化學(xué)團(tuán)聚劑對煤塵團(tuán)聚性能的影響

張迎新, 唐 露, 王佳偉, 楊 康

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著煤炭開采機(jī)械化率的提高,井下各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)塵量大幅增加。井下煤塵濃度過高易導(dǎo)致煤塵發(fā)生爆炸,且煤塵漂浮在空氣中,人體長期吸入會對健康造成損害[1]。添加化學(xué)抑塵劑的噴霧降塵是目前各個礦井采用較多的降塵方法[2]。按照化學(xué)抑塵劑的抑塵機(jī)理分類,化學(xué)抑塵劑可以分為粉塵濕潤劑、粘結(jié)劑和凝聚劑三大類。濕潤劑用于提高水對粉塵的濕潤能力和抑塵效果,它特別適合于疏水性的呼吸性粉塵。郭王勇等[3]研究發(fā)現(xiàn)抑塵劑的潤濕性與煤塵的灰分,液固之間的表面張力以及抑塵劑的電動電位有關(guān)。李仲文等[4]利用懸滴法和座滴法分別測定了多種濕潤劑溶液的表面張力以及與無煙煤的接觸角,優(yōu)選出了一種抑塵效果較好的潤濕劑溶液。以上這些研究可以有效降低大粒徑煤塵濃度,但對75 μm及以下粒徑煤塵作用效果有限。75 μm及以下粒徑煤塵是煤塵爆炸的主要參與成分,這部分煤塵不易沉降,長期漂浮在空氣中。

團(tuán)聚技術(shù)是提高細(xì)顆粒物清除效率的有效方法,團(tuán)聚技術(shù)主要有聲團(tuán)聚[5]、電團(tuán)聚[6]、磁團(tuán)聚[7]、化學(xué)團(tuán)聚[8-9]等幾種方式。其中化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)是通過化學(xué)團(tuán)聚劑將細(xì)微顆粒團(tuán)聚,化學(xué)團(tuán)聚劑是粉塵粘結(jié)劑,它不同于濕潤劑通過改變水和粉塵表面的極性從而加速潤濕粉塵,也不同于凝聚劑通過吸收大量水分使粉塵保持較高的含濕量從而防止揚(yáng)塵?；瘜W(xué)團(tuán)聚劑是通過高分子鏈的吸附搭橋作用使粉塵團(tuán)聚長大,增大粒徑[10]?；瘜W(xué)團(tuán)聚技術(shù)在電廠降低燃煤飛灰濃度中應(yīng)用廣泛,能有效團(tuán)聚常規(guī)除塵器難以捕捉的細(xì)微粒徑飛灰。

傳統(tǒng)的純水噴霧降塵對75 μm及以下粒徑煤塵除塵率較低,化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)可將這部分煤塵團(tuán)聚長大,加速沉降。煤礦使用化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)無需改變正常生產(chǎn)條件及現(xiàn)有除塵設(shè)備,通過在噴霧降塵的水中添加適量團(tuán)聚劑,可以有效降低井下煤塵濃度。筆者根據(jù)團(tuán)聚劑合成方法及分子鏈所帶電荷性質(zhì)不同,選取了5種化學(xué)團(tuán)聚劑,通過對團(tuán)聚前后煤塵粒徑變化的分析,研究團(tuán)聚劑種類,濃度以及溫度對團(tuán)聚效果的影響,探究煤塵的團(tuán)聚行為。

1 實 驗

1.1 實驗樣品與試劑

實驗煤樣取自七臺河礦業(yè)集團(tuán)公司建設(shè)煤礦。在參考國內(nèi)外有關(guān)降塵用團(tuán)聚劑配方、專利及相關(guān)學(xué)術(shù)論文的基礎(chǔ)上,本著無毒無害、保存時間長且理化性質(zhì)不變、不可燃、對金屬和橡膠無腐蝕、成本低且運(yùn)輸方便的原則,從現(xiàn)有的團(tuán)聚劑中優(yōu)選了用途較廣的陰離子、非離子、陽離子3類團(tuán)聚劑,5種試劑進(jìn)行實驗[11-12]。其中,羧甲基纖維素鈉(簡稱CMC),為陰離子,分子式為C6H7O2(OH)2OCH2COONa,黃單胞多糖(簡稱XTG),為陰離子,分子式為C8H14Cl2N2O2,離子聚丙烯酰胺(簡稱PAM),為非離子,分子式為CH2CHCONH2,陽離子聚丙烯酰胺(簡稱CPAM),為陽離子,結(jié)構(gòu)式為[CH2CH(CONH2)]-[(CH2CH)COO-CH2CH2N+(CH3)3CL],陰離子聚丙烯酰胺(簡稱APAM),為陰離子,結(jié)構(gòu)式為[CH2CH(CONH2)]-[CH2CH(COONa)]。試劑均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

實驗所需設(shè)備主要包括水浴鍋、粒徑分析儀、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、恒溫加熱箱、電子天平、燒杯。其中,溶液溫度控制與攪拌轉(zhuǎn)速控制采用HH-J2型數(shù)顯攪拌水浴鍋,轉(zhuǎn)速可控范圍0～2 000 r/min,溫度可控范圍0～80 ℃。煤塵粒徑分布使用馬爾文Mastersizer3000E激光粒度分析儀測量,該儀器采用激光衍射技術(shù)測量粒度,當(dāng)激光束穿過分散的顆粒樣品時,通過測量散射光的強(qiáng)度來完成粒度測量,數(shù)據(jù)用于分析計算形成該散射圖譜的粒度,可測量粒度范圍為0.1～1 000 μm。

1.3 實驗方法

煤樣取自七臺河礦業(yè)集團(tuán)公司建設(shè)煤礦,將其放入密封袋內(nèi)保存送至實驗室,利用破碎機(jī)對其進(jìn)行破碎處理,使用200目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩選后保存。實驗時稱取煤塵樣品1 g,將其加入不同溫度的500 mL團(tuán)聚劑溶液(團(tuán)聚劑與去離子水配制)中,使用電磁攪拌儀(700 r/min)攪拌3 min,使液面上產(chǎn)生紊流條件,煤塵均勻分布于溶液中,從而促進(jìn)煤塵發(fā)生團(tuán)聚。常溫靜置沉降24 h,使用恒溫加熱箱保持與團(tuán)聚劑溶液相同溫度,對其烘干后取團(tuán)聚煤塵樣品,使用激光粒度分析儀測試團(tuán)聚后煤塵粒徑分布,取累計粒度分布數(shù)達(dá)到10%時所對應(yīng)的粒徑D10、累計粒度分布數(shù)達(dá)到50%時所對應(yīng)的粒徑D50等具有代表性的參數(shù),每個實驗重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚劑種類

煤塵團(tuán)聚是通過團(tuán)聚劑的分子鏈將兩個或更多的煤塵吸附,再通過分子鏈自身的“架橋”方式將其連接,從而使得被吸附的煤塵之間相互接觸,團(tuán)聚長大。不同團(tuán)聚劑的分子量與分子結(jié)構(gòu)存在差異,故其對煤塵的團(tuán)聚效果也不盡相同。

圖1為團(tuán)聚劑溶液溫度t=25 ℃,攪拌轉(zhuǎn)速700 r/min,團(tuán)聚劑濃度0.1 g/L時,不同種類團(tuán)聚劑溶液對煤塵團(tuán)聚作用的影響。主要表征為D10及D50參數(shù)的變化。

圖1 不同種類團(tuán)聚劑的團(tuán)聚效果Fig.1 Agglomeration effect of different agglomeration agents

從圖1可以看出,未添加任何團(tuán)聚劑的去離子水中,D10為6.16 μm,D50為26.9 μm,使用XTG團(tuán)聚后,D10與D50分別增至15.2 μm及82.9 μm,煤塵的粒徑分布有明顯增長,表明煤塵與團(tuán)聚劑分子鏈之間產(chǎn)生了吸附反應(yīng)。因為不同的團(tuán)聚劑所含分子量不同,對煤塵的團(tuán)聚促進(jìn)作用有所差異,其中,XTG的分子量適中,分子鏈為線性結(jié)構(gòu),伸展度較好[13],促進(jìn)效果最好。APAM團(tuán)聚效果略優(yōu)于PAM和CPAM,這是因為對于疏水性固體粒子在水中分散時,使用陰離子高分子表面活性劑做分散劑最有效,團(tuán)聚劑分子在煤塵上定向吸附后,煤塵帶有電荷,形成雙電層,使分散體趨于穩(wěn)定[14]。CPAM團(tuán)聚效果不如PAM和APAM,這與吳超[14]的研究結(jié)果一致,陽離子型團(tuán)聚劑在水中能夠電離出陽離子,且CPAM作為有機(jī)高分子化合物會電離出較多有機(jī)胺衍生物,不易與煤塵吸附。非離子型團(tuán)聚劑PAM不會在水中發(fā)生電離,溶劑穩(wěn)定性高[15]。

2.2 團(tuán)聚劑濃度

團(tuán)聚劑溶液濃度也是影響煤塵團(tuán)聚長大效果的重要因素,文中選取XTG和APAM這2種團(tuán)聚劑,在溫度t=25 ℃,團(tuán)聚劑溶液濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.30 g/L時,探究濃度對團(tuán)聚效果的影響。圖2為上述實驗條件下煤塵的累計粒度分布粒徑D50結(jié)果。

圖2 團(tuán)聚劑濃度對團(tuán)聚效果的影響Fig.2 Effect of agglomeration agent concentration on agglomeration

由圖2可知,在XTG溶液濃度低于0.10 g/L時,隨著團(tuán)聚劑溶液濃度增加,煤塵累計粒度分布粒徑顯著增加。在溶液濃度由0.05 g/L增加至0.10 g/L時,D50由62.7 μm增長至82.9 μm,粒徑分布增長32%。但當(dāng)濃度超過0.10 g/L時,隨著濃度逐漸增大,煤塵累計粒度分布粒徑呈現(xiàn)減小的趨勢。APAM團(tuán)聚劑溶液濃度由低增高,煤塵累計粒度分布粒徑也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。濃度為0.20 g/L時,較濃度為0.05 g/L時粒徑分布增長50%,但當(dāng)濃度超過0.2 g/L時,D50逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于溶液濃度逐漸增大過程中團(tuán)聚劑分子數(shù)量增多,分子鏈吸附煤塵能力加強(qiáng),可以團(tuán)聚更多煤塵。但濃度過大時,溶液中過量的團(tuán)聚劑分子相互擠壓,分子鏈不易伸展,對煤塵的吸附架橋作用難以實現(xiàn)[16],并且煤塵比表面積較小,煤塵表面被過量團(tuán)聚劑分子飽和吸附,沒有足夠多的空余吸附位置,因此團(tuán)聚效果較之前有所降低。綜上,團(tuán)聚劑濃度存在一個最佳區(qū)間,過高或過低均會影響團(tuán)聚效果,XTG與APAM最佳團(tuán)聚濃度存在差別,這是因為XTG的分子量比APAM高,濃度相同時,XTG的分子數(shù)量更多。

2.3 團(tuán)聚劑溫度

團(tuán)聚劑溶液溫度對煤塵團(tuán)聚效果也有較大影響,不同團(tuán)聚劑在不同溫度下的物性表現(xiàn)不同。選用XTG、CPAM、CMC 3種團(tuán)聚劑,保持濃度、給塵量等條件均相同的情況下,改變?nèi)芤簻囟?圖3為溶液溫度對團(tuán)聚效果的影響。

圖3 溶液溫度對團(tuán)聚效果的影響Fig.3 Effect of solution temperature on agglomeration

由圖3可知,團(tuán)聚效果與團(tuán)聚劑溶液溫度呈正相關(guān)。在溫度,濃度相同的情況下,XTG的團(tuán)聚效果最好,CPAM次之,CMC最差,這與團(tuán)聚劑的分子量有關(guān),XTG的分子量高于CPAM與CMC。隨著團(tuán)聚劑溶液溫度的增加,團(tuán)聚效果均逐漸增強(qiáng)。溫度由25 ℃上升至40 ℃時,CPAM與CMC團(tuán)聚效果顯著提升,經(jīng)CPAM團(tuán)聚后的煤塵累計粒度分布粒徑D50由66.1 μm升至73.5 μm,增長了11%,與此同時,CMC增長了17%,XTG增長2%。這是由于溫度升高,溶液中分子熱運(yùn)動加劇,且升溫導(dǎo)致團(tuán)聚劑分子鏈進(jìn)一步伸展,煤塵與團(tuán)聚劑分子鏈碰撞吸附概率增大,因此能夠團(tuán)聚更多煤塵[17]。但溫度由40 ℃升至60 ℃時,三種團(tuán)聚劑溶液團(tuán)聚效果增強(qiáng)趨勢放緩,CPAM溶液煤塵累計粒度分布粒徑D50由73.5 μm升至77.8 μm,僅增長5%。這可能是因為溶液中煤塵與團(tuán)聚劑分子吸附已經(jīng)較為完全,無法發(fā)生更多團(tuán)聚。

3 煤塵團(tuán)聚過程分析

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對團(tuán)聚前后煤塵的微觀形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4a可知,未進(jìn)行團(tuán)聚的煤塵獨(dú)立分散,主要以不規(guī)則顆粒存在。圖4b是煤塵與團(tuán)聚劑溶液團(tuán)聚作用后的微觀形貌,從圖4b中可以看出,煤塵經(jīng)團(tuán)聚劑后形成了穩(wěn)定的鏈狀結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體。

圖4 煤塵團(tuán)聚前SEM圖Fig.4 SEM images before and after coal dust agglomeration

化學(xué)團(tuán)聚劑分子在黏性力作用下將單個煤塵吸附后,又通過分子自身的長鏈繼續(xù)吸附其他一個或多個煤塵,這樣煤塵之間通過分子鏈“架橋”方式連接在一起,形成“煤塵-高分子鏈-煤塵”鏈狀絮凝體[18]。當(dāng)煤塵表面有足夠多的空余吸附位置并且有相對多的團(tuán)聚劑分子鏈向外伸展時,不同鏈狀絮凝體之間可以互相吸附構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。溶液中不斷發(fā)生的這種現(xiàn)象使得分子鏈更易于捕獲并吸附煤塵,進(jìn)一步起到增大團(tuán)聚體體積的作用。

4 結(jié) 論

(1)化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)可有效促進(jìn)煤塵團(tuán)聚長大,加入團(tuán)聚劑后煤塵累計粒度分布粒徑D10與D50與純水相比均提高約2倍,其中,經(jīng)XTG團(tuán)聚后煤塵D50提高了3倍。

(2)在一定濃度范圍內(nèi),團(tuán)聚劑促進(jìn)煤塵團(tuán)聚的效果隨著團(tuán)聚劑溶液濃度增加而提高。XTG濃度小于0.10 g/L時,增大其濃度可以增強(qiáng)團(tuán)聚效果,當(dāng)XTG濃度大于0.10 g/L時,繼續(xù)增大團(tuán)聚劑濃度,團(tuán)聚效果有所減弱?？紤]到環(huán)境適用性以及經(jīng)濟(jì)性,使用XTG作為團(tuán)聚劑時,濃度以0.10 g/L為宜。

(3)低溫環(huán)境不利于團(tuán)聚劑作用。適當(dāng)升高團(tuán)聚劑溶液溫度,溶液中煤塵和團(tuán)聚劑分子熱運(yùn)動加劇,碰撞并吸附在一起的概率增大,并且溫度升高,團(tuán)聚劑分子鏈伸展度較好,更易于吸附煤塵。