m以上，潤濕性能較差，要想提高其潤濕性能，只能提高其溶液的質(zhì)量濃度，這樣必然會增加使用成本，所以，這部分潤濕劑不適合用作

井下降塵潤濕劑。

2.3 潤濕劑單體溶液的接觸角測定實驗

2.3.1 實驗準(zhǔn)備

本次試驗采用方法為先將煤塊磨成煤粉，然后利用壓片機或其他儀器將煤粉壓制成試片，將試片的光滑面代替煤的孔隙表面。

試片制備時，首先將煤樣利用顎式破碎機及密封式制樣粉碎機處理，然后用球磨機碾磨30 s后即可得到實驗用煤粉。之后將煤粉盛放在干凈的玻璃皿中放入真空干燥箱中，在130 ℃條件下干燥2 h以去除煤粉中的水分。然后用萬分之一電子天平稱取干燥煤樣200 mg，利用FY-24型臺式粉末壓片機及與其配套的ID13圓柱型壓片磨具將煤粉在30 MPa的承壓狀態(tài)下保持2 min后取出，就會得到具有壓光平面的圓型試片，其直徑13 mm，厚度2 mm。

2.3.2 接觸角的測定結(jié)果與分析

利用DSA型視頻光學(xué)接觸角測量儀對初選的19種潤濕劑單體試劑分別進行了不同濃度的接觸角測定，測定濃度與表面張力測定時的相同。測定過程中，將每種單體試劑不同溶液的接觸角變化情況保存成180幀(一幀對應(yīng)一秒)的視頻，在每個視頻選取五個固定時刻，分別對應(yīng)液滴從接觸試片后的0、30、60、120和180 s五個時刻的接觸角，每種試劑不同質(zhì)量濃度溶液的接觸角測定三次(均取180 s時的圖片進行記錄)，取平均值，具體測試結(jié)果如表3所示。其中，實驗所用蒸餾水與煤餅的接觸角為(89.25±0.93)°，但與巖餅的接觸角為0°，因此，接觸角只能測定煤粉的潤濕性能。

表3 初選潤濕劑單體溶液接觸角測定結(jié)果 °Table 3 Primary contact Angle of wetting agent monomer solution determination results

表3(續(xù))

為了更好的體現(xiàn)潤濕劑的潤濕性能，本文對實驗室用的蒸餾水與試片所成接觸角進行了測定，如圖8所示。

圖8 蒸餾水與煤粉試片所成接觸角的測試界面示意圖 Fig.8 Distilled water and coal specimen into contact Angle test interface sketch

各種試劑溶液的接觸角隨不同質(zhì)量濃度變化曲線示意圖如圖9所示。

圖9 各種試劑溶液的接觸角隨不同質(zhì)量濃度變化曲線示意圖 Fig.9 All kinds of contact Angle of the reagent solution with different mass concentration curve diagram

圖10為0 s時，不同質(zhì)量濃度表面活性劑SDBS溶液濕潤煤體過程中接觸角變化示意圖。(a)～(g)均為液體剛滴落到試片上0 s時的接觸角圖片。

圖10 SDBS不同質(zhì)量濃度溶液潤濕煤體過程中接觸角的變化趨勢圖Fig.10 Different concentration solution of wetting contact Angle in the process of coal changing trend chart of SDBS

圖11為0～180 s時，質(zhì)量濃度為0.05%表面活性劑JFCS溶液濕潤煤體過程中接觸角變化示意圖。

圖11 滲透劑JFCS溶液濃度為0.05%時潤濕煤體過程中接觸角的變化趨勢示意圖 Fig.11 Solution concentration was 0.05% wetting contact Angle in the process of coal changing trend diagram of JFCS

從表3和圖9中可以看出，對選取的19種初選潤濕劑單體而言，其溶液質(zhì)量濃度在0.000005%～0.005%區(qū)間變化時，大多數(shù)單體試劑溶液的接觸角角度在44.44°～58.05°之間浮動，變化幅度較??；而當(dāng)溶液質(zhì)量濃度逐漸增大至0.05%、0.5%和5%時，接觸角的角度平均值迅速減小，由44.44°下降至29.71°、7.70°、1.50°；值得注意的是當(dāng)質(zhì)量濃度達到0.05%時，接觸角平均值開始迅速減小。由此驗證了這19種初選潤濕劑單體中大部分單體試劑的CMC在0.05%左右?；谝陨戏治觯Y(jié)合潤濕劑單體溶液相應(yīng)濃度的表面張力的測定結(jié)果，得出質(zhì)量濃度為0.05%的潤濕劑單體溶液與試片所成接觸角數(shù)值可以宏觀表征潤濕劑對煤體的潤濕性能。

將潤濕劑單體溶液接觸角測定結(jié)果與表面張力測定結(jié)果對比分析可知，潤濕劑溶液的接觸角與其表面張力之間存在一定關(guān)系，即接觸角較大的溶液，通常其表面張力也較大，所以當(dāng)其溶液質(zhì)量濃度較低時，潤濕性能較差，不適于井下降塵。當(dāng)然也有例外，如FC-4，其表面張力在質(zhì)量濃度為0.05%時相對較小，但是其接觸角在該濃度下則相對較大，即其在0.05%的濃度下對煤塵的潤濕能力仍較差。

2.4 潤濕劑優(yōu)選單體的確定

通過對初選的19種潤濕劑單體不同質(zhì)量濃度溶液的表面張力和接觸角測定實驗發(fā)現(xiàn)，有些潤濕劑單體溶液即使在濃度較高情況下，其表面張力與接觸角的實驗數(shù)值仍然較大，如BX、1227、NOS等9種潤濕劑單體溶液在質(zhì)量濃度為0.05%時表面張力仍均在19 mN/m以上，接觸角均在28°以上，因此以上9種潤濕劑單體的潤濕性能差，降塵效果不佳。本著環(huán)保、高效、經(jīng)濟的原則，綜合考慮表面張力與接觸角測定結(jié)果，從初選的19種潤濕劑單體中優(yōu)選出10種來作為潤濕劑復(fù)配實驗的基礎(chǔ)試劑。

為便于實驗，將優(yōu)選出的10種潤濕劑單體進行編號：1-OP-10；2-凈洗劑6501；3-滲透劑JFCS；4-AEC；5-SAS；6-SDBS；7-1631；8-快滲劑T；9-CAB-35；10-APG。其中單體4、5、6、8為陰離子潤濕劑，單體7為陽離子潤濕劑，單體1、2、3、10為非離子潤濕劑，單體9為兩性離子潤濕劑。

3 不同潤濕劑單體的復(fù)配實驗及配方優(yōu)選

由于選擇進行復(fù)配的潤濕劑單體種類較多，進行正交實驗時，同一因素的不同水平之間(即溶液的質(zhì)量濃度之間)相差較小，考慮到潤濕劑復(fù)配應(yīng)遵循簡單實用的原則，結(jié)合潤濕劑復(fù)配原理，對優(yōu)選的10中潤濕劑單體進行了兩兩復(fù)配，得到了45種不同的潤濕劑復(fù)配配方。

3.1 潤濕劑復(fù)配溶液的表面張力及接觸角測定分析[40]

從初選的19種潤濕劑單體溶液的表面張力測定結(jié)果可知，單體溶液都存在CMC值，為了便于溶液的配制及數(shù)據(jù)比較分析，確定進行復(fù)配實驗時應(yīng)選取0.000005%～5%中接近CMC的較高值，本文實驗時選取參與復(fù)配的潤濕劑單體溶液質(zhì)量濃度為0.025%。

3.1.1 復(fù)配溶液的表面張力測定分析

具體實驗測定數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 復(fù)配溶液的表面張力測定結(jié)果Table 4 The mixed solution surface tension measurement results

通過將復(fù)配溶液表面張力測定結(jié)果與組成之單體溶液表面張力測定結(jié)果對比分析可知：

(1) 非離子與非離子潤濕劑單體組成復(fù)配溶液時，復(fù)配溶液的表面張力與兩單體溶液的表面張力相差不大；

(2) 陰離子與陰離子、非離子與陰離子、非離子與陽離子潤濕劑之間進行復(fù)配，混合溶液的表面張力接近于各單體溶液表面張力的較小者；

(3) 非離子與兩性離子、陰離子與兩性離子潤濕劑之間進行復(fù)配，混合溶液的表面張力均小于各組成單體溶液的表面張力；

(4) 陽離子與兩性離子、陽離子與陰離子潤濕劑之間進行復(fù)配，混合溶液的表面張力介于各組成單體溶液表面張力之間。

綜上所述，潤濕劑復(fù)配溶液的表面張力的主要影響因素是構(gòu)成其單體試劑的離子型種類，多數(shù)情況下其表面張力均小于組成該復(fù)配溶液的單體試劑的表面張力。

在復(fù)配溶液中添加濃度為0.025%(0.03 mol/L)的酰胺基團的高聚物W后，對溶液表面張力進行了測定，測定結(jié)果如表5所示。

表5 添加淀粉接枝共聚物復(fù)配溶液的表面張力測定結(jié)果Table 5 Add the starch graft copolymer blends with solution surface tension measurement results

表5(續(xù))

由表5可以看出，在復(fù)配溶液中添加度為0.025%(0.03 mol/L)的酰胺基團的高聚物后，所有溶液的表面張力均有所下降，下降幅度在10%～19%之間，說明淀粉接枝共聚物可降低溶液的表面張力。

3.1.2 復(fù)配溶液的接觸角測定分析

經(jīng)實驗室測定，所有的復(fù)配溶液在180 s時均能完全鋪展在試片上，也就是說復(fù)配溶液的接觸角為0°。因此，在質(zhì)量濃度為0.025%時，復(fù)配溶液對煤體的潤濕性能都較高，這是大部分潤濕劑單體溶液所不能達到的。

3.2 潤濕劑復(fù)配溶液的煤塵沉降Walker實驗

由上述分析可知，表面張力與接觸角測定結(jié)果具有相對性，要獲取潤濕劑復(fù)配溶液更為準(zhǔn)確的潤濕性能信息，還需要對潤濕劑復(fù)配溶液進行煤塵沉降實驗。從而綜合復(fù)配溶液的表面張力、接觸角以及煤塵沉降實驗的測定結(jié)果，最終判定復(fù)配溶液對煤塵潤濕性能的強弱。潤濕劑復(fù)配溶液沉降實驗測定數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 潤濕劑復(fù)配溶液的煤塵沉降實驗數(shù)據(jù)Table 6 Dust precipitation experimental data of the wetting agent distribution solution

將潤濕劑復(fù)配溶液的煤塵沉降實驗結(jié)果與潤濕劑單體溶液的煤塵沉降實驗結(jié)果對比分析可知，煤塵在潤濕劑單體溶液中完全沉降的時間較長，其中煤塵在5種試劑中的完全沉降時間在10 h左右，在試劑6中完全沉降時間高達104 h，而在復(fù)配溶液中完全沉降的時間大大縮短，充分說明了潤濕劑復(fù)配溶液的對煤體的潤濕性能要強于單體溶液。

4 煤塵用潤濕劑配方優(yōu)選

通過對19種初選潤濕劑單體進行表面張力實驗及接觸角實驗，優(yōu)選出10種潤濕性能較好的潤濕劑單體。然后再將優(yōu)選的10種潤濕劑單體進行煤塵沉降Walker實驗、保水性實驗以及優(yōu)選潤濕劑單體與淀粉接枝共聚物混合溶液的表面張力實驗，為潤濕劑復(fù)配配方的研發(fā)提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

基于潤濕劑復(fù)配溶液的表面張力、接觸角、煤塵沉降實驗以及潤濕劑復(fù)配與淀粉接枝共聚物混合溶液的煤塵沉降實驗測定結(jié)果分析，綜合考慮環(huán)保性、經(jīng)濟性和易購性等多方面因素，確定了田陳煤礦高效環(huán)保的降塵用噴霧潤濕劑的配方為試劑5+試劑8+W，復(fù)配溶液為0.05%，備選配方為試劑5+試劑9+W，復(fù)配溶液質(zhì)量濃度為0.05%。

5 主要結(jié)論

本文采用理論分析、實驗室研究的方法對田陳煤礦采掘工作面粉塵濃度過高問題進行了分析，并且進行了“新型潤濕劑及其集中自動添加技術(shù)工藝”的研究，研發(fā)出適用于田陳煤礦采掘工作面的環(huán)保、高效潤濕劑復(fù)配配方及潤濕劑集中自動添加系統(tǒng)，有效提高了噴霧降塵效率，降低采掘工作面粉塵濃度，取得了很好的降塵效果，得出的主要結(jié)論如下：

通過對初選的19種潤濕劑單體進行表面張力、接觸角、煤塵沉降等實驗，優(yōu)選出了10種參與復(fù)配實驗的基礎(chǔ)試劑。根據(jù)潤濕劑的復(fù)配原理，通過兩兩單體復(fù)配的原則，對不同種類潤濕劑單體進行了相關(guān)的復(fù)配實驗，最終確定了適用于煤礦的高效環(huán)保的噴霧潤濕劑的配方為試劑5+試劑8+W，復(fù)配溶液為0.05%，備選配方為試劑5+試劑9+W，復(fù)配溶液質(zhì)量濃度為0.05%。

6 展望

盡管本文在采掘面理化性質(zhì)，潤濕劑配方的優(yōu)選做了大量工作，在潤濕劑集中自動添加方面有所創(chuàng)新，但由于本人知識面所限，本文還有一些問題有待完善，還需要進一步的加強和改進。