煤礦降塵劑性能和復(fù)配優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

謝子超

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 065201)

國(guó)內(nèi)在除塵降塵領(lǐng)域的研究起步得比較晚,早期基本是以灑水作為主要的降塵措施[1-4]。直到20世紀(jì)60年代,王海寧等[5-7]利用渣油、乳化劑和復(fù)合配方制備出降塵用乳狀液,該降塵產(chǎn)品的表面張力小,對(duì)粉塵的潤(rùn)濕能力比較好,將乳狀液噴灑于有粉塵的工作現(xiàn)場(chǎng),利用其破乳后形成的油膜能充分粘接粉塵,并且能達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間降塵的效果。

我國(guó)早期對(duì)于降塵劑的研究主要是集中應(yīng)用在路面運(yùn)輸?shù)冉祲m的問題上,對(duì)于專用于煤礦煤塵用的降塵劑研發(fā)較少。作為粉塵中最常見、危害最大的一類,煤塵更應(yīng)該引起國(guó)人的重視,潘海軍研發(fā)出一種高效環(huán)保的降塵劑主要解決煤塵濕潤(rùn)性差、表面張力大等問題,與灑水降塵相比,該降塵劑在一定程度上有效改善了溶液的表面張力及接觸角問題,保水率也有一個(gè)大幅的提升,降塵率提高了20%以上。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的降塵技術(shù)進(jìn)行全面學(xué)習(xí),我們能夠清楚地看到最早的降塵技術(shù)是灑水降塵,一路發(fā)展到現(xiàn)在的化學(xué)降塵,在降塵方面實(shí)現(xiàn)了跨越式的進(jìn)步。隨著科學(xué)研究的不斷進(jìn)行,降塵劑的性能也在不斷完善,但始終存在一些問題及弊端,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:第一,以鈉、鎂、鈣等鹵化物,無機(jī)鹽及表面活性劑為主的降塵劑雖然降塵效果好且具有較好的濕潤(rùn)性能,但不足之處在于它的粘結(jié)性較差,固化時(shí)間長(zhǎng),耐蒸發(fā)性差且對(duì)運(yùn)輸設(shè)備具有腐蝕作用,同時(shí)煤的燃燒值也會(huì)受到鹵化物等添加劑的嚴(yán)重影響[8];第二,以瀝青、渣油、原油、磺酸鹽和鹵化物等作為基料的降塵劑具有較好的粘結(jié)性能,耐蒸發(fā)性能及吸濕性較好,但其耐鹽性較差,保水性不足,且難降解、穩(wěn)定性差、二次污染、毒性、腐蝕性等問題限制了其發(fā)展與應(yīng)用;第三,以吸水性的樹脂為依托的降塵劑含括了原有技術(shù)的各方面優(yōu)勢(shì),并在此基礎(chǔ)上有了很大改進(jìn),其吸水、保濕及粘結(jié)性都有了大幅度的提高,但現(xiàn)階段多數(shù)研究者對(duì)以吸水樹脂為依托的抑塵劑研究較少[9-12],此外由于樹脂合成工藝復(fù)雜且成本昂貴,難以工業(yè)化生產(chǎn),產(chǎn)品帶有NOX和SOX污染,降解性能不理想,熱穩(wěn)定性能較差,且功能單一,嚴(yán)重威脅其推廣應(yīng)用。

由此可見,容易降解,熱穩(wěn)定性較好,原料經(jīng)濟(jì)成本低,無毒無腐蝕性,不產(chǎn)生二次污染,且集潤(rùn)濕、固化、保水、降塵等作用為一體的多功能型高效降塵劑必將是未來降塵領(lǐng)域的主角?；诖?本文對(duì)不同表面活性劑降塵效果進(jìn)行探究,旨在得出最優(yōu)降塵材料配比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)際工況降塵技術(shù)有一定的指導(dǎo)意義。

1 表面活性劑單體溶液的保水性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

分別稱取5份3 g的煤塵放置在相同的托盤中,再分別量取等質(zhì)量的表面活性劑,將表面活性劑與煤塵攪拌均勻,做好標(biāo)記,然后將托盤放于室內(nèi)自然晾干,每隔10 h稱量一次托盤的重量,直至托盤重量不再發(fā)生改變,此時(shí)記錄數(shù)據(jù),每組實(shí)驗(yàn)記三組數(shù)據(jù),取平均值,計(jì)算出煤塵的含水率,見式(1)。含水率越高,表面活性劑的保水率就越好。

(1)

式中:Mc為含水率,%;mw為濕樣質(zhì)量,g;m為恒定質(zhì)量,g.

具體稱重質(zhì)量見表1和表2.

表1 表面活性劑單體保水性實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量 單位g

表2 表面活性劑單體保水性實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量 單位g

將3組數(shù)據(jù)計(jì)算出平均值繪制出分析圖如圖1所示。

圖1 表面活性劑單體保水性實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析圖

1.2 保水性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將5種表面活性劑的含水率計(jì)算結(jié)果取平均值見表3.

表3 表面活性劑單體含水率 單位%

由表3可知,含水率較高的是吐溫-80,而事實(shí)上,5種表面活性劑的含水率差別不大。含水率由高到低分別是吐溫-80>SDBS>CAB-35>SAS=CMC.

2 表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)

2.1 表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性測(cè)定

將不同濃度不同種類的表面活性劑做好標(biāo)記,再分別量取100 mL的溶液放至燒杯,將漏斗豎直放置,讓溶液的表面與漏斗下端口貼近。用托盤天平稱取若干份0.1 g的煤塵,先使用小紙片封住漏斗下端口,再將0.1 g的煤塵倒入漏斗,然后移開紙片,移開紙片的同時(shí)用秒表計(jì)時(shí),待到煤塵全部沒入到液面以下時(shí),停止計(jì)時(shí),這個(gè)時(shí)間即為潤(rùn)濕時(shí)間。

每組實(shí)驗(yàn)做3次,取3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)定結(jié)果,結(jié)果見表4.

表4 潤(rùn)濕時(shí)間測(cè)定結(jié)果 單位s

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制出折線見圖2.

圖2 表面活性劑潤(rùn)濕時(shí)間結(jié)果折線圖

2.2 潤(rùn)濕時(shí)間測(cè)定結(jié)果分析

由圖2可知,不同的表面活性劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕時(shí)間差別比較大,不同的濃度下活性劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕時(shí)間也有差異。如SDBS在濃度很低時(shí)就能達(dá)到很好的潤(rùn)濕效果;而吐溫-80和CMC在濃度很低時(shí)煤塵懸浮于溶液,但隨著濃度的增加,其沉降的時(shí)間也在逐漸減少,潤(rùn)濕效果也在不斷提高。

在這5種表面活性劑中,有2種表面活性劑在較低的濃度下就能有較好的潤(rùn)濕能力,分別是SDBS和SAS,且SDBS在濃度很低的情況下,它的潤(rùn)濕時(shí)間也較短。CAB-35在濃度達(dá)到0.05%時(shí)出現(xiàn)潤(rùn)濕效果,但潤(rùn)濕速度很緩慢,在濃度達(dá)到0.1%時(shí),可以很大程度縮短了潤(rùn)濕時(shí)間。相比之下,吐溫-80和CMC在溶液濃度為0.1%時(shí)才看得到降塵效果,吐溫-80的潤(rùn)濕時(shí)間隨著溶液濃度的增大變化并不如其他幾種活性劑幅度大;在0.1%濃度下,CMC的潤(rùn)濕時(shí)間達(dá)到了1 644 s,比0.01%濃度下的SDBS和SAS耗時(shí)還要久,隨著濃度的增大,該活性劑的潤(rùn)濕時(shí)間有明顯變化。

綜上所述,通過表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,能夠看出,SDBS和SAS在低濃度下潤(rùn)濕效果就比較好;CMC表現(xiàn)較差,在濃度較高時(shí)潤(rùn)濕時(shí)間也還較長(zhǎng)。

3 表面活性劑單體的復(fù)配實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)初選的5種表面活性劑單體的保水能力測(cè)定和不同質(zhì)量濃度的潤(rùn)濕時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn),最終選定4種表面活性劑來進(jìn)行復(fù)配,4種表面活性劑分別是SDBS、SAS、CAB-35、吐溫-80.

將優(yōu)選出的這4種表面活性劑兩兩按體積比和濃度比均為1∶1進(jìn)行復(fù)配,得到6種不同的復(fù)配溶液,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從而優(yōu)選出更實(shí)用的降塵劑配方。為實(shí)驗(yàn)方便,表面活性劑配比時(shí)濃度均為0.05%,將SDBS、SAS、CAB-35、吐溫-80分別編號(hào)為試劑1、試劑2、試劑3、試劑4.

3.1 復(fù)配溶液的保水性實(shí)驗(yàn)

對(duì)復(fù)配溶液重復(fù)進(jìn)行1.1的操作步驟,每個(gè)溶液設(shè)置3組平行實(shí)驗(yàn),得到復(fù)配溶液的保水性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體見表5和表6.

表5 復(fù)配溶液保水性實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量 單位g

表6 復(fù)配溶液保水性實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量 單位g

將表格中數(shù)據(jù)計(jì)算出平均值,繪制成復(fù)配溶液保水性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖,見圖3.

圖3 復(fù)配溶液保水性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

通過對(duì)上述兩個(gè)表格能計(jì)算出復(fù)配溶液的保水率,取平均值見表7.

表7 復(fù)配溶液含水率 單位%

由表7能夠看出,保水率較高的復(fù)配溶液是試劑1+試劑2和試劑1+試劑3,結(jié)合表面活性劑單體的含水率繪制出復(fù)配溶液含水率對(duì)比圖,見圖4.

圖4 復(fù)配溶液含水率對(duì)比圖

由圖4可以看出,表面活性劑單體的含水率普遍低于復(fù)配溶液的含水率,其中變化最大的試劑1+試劑2和試劑1+試劑3這兩組,能夠看出,試劑1的單體含水率不高,但是分別與試劑2還有試劑3進(jìn)行復(fù)配后,其含水率有明顯提升;其次是試劑3+試劑4這組,能夠看出試劑3單體的含水率要高于其他表面活性劑單體,在分別與試劑1和試劑4復(fù)配后,其含水率仍舊很高。表現(xiàn)較差的是試劑1+試劑4這組,在6種復(fù)配溶液中的含水率并不出眾,可能是由于該組兩個(gè)活性劑單體的含水率都不高,因而導(dǎo)致復(fù)配后的溶液含水率不高。

綜上所述,復(fù)配溶液含水率較高的是試劑1+試劑2,其次是試劑3+試劑4和試劑1+試劑3.

3.2 復(fù)配溶液的潤(rùn)濕時(shí)間測(cè)定

對(duì)復(fù)配溶液進(jìn)行2.1的操作步驟,每個(gè)溶液設(shè)置3組實(shí)驗(yàn),取3組數(shù)據(jù)的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,具體潤(rùn)濕時(shí)間結(jié)果見表8.

表8 復(fù)配溶液潤(rùn)濕時(shí)間 單位s

由表可知, 潤(rùn)濕時(shí)間較短的是試劑1+試劑2和試劑1+試劑3兩組。其中,試劑1+試劑2這一組在溶液濃度為0.05%的情況下,能達(dá)到一個(gè)非?？斓臐?rùn)濕效果,煤塵沉降速度較快;結(jié)合表面活性劑單體的潤(rùn)濕結(jié)果來看,有試劑1參與的復(fù)配溶液都能有較好的潤(rùn)濕效果。同時(shí)試劑2+試劑4和試劑3+試劑4兩組的潤(rùn)濕能力較差,在低濃度下潤(rùn)濕效果不佳,潤(rùn)濕速度極其緩慢,但結(jié)合表面活性劑單體的潤(rùn)濕效果來看,這兩組復(fù)配溶液在潤(rùn)濕性能上有所改進(jìn)。

綜上所述,復(fù)配溶液中潤(rùn)濕效果較好的是試劑1+試劑2,其次是試劑1+試劑3,這兩組在低濃度下也表現(xiàn)出較好的潤(rùn)濕能力。

4 復(fù)配溶液濃度優(yōu)選

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步確定降塵劑的最佳濃度,需對(duì)上節(jié)優(yōu)選出的復(fù)配溶液(試劑1+試劑2)進(jìn)行不同濃度的降塵測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組,濃度分別為0.05%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%,觀察不同濃度配比后的溶液對(duì)煤塵的降塵效果,從中選擇出最優(yōu)的配比比例。

設(shè)置5組不同濃度的優(yōu)選復(fù)配溶液,濃度分別設(shè)置為0.05%、0.15%、0.25%、0.35%、0.45%,每組取相同劑量100 mL復(fù)配溶液倒入量杯中。用托盤天平稱取5份0.1 g的煤塵樣本,再分別倒入5組不同濃度的復(fù)配溶液的量杯中,當(dāng)煤塵與復(fù)配溶液接觸時(shí)開始計(jì)時(shí),并注意要時(shí)刻觀察這幾組量杯的變化,直到每個(gè)量杯中煤塵全部沉積到量杯隊(duì)底部時(shí),此時(shí)分別記錄每個(gè)量杯煤塵沉積的時(shí)間,即為每個(gè)復(fù)配溶液的降塵時(shí)間。對(duì)每種濃度的復(fù)配溶液都測(cè)3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將這3組數(shù)據(jù)的平均值作為復(fù)配溶液的降塵時(shí)間。

測(cè)定復(fù)配溶液的降塵時(shí)間,主要目的就是利用不同的復(fù)配溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察在相同的條件下,哪種活性劑降塵效果最好,而降塵效果主要表現(xiàn)在降塵時(shí)間和所利用的活性劑劑量的多少。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5種濃度下的復(fù)配溶液降塵時(shí)間測(cè)定結(jié)果見表9和圖5.

圖5 混合試劑降塵時(shí)間測(cè)定折線圖

表9 不同濃度下試劑1+試劑2的降塵時(shí)間測(cè)定 單位s

由圖5可知,復(fù)配溶液在濃度為0.05%～0.25%時(shí),其降塵時(shí)間隨著濃度的增大而減少;在溶液濃度超過了0.25%之后,復(fù)配溶液的降塵時(shí)間又開始延長(zhǎng)。能夠從圖中直觀地看出,在復(fù)配溶液濃度區(qū)間為0.15%～0.25%時(shí),溶液的降塵時(shí)間較短,效果最好。

5 結(jié) 語

1) 在水溶液中添加適量的表面活性劑在一定程度上能夠提高水溶液對(duì)煤塵的潤(rùn)濕能力,同時(shí)不同的表面活性劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕時(shí)間差別很大,同一種表面活性劑溶液對(duì)煤塵的潤(rùn)濕效果與溶液濃度息息相關(guān),隨著溶液濃度的增大,表面活性劑的潤(rùn)濕時(shí)間也隨之減小,潤(rùn)濕效果也在提升;

2) 大部分復(fù)配溶液在溶液濃度很低的情況下,就有較好的潤(rùn)濕效果,其潤(rùn)濕能力遠(yuǎn)大于表面活性劑單體,有2種表面活性劑單體在溶液濃度達(dá)到0.1%時(shí)才出現(xiàn)潤(rùn)濕效果,而該單體在進(jìn)行復(fù)配后潤(rùn)濕性得到顯著提升;

3) 復(fù)配溶液的保水性相比表面活性劑單體也有顯著改善,表面活性劑單體的含水率普遍在2.5%左右,在進(jìn)行復(fù)配后,各復(fù)配溶液的含水率達(dá)到3%左右,提升明顯。