復(fù)合表面活性劑處理氣煤顆粒掃描電鏡研究

張凱萌 楊后勤 胡 鵬

（1.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；3.棗莊礦業(yè)集團(tuán)濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277523）

中國(guó)是一個(gè)煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)大國(guó)，較長(zhǎng)一段時(shí)間里，煤炭在我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。其中，低階煤在我國(guó)可利用煤炭資源中的占比接近50%，是重要的工業(yè)原材料。隨著我國(guó)能源需求不斷加大，開采深度的加深以及機(jī)械化程度的提高，開采過程中地應(yīng)力顯著增大，導(dǎo)致煤與瓦斯突出、沖擊地壓等礦井災(zāi)害日益嚴(yán)重。同時(shí)，煤層開采過程中產(chǎn)生的粉塵量逐漸增多，嚴(yán)重危害煤礦工人職業(yè)健康。針對(duì)礦井粉塵問題，利用煤層注水技術(shù)可以改變煤體結(jié)構(gòu)，增大煤體孔隙率，更利于水進(jìn)入到煤體內(nèi)部，提高煤層含水率，從而在煤層開采過程中減少粉塵排放，達(dá)到減塵防災(zāi)的目的[1]。但是，由于水表面張力較大的特性，并且煤表面疏水性較強(qiáng)，單純注水達(dá)不到理想的預(yù)濕減塵效果。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行煤層注水過程中，由于隨著地層深度的變化注水的溫度環(huán)境也會(huì)發(fā)生改變，煤體增潤(rùn)需要考慮溫度的影響。

為此，許多研究人員對(duì)注液性質(zhì)和煤表面改性的方法進(jìn)行了一系列的研究，而掃描電鏡分析是研究煤顆粒表面形貌變化的主要手段之一[2-5]。目前，由于針對(duì)溫度影響低階煤體潤(rùn)濕效果的研究成果較少，難以在注水過程中根據(jù)煤層溫度有針對(duì)性的選取潤(rùn)濕劑。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，首先分別配制特定濃度的SDS溶液、濃度比為3:1的SDS與陰離子、非離子表面活性劑的復(fù)配溶液，并采用氣煤作為實(shí)驗(yàn)煤樣，進(jìn)行不同溫度條件下的復(fù)配溶液處理以及進(jìn)一步的掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，分析煤顆粒表面經(jīng)復(fù)合表面活性劑處理后的形貌變化。

1 樣品制備及實(shí)驗(yàn)過程

1.1 煤樣準(zhǔn)備及溶液配制

本文選擇山東省興隆莊礦氣煤作為實(shí)驗(yàn)煤樣，通過錘式破碎機(jī)及多功能粉碎機(jī)將塊狀煤樣破碎為粉末狀，篩分得到粒徑為180～200目的煤粉。煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析

試劑選取陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），非離子表面活性劑tween80。配制質(zhì)量濃度為0.3%的SDS溶液，再配制總質(zhì)量濃度為0.3%，SDS與SDBS、SDS與tween80質(zhì)量比為3:1的混合溶液，溶液編號(hào)為#1、#2、#3。

將上述180～200目氣煤粉末與#1、#2、#3溶液充分混合，置入25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45℃溫度條件下水浴鍋中處理1 h，得到共計(jì)8組處理后的煤樣。將處理過的煤樣從溶液中分離出來，用蒸餾水反復(fù)沖洗煤樣直至pH值測(cè)試為中性，然后將煤樣置于干燥箱中在80 ℃條件下干燥5 h。

1.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（型號(hào)：FEI APREO）對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。先將處理好的煤顆粒樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品托盤上，再用吹掃器清潔樣品表面，將樣品托盤固定并噴金300 s，增加煤顆粒表面的導(dǎo)電性能，放入樣品倉(cāng)，抽真空至10-3Pa。試驗(yàn)中開高壓掃描目標(biāo)，選擇5000倍的放大倍數(shù)觀測(cè)煤表面形貌結(jié)構(gòu)，并拍攝電鏡圖像。

2 不同表面活性劑對(duì)煤顆粒表面形貌影響分析

在25℃溫度條件下使用陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液、十二烷基硫酸鈉與十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）復(fù)合溶液、十二烷基硫酸鈉與tween80復(fù)合溶液處理過的煤顆粒掃描電鏡圖像如圖1。

從圖1（a）中可以看出，在本次實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)單一表面活性劑SDS處理后的煤顆粒表面產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)較少，具有一定的裂隙結(jié)構(gòu)。裂隙大致呈橫向平行分布，寬度較窄且寬度變化范圍小。各裂隙間的連通性較弱，獨(dú)立且不均勻的分布于煤表面各處。煤顆粒表面經(jīng)處理后有較多碎粒，顆粒與顆粒堆疊分布。煤顆粒表面整體較為平整，堆積有大量礦物質(zhì)顆粒。

圖1（b）為SDS與SDBS復(fù)合溶液處理過的煤顆粒表面掃描電鏡圖像，可以看出處理后煤顆粒表面孔隙結(jié)構(gòu)較多，且孔徑差異較大?？紫杜c孔隙間的排列在部分區(qū)域較為緊密，而在孔隙較少的區(qū)域煤顆粒表面較為光滑平整且礦物質(zhì)碎粒較少。在孔隙結(jié)構(gòu)較多的區(qū)域中，孔隙結(jié)構(gòu)被碎粒堵塞嚴(yán)重，不利于表面活性劑溶液在煤顆粒表面的鋪展?jié)櫇瘢赡軐?duì)煤顆粒的潤(rùn)濕性能產(chǎn)生一定影響。

圖1（c）為SDS與tween80復(fù)合溶液處理過的煤顆粒表面掃描電鏡圖像，可以看出處理后的煤顆粒表面孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙結(jié)構(gòu)都有較多分布。孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布層次感較強(qiáng)，增加了與表面活性劑接觸的面積。裂隙結(jié)構(gòu)的寬度分布不均，且裂隙中充填有大量的礦物質(zhì)碎粒，煤顆粒表面的整體破碎程度較高。

圖1 多種表面活性劑處理后煤顆粒掃描電鏡圖像

3種不同溶液處理后的煤顆粒表面形態(tài)各有差異，其中經(jīng)單一表面活性劑SDS處理后的煤顆粒表面形貌較為平整，經(jīng)復(fù)合表面活性劑處理后的煤顆粒表面破碎程度較高，孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育較多，與表面活性劑接觸的面積較大，可能在注水過程中更容易被潤(rùn)濕。

3 溫度對(duì)煤顆粒表面形貌影響分析

使用單一類型表面活性劑十二烷基硫酸鈉在不同溫度下對(duì)煤顆粒進(jìn)行處理，并進(jìn)行掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，得到的圖像如圖2。

圖2 不同溫度下煤顆粒電鏡圖像

從圖2中可以看出，在25 ℃下經(jīng)SDS處理后的煤顆粒表面較為光滑平整，產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)與裂隙結(jié)構(gòu)較少，表面有少量的碎粒，少量的裂隙結(jié)構(gòu)走向不規(guī)則，裂隙與裂隙間連通性較差。在30 ℃處理后的煤顆粒表面的破碎程度上升，破碎顆粒的數(shù)目升高，碎粒的形狀多呈長(zhǎng)條狀、薄片狀，棱角較為分明，孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)目明顯增多，孔徑普遍偏小。裂隙結(jié)構(gòu)相較圖2（a）中的數(shù)目略有上升，碎粒多堆積于孔隙的孔口處。從圖2（c）、（d）中可以看出，在35 ℃、40 ℃SDS處理后的煤顆粒表面孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙結(jié)構(gòu)數(shù)量均有一定程度的上升，孔徑大小變化較大且碎粒在孔口處的堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，裂隙的發(fā)育較為雜亂，沒有方向性。在該溫度下拍攝的電鏡圖像中的煤顆粒表面形貌十分復(fù)雜，表面分布更為立體。在45 ℃處理后的煤顆粒表面裂隙結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯上升，裂隙在煤顆粒表面平行且集中分布，并伴隨有較多礦物顆粒分布?？梢钥闯鲈诒砻婊钚詣㏒DS的處理下，隨著溫度的上升，溶液對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)與裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育促進(jìn)效果更好，增大溶液與煤顆粒表面的接觸面積，提高煤體的潤(rùn)濕性能。

4 結(jié)論

（1）通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)研究了不同表面活性劑處理后氣煤顆粒的表面形貌變化，發(fā)現(xiàn)單一SDS表面活性劑處理后煤顆粒表面較為平整，裂隙發(fā)育規(guī)整；復(fù)合型表面活性劑處理后煤顆粒表面破碎程度高，裂-孔隙結(jié)構(gòu)分布隨機(jī)性較大。

（2）使用單一表面活性劑在不同溫度下處理煤樣，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，煤顆粒表面裂-孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育狀況不斷上升，裂隙寬度與孔徑分布更為隨機(jī)。