多組分表面活性劑復配對煙煤潤濕效果研究

金靖艷 ，唐明云 ，江丙友 ，王樂樂 ，陳功輝 ，王 冬

（1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

在煤炭的生產(chǎn)、運輸、加工等過程中都會產(chǎn)生大量煤塵，不僅嚴重污染作業(yè)環(huán)境，對機器造成腐蝕，又易使作業(yè)人員患上塵肺病、矽肺病，并且在空氣中達到一定含量時會發(fā)生爆炸，造成安全事故[1-3]。一般粒徑1 mm 以下的煤塵都能參與爆炸，0.075 mm 以下的煤塵參與爆炸最多[4]。

針對上述危害，國內外大多通過噴霧灑水法進行抑塵[5]，眾多研究表明，向水中添加表面活性劑能有效提高煤體的潤濕性[6-8]。而單一的表面活性劑抑塵效率一般，故為了有效降低溶液的表面張力，提高抑塵效率，大量學者對表面活性劑復配進行了研究[9-14]。李皓偉等[15]以貴州百色集團六龍煤礦煤樣為例，選用了4 種具有代表性的表面活性劑，分別是陰離子型的快速滲透劑 T 和SDBS、非離子型的滲透劑 JFCS、混合型的CAB-35，通過表面張力和接觸角測定，優(yōu)選出來濃度0.4%的快滲T 溶液用于現(xiàn)場煤層注水；翁安琦等[16]優(yōu)選仲烷基磺酸鈉(H95)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1 227)、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB-35)、椰油酸二乙醇酰胺(CDEA)4 種表面活性劑，并按其臨界膠束濃度(CMC) 兩兩復配，分別對單體和復配溶液進行表面張力、接觸角及反滲試驗，結果表明0.05%H95 和0.05%CDEA 的復配溶液對煤的潤濕性最好；劉邱祖等[17]通過對10 種潤濕劑的初步實驗，利用沉降法優(yōu)選出3 種試劑作為潤濕劑復配試劑，利用交叉復配法和不同濃度值確定了16 種實驗方案，根據(jù)沉降法和成本差價優(yōu)選出復配潤濕劑。

從以上文獻分析可知，目前國內外學者對抑塵劑的研究取得了較好的成果，但大多數(shù)對表面活性劑的復配研究集中于雙組分復配，而且對于表面活性劑的潤濕性能考察也主要從實驗角度進行分析比較。因此，選取煙煤為研究對象，對不同類型的表面活性劑進行了考察，結合分子模擬技術比較了其潤濕性能的高低；并采用正交法研究了3 種類型表面活性劑的復配效果；以期優(yōu)選出效果最佳的抑塵劑配方。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

煙煤是自然界中分布最廣和最多的煤種。實驗選取淮南潘三煤礦的煙煤作為研究對象，用磨煤機對其破碎、研磨。過直徑75 μm 標準篩，篩選出75 μm 以下的煤塵，進行密封保存，置于避光陰涼處。煤樣工業(yè)分析結果如下：水分為1.64%，灰分為16.47%，揮發(fā)分為34.75%，固定碳含量為65.25%。所選煤樣為煙煤中的肥煤。

出于礦井下的工人健康考慮，所選的表面活性劑應當無毒、無刺激性，綠色環(huán)保，且潤濕性能良好，以達到抑塵效果。并且煙煤分子的負電勢部位容易被潤濕，而陽離子型表面活性劑會與其表面的負電勢部位結合，進而降低其潤濕效果[18]。在此基礎上，選取了陰離子型、兩性離子型及非離子型表面活性劑，實驗用表面活性劑見表1。

1.2 實驗方法

表面活性劑的碳氫鏈覆蓋在水的表面，而烷烴分子間作用力小于水分子間作用力，故表面活性劑吸附在水表面會導致水的表面張力降低[19]；煤塵沉降實驗簡單易行，并且能說明溶液對煤塵的潤濕能力的強弱[20-21]。表面張力和沉降時間均能有效反映溶液的抑塵效果，通過此2 種考察指標，對每種離子類型的表面活性劑各自優(yōu)選出最佳單體，然后進行正交試驗。

每種實驗均是由低濃度向高濃度進行，且每組實驗做3 次，取平均值以減少誤差。同時每項實驗都以清水為對照組。

2 單體配方優(yōu)選實驗

2.1 表面張力實驗

使用（泡沫）界面流變儀，采用懸滴法（上升氣泡法）[22]進行了表面張力實驗。對于懸滴法，在這種情況下能有效控制新形成的液體或氣體表面受環(huán)境污染程度，同時也可以基本避免液滴在空氣中的蒸發(fā)和揮發(fā)情況，還能較大程度減弱低黏度液滴受周圍環(huán)境影響而發(fā)生抖動的現(xiàn)象，并且所有的測量值均來自同一個液滴，完全避免了表面張力值和時間計時方面的偏差問題[23]。

表面活性劑表面張力如圖1。經(jīng)測量，水的表面張力為72.22 mN/m。由圖1 可知，在陰離子表面活性劑中，快滲T 的表面張力最小，先降低，然后在質量分數(shù)為0.10%時趨于穩(wěn)定。在兩性離子表面活性劑中，LAB-35 的表面張力隨著濃度的增大而增大，而CAB-35 和BS-12 的表面張力較為穩(wěn)定，且均在0.15%之后低于LAB-35。在非離子表面活性劑中，TWEEN-20 的表面張力隨著濃度增大而增大，在0.10%之后趨于穩(wěn)定，APG 的表面張力總體隨著濃度增大而降低。

圖1 表面活性劑表面張力Fig.1 Surfactants surface tension

2.2 煤塵沉降實驗

為測量不同表面活性劑作用下煤塵的自然沉降時間，以MT 506—1996《礦用降塵劑性能測定方法》為標準，自行搭建一種簡便的實驗裝置，煤塵沉降實驗裝置如圖2。

圖2 煤塵沉降實驗裝置Fig.2 Experimental device of coal dust deposition

將所選的8 種表面活性劑分別配制出質量分數(shù) 為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的溶液，使用JJ2202BC 電子秤稱量100 mg 煤粉，之后將煤粉通過漏斗均勻地沉入50 mL溶液中，用秒表記錄下煤粉從接觸液面到完全沉入的時間。煤塵沉降效果如圖3（煤粉在水中處于漂浮狀態(tài)，不發(fā)生沉降）。

圖3 煤塵沉降效果Fig.3 Coal dust settling effect

表面活性劑不同質量分數(shù)下沉降時間分布如圖4。由圖4 可知：在陰離子表面活性劑中，快滲T 的沉降時間最短，在0.05% 時已達到穩(wěn)定，SDS 在0.15% 時達到穩(wěn)定，而K12 在0.20%時才達到穩(wěn)定，快滲T＜SDS＜K12；在兩性離子表面活性劑中，BS-12 沉降時間基本上隨濃度的增大而減小，在0.15% 時趨于穩(wěn)定，遠小于LAB-35 和CAB-35；在非離子表面活性劑中，TWEEN-20 的沉降時間隨著濃度增大而增大，效果不佳，APG 的沉降時間隨著濃度增大而減小，并在0.20% 時處于穩(wěn)定狀態(tài)；所有試劑中，陰離子型表面活性劑沉降時間最短，效果最好。

圖4 表面活性劑不同質量分數(shù)下沉降時間分布Fig.4 Distribution of sedimentation time under different mass fractions of surfactants

2.3 優(yōu)選結果

依據(jù)表面張力實驗和沉降實驗的結果，從3種離子類型表面活性劑中各自優(yōu)選出快滲T、BS-12、APG，分別在0.15%、0.15%、0.20% 時達到穩(wěn)定，將其表面張力和沉降時間進行比較，優(yōu)選試劑表面張力和沉降時間如圖5。從圖5 可以看出，不論是以表面張力還是沉降時間為考察指標，陰離子表面活性劑快滲T 效果都最好。

圖5 優(yōu)選試劑表面張力和沉降時間Fig.5 Preferred reagent surface tension and settling time

3 分子模擬

3.1 分子模型

目前，分子模擬技術的發(fā)展日趨成熟，可以從微觀原子角度來解釋一些現(xiàn)象，對表面活性劑的潤濕機理進行很好的補充。分子力學是以經(jīng)典力學為基礎，由于體系中的分子坐標會發(fā)生實時變化，故可通過牛頓運動方程的求解，來獲得模擬過程中粒子運動軌跡，進而計算出各分子之間的能量和一些力學性質等重要信息。

模擬使用Materials Studio 軟件，利用Visualizer 模塊構建了優(yōu)選的3 種表面活性劑快滲T、BS-12 和APG 的分子模型。然后，利用Forcite 模塊的Geometric Optimization 對分子模型進行優(yōu)化，使分子的結構達到穩(wěn)定。最后，將分子的靜電勢映射到電子密度面上，表面活性劑靜電勢分布如圖6。

圖6 表面活性劑靜電勢分布Fig.6 Surfactant electrostatic potential distribution

3.2 靜電勢

靜電勢是指分子某一點處的單位點電荷與整個體系之間的相互作用能，靜電勢絕對值越大，引起靜電吸引相互作用的概率越大，越容易與水分子形成氫鍵，則越容易在溶液表面形成密集排列，即會降低溶液的表面張力，故形成氫鍵的難易可以體現(xiàn)出表面活性劑的潤濕性能差異。而靜電勢絕對值的高低可以通過靜電勢區(qū)域顏色的深淺來判斷[24]。

與BS-12 和APG 相比，快滲T 的極性基團處顏色最深，靜電勢絕對值最大，極易與水分子形成氫鍵。此結果與實際一致，實驗中快滲T 的表面張力最低，沉降時間最短。故優(yōu)選的3 種表面活性劑中，陰離子表面活性劑快滲T 效果最好。

4 抑塵劑復配正交試驗

4.1 正交試驗的因素和水平

優(yōu)選出陰離子表面活性劑快滲T、兩性離子表面活性劑BS-12、非離子表面活性劑APG 3 種單體試劑作為正交試驗的3 個因素A、B、C；其各自在0.15%、0.15%、0.20%時表面張力達到穩(wěn)定，以0.05% 為濃度梯度，選取3 個最佳濃度作為3水平。正交試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Factor level table of orthogonal experiment

4.2 正交試驗極差

對設計出的3 因素3 水平正交試驗的9 組方案繼續(xù)進行表面張力實驗和沉降實驗，正交試驗結果見表3。然后對實驗數(shù)據(jù)進行極差分析，極差分析結果見表4。其中，ki為各因素試驗結果之和的均值；R為極差值，R越大，表示因素越重要。

表3 正交試驗結果Table 3 Orthogonal experiment results

表4 極差分析結果Table 4 Range analysis results

由表4 可知：從表面張力分析，3 個因素中APG 對表面張力的影響最大，快滲T 對表面張力的影響最小；從沉降時間分析，APG 對沉降時間的影響最大，BS-12 對沉降時間的影響最小。分別根據(jù)表面張力和沉降時間2 項考察指標，選取此3 種因素的極差最小項組合作為配方，可以優(yōu)選出2 種最佳復配方案：A2B2C3和A2B1C2。

對優(yōu)選得出的2 組復配方案繼續(xù)進行實驗，實驗結果得出配方A2B2C3表面張力為20.27 mN/m，沉降時間為30.47 s；配方A2B1C2表面張力為16.95 mN/m，沉降時間為20.95 s。故最佳復配方案為A2B1C2，即質量分數(shù)為0.20% 的快滲T、質量分數(shù)為0.15% 的BS-12、質量分數(shù)為0.25%的APG 等比例復配，其表面張力和沉降時間均為最低。

4.3 正交試驗結果

將此優(yōu)選配方復配效果與單體試劑進行對比，優(yōu)選配方各性能指標比較見表5。

表5 優(yōu)選配方各性能指標比較Table 5 Comparison of performance indexes of optimized formula

由表5 可知：復配試劑的表面張力為16.95 mN/m，比快滲T 降低了30.59%，比BS-12 降低了38.54%，比APG 降低了41.69%；復配試劑的沉降時間為20.95 s，比快滲T 加快了20.34%，比BS-12 加快了94.01%，比APG 加快了58.72%。說明此復配方案具有很好的協(xié)同效果，能顯著提高溶液的潤濕性能。

5 結語

1）通過表面張力實驗和沉降實驗分別從3 種離子類型的表面活性劑中優(yōu)選出效果最好的試劑，為陰離子型表面活性劑快滲T、兩性離子型表面活性劑BS-12 和非離子型表面活性劑APG，通過比較得出陰離子型表面活性劑快滲T 的效果最好。

2）采用分子模擬技術研究3 種表面活性劑的靜電勢分布，發(fā)現(xiàn)陰離子型表面活性劑快滲T 效果最好，此結論與實驗結果一致。

3）通過正交試驗對此3 種試劑進行等比例復配。最佳復配方案為：0.20% 快滲T+0.15% BS-12+0.25%APG。