粒徑對褐煤粉塵潤濕性的影響研究

張 洋，崔豫楠，閆晶晶，李治剛，郭紅光，李雨成

(太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024)

粉塵危害是煤炭開采與運輸過程中的主要危害之一，嚴重影響煤礦的高效生產，同時威脅到工人的身體健康[1]。實測結果表明，即使采取了防塵措施，在綜掘工作面司機處的最大粉塵濃度依舊能達到400～900 mg/m3，其遠遠超過了國家標準[2-4]。根據(jù)2020年公布的《2019年我國衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2019年塵肺病患者數(shù)量約占全國職業(yè)病病例總數(shù)的82%，其中有58.66%的塵肺病患者分布在煤炭和有色金屬開采行業(yè)，塵肺病等職業(yè)病防治形勢仍然十分嚴峻[4-5]。因此，采取有效的粉塵防治措施，降低煤炭開采現(xiàn)場粉塵濃度迫在眉睫。

近年來國內外學者通過研究提出了諸多降塵技術，其中噴霧降塵技術由于裝置簡單和成本較低而被廣泛應用[6-8]。為提高噴霧降塵效果，有關科研人員對煤塵潤濕性開展了大量研究。董平等利用接觸角自動測量儀測量了5種不同變質程度的超細煤粉的接觸角，發(fā)現(xiàn)超細煤粉的表面具有極強的疏水性[9-10]；楊靜等通過NMR和XPS實驗對6種不同變質程度的煤塵表面碳(氧)基團的分布特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)芳香基團和羥基分別是碳基團和氧基團的主要影響因子，對煤塵潤濕性的影響較大[11-12]。

相關研究人員基于不同煤種的物理化學特性及表面活性劑對煤塵潤濕性的影響進行了大量的研究并取得了較大進展，研究表明同一煤種因其粒徑變化也會對煤塵潤濕性及潤濕速率產生較大的影響[13-14]。為了研究粒徑對煤塵潤濕性的影響，筆者選取內蒙古雁南煤礦的4組不同粒徑的褐煤煤粉，通過接觸角實驗、紅外光譜測試、沉降實驗和潤濕熱實驗，從微觀和宏觀2個方面對煤塵潤濕性進行研究，探討不同粒徑煤塵對潤濕效率的影響規(guī)律。該研究對優(yōu)化噴霧降塵中霧滴特性，提高礦井煤塵潤濕效率具有一定的參考價值。

1 實驗樣品和實驗方法

1.1 樣品制備

將內蒙古雁南煤礦褐煤煤樣放入球磨機中研磨一段時間后取出，用標準篩篩分得到4組粒徑：①1～74 μm(200目)、②75～95 μm(160目)、③96～119 μm(120目)、④120～180 μm(80目)樣品。

1.2 實驗方法

1)根據(jù)GB/T 30732—2014《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 31391—2015《煤的元素分析方法》標準，對煤塵樣品進行分析，結果如表1所示。

表1 煤粉的工業(yè)分析、元素分析結果 單位：%

2)采用SDC-350接觸角測量儀對煤粉樣品表面潤濕性進行測定。利用成型煤粉法，將200 mg煤粉用壓片機在10 MPa壓力下壓制成直徑13 mm、厚度2 mm且具有光滑平面的圓柱煤片，用洗耳球吹掉煤片上的煤粉，利用測量儀測定接觸角[15]。

3)采用WKL-722粉塵分散度測試儀對不同粒徑煤粉樣品進行沉降實驗研究。首先進行煤粉樣品分散度測定，然后使用天平稱取100 mg實驗煤粉，分別放入裝有200 mL不同溫度清水的量筒中，使其在靜置狀態(tài)下自然沉降12 h，12 h后抽取量筒中的懸浮液，最后用分散度測試儀對懸浮液中的煤粉進行分散度測定。

4)為探究不同粒徑煤塵表面微觀結構的差異，采用FTIR-1500傅里葉變換紅外光譜儀對煤塵進行FTIR光譜測定。先將烤箱內在恒溫105 ℃條件下干燥12 h的實驗煤粉樣品放置于瑪瑙研缽中，再加入干燥的光譜純溴化鉀(溴化鉀的質量是樣品的200倍)，充分混合均勻后取適量的混合樣品置于壓模中，使其分布均勻。把壓模水平放置于壓片機座上，將其加壓至10 MPa，等待2 min，確保其均勻、無殘缺、表面平滑且透光好。取出供試片并置于紅外光譜儀樣品室進行測試[16]。

5)采用Staram C80微量熱儀對4組粒徑煤粉樣品進行潤濕熱測定，溫度設定為30 ℃、恒溫。將提前篩分的4組粒徑干燥煤粉各稱取200 mg放置于膜混合池底部，用鋁箔膜將其密封，然后在膜混合池上部放入1.5 mL的蒸餾水，隨后將其放入微量熱儀中，待恒溫平衡之后，用膜混合池自帶的頂針刺破鋁箔膜，使水和煤粉樣品接觸。由軟件記錄4組粒徑煤塵潤濕過程的熱流線，待潤濕過程結束后，對熱流線進行積分，得到潤濕熱值[17]。

2 結果與討論

2.1 潤濕接觸角分析

所謂接觸角是指在一固體水平平面上滴一液滴，在固體表面上的固—液—氣三相交界點處，氣—液界面和固—液界面兩切線把液相夾在其中時所形成的角度。一般而言，接觸角越小，潤濕性越好，一般把接觸角θ=90°定義為潤濕與否的標準：θ>90°為不潤濕;θ<90°為潤濕[18]。

實驗測得不同粒徑煤塵的接觸角數(shù)據(jù)如圖1 所示。

(a)測試圖片

由圖1可以明顯看出，褐煤的潤濕性較好，但是隨著煤塵粒徑增大，煤塵的接觸角呈下降趨勢，由最大59.183°減小到39.684°，說明煤塵粒徑的減小導致了煤塵潤濕性的降低。

2.2 煤塵的沉降分析

在清水沉降實驗中，設定4種恒定沉降溫度(20、25、30、40 ℃)，沉降時間為12 h，沉降后抽取量筒中部區(qū)域的懸浮液，并對其進行分散度測定。選取占比較大且具有代表性的較小粒徑煤塵S1(1≤S1<2 μm)和S2(2≤S2<3 μm)，較大粒徑煤塵B1(120≤B1<140 μm)和B2(140≤B2<160 μm)進行粒徑分布情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計。不同恒定沉降溫度下懸浮液煤塵粒徑分布曲線如圖2所示。

圖2 不同恒定沉降溫度下懸浮液煤塵粒徑分布曲線

由圖2可見，相較于對照組原始煤塵的分散度占比情況，小粒徑煤塵S1和S2隨著懸浮液溫度升高其占比逐漸增大；而大粒徑煤塵B1和B2隨著懸浮液溫度升高其占比逐漸降低。這一現(xiàn)象表明：小粒徑煤塵受高溫影響，熱膨脹導致小粒徑煤塵密度變小，導致煤塵上升(浮力大于重力)；大粒徑煤塵受高溫影響(熱動力)，加劇了煤塵沉降。

對煤塵沉降實驗分析發(fā)現(xiàn)，懸浮液中的煤塵顆粒主要受到自身重力、浮力、靜電斥力，以及溶液對煤塵的潤濕能力等的影響[19]。通過研究進一步發(fā)現(xiàn)，當煤塵顆粒較大時，重力對煤塵沉降起主要作用，因此沉降速度較快，而且隨著溫度的增高會加速煤塵沉降;當煤塵顆粒較小時，浮力作用突顯，同時煤塵間靜電斥力增強，煤塵顆粒更易懸浮于流體中，同時高溫強化了浮力作用，使其更不容易團聚沉降。沉降效果在一定程度上反映了不同粒徑煤塵的潤濕性差異，并為噴霧降塵機理的闡述奠定了基礎。

此外，由樣品沉降實驗可知，潤濕速率隨煤塵平均粒度的增大而增高，因為在圖2中大粒徑的初始煤粉樣品都在沉降12 h之后下降了。從25 ℃懸浮液的占比情況可以看出，大粒徑煤塵B1+B2占比由一開始的13.61%降至3.59%，而小粒徑煤塵S1+S2占比卻從開始的11.03%在沉降之后的懸浮液中增加至24.39%，這一結果表明大粒徑煤塵在沉降過程中潤濕比較好。其原因是粒徑越小的煤塵表面不飽和性越大，加之粒徑越小的煤塵表面粗糙程度越高，煤塵潤濕性越差[19]。

2.3 煤塵表面官能團分析

煤是芳香大分子縮聚而成的高分子聚合物，這些大分子由許多不同特點的基本結構單元組成，核心是縮合芳香環(huán)。已有研究表明，脂肪烴、芳香烴等基團是煤塵表面的主要疏水基團，是決定煤塵表面疏水性的主要因素；羧基、羥基等含氧官能團及礦物類基團，則是導致煤塵親水性的主要因素[20]。實驗所測不同粒徑煤塵的紅外光譜如圖3所示。

圖3 不同粒徑煤塵的紅外光譜圖

由圖3可以看出，4組粒徑煤塵紅外光譜圖的吸光度的變化趨勢較相似，在796.176～804.542、1 094.568～1 102.934、1 614.662～1 623.028、2 919.777～2 928.143、3 421.744～3 430.111 cm-1附近都出現(xiàn)了吸收峰，這5處吸收峰分別對應取代苯類的吸收帶、石英Si—O—Si的反對稱伸縮振動帶、芳香族環(huán)的伸縮振動峰、脂肪族系列的伸縮振動峰、羥基—OH形成的氫鍵吸收帶。雖然各組煤塵吸光度的變化趨勢較相似，但光譜的強度峰寬還是存在差異，說明煤塵粒徑的變化導致其官能團占比也發(fā)生了變化。通過軟件對與煤塵潤濕性密切相關的含氧基團占比進行分析，利用基團的峰面積比來表示其占比，得到不同粒徑煤塵的含氧官能團占比如表2所示[15]。

表2 不同粒徑煤塵的含氧官能團占比

由表2可以看出，羥基—OH由大粒徑煤塵的35.86%降至小粒徑煤塵的29.82%，羧基—COOH由大粒徑煤塵的14.25%降至小粒徑煤塵的5.26%，說明隨著煤塵粒徑的減小，含氧官能團數(shù)量逐漸減少，煤塵親水性影響因子減小[7，12]。

2.4 潤濕熱分析

潤濕熱是指煤被液體潤濕時釋放出的熱量，通常用1 g煤被潤濕時釋放出的熱量作為煤的潤濕熱。在30 ℃的條件下測得不同粒徑煤塵的潤濕熱流線如圖4所示。通過對熱流線積分得到不同粒徑煤塵潤濕熱值見表3。

圖4 不同粒徑煤塵的潤濕熱流線圖

潤濕熱的產生是液體在煤的孔隙內表面上發(fā)生吸附作用的結果，其大小受礦物質的質量分數(shù)、比表面積等多種因素影響，一般來說，隨著煤階的降低，煤塵表面的潤濕熱越大，其潤濕性越好[21]。

由圖4和表3可以看出，在潤濕初期，由于水分子在煤塵表面充分鋪展，4組粒徑煤塵潤濕過程迅速發(fā)生，后期由于受到孔隙阻力的影響，潤濕放熱速率減??；與大粒徑煤塵相比，粒徑較小的煤塵熱流線峰值均上升且上升幅度較為明顯,粒徑120～180 μm煤塵的放熱速率在2.6 min達到了峰值，其潤濕熱值為10.015 J/g;而粒徑1～74 μm煤塵的放熱速率在3.2 min才達到峰值，其潤濕熱值為28.588 J/g，這說明同一種煤塵隨著粒徑的減小，潤濕熱逐漸增大。這有可能是煤粉在細化過程中，隨著煤塵粒徑的減小，煤塵內部的一些微孔被打開，導致煤塵比表面積增大，吸附作用增強，潤濕熱受其主導也增高[15]。而本文前面的實驗已經表明煤塵粒徑越小其潤濕性越差，為了更好地分析潤濕熱與潤濕性之間的相互關系，對圖1與表3的數(shù)據(jù)進行線性回歸分析,得到煤塵潤濕熱與接觸角的擬合關系，如圖5所示。

圖5 煤塵潤濕熱與接觸角的擬合關系圖

由圖5擬合得到煤塵潤濕熱與接觸角的關系式為y=0.899x-24.219，相關性較高(R2=0.934)，可以發(fā)現(xiàn)同一種煤隨著煤塵粒徑的減小，潤濕熱與接觸角相繼增大，煤塵潤濕性變差。因此，潤濕熱在這里可以表征同一種煤(雁南煤礦褐煤)不同粒徑煤塵的潤濕性好壞。

3 結論

1)對于同一煤種，隨著煤塵粒徑的減小，煤塵與液體的接觸角逐漸增大(39.684°～59.183°)，疏水性增強，雁南煤礦煤塵隨著粒徑減小其潤濕性變差。

2)清水沉降實驗中，較大粒徑煤塵B1+B2和較小粒徑煤塵S1+S2的占比由沉降前的13.61%、11.03%，在25 ℃懸浮液中沉降后分別變?yōu)?.59%、24.39%，表明大粒徑煤塵更容易親水沉降。

3)相同煤種不同煤塵粒徑紅外譜圖的吸光度變化趨勢非常相似，通過計算發(fā)現(xiàn)隨著煤塵粒徑的減小，煤塵所含的含氧官能團逐漸減少，煤塵親水性影響因子減小。

4)對于同一煤種(雁南煤礦褐煤)，隨著煤塵粒徑的減小其潤濕熱與接觸角相繼增大，潤濕性變差，表明潤濕熱可以用于表征同一煤種不同粒徑煤塵潤濕性的好壞。