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                              高效型烟煤抑尘剂复配研究

                              韩宗琪1,葛少成1,孙丽英1,张小伟1,陈 曦1,荆德吉2,康健婷1

                              (1.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西省太原市,030024;2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院,辽宁省阜新市,123000)

                              摘 要 为了制备一种高效型烟煤抑尘剂,选取了5种非离子和阴离子表面活性剂作为复配单体进行实验研究。采用浸润时间、接触角、表面张力3种参数表征烟煤的润湿性能,采用喷雾粒径表征抑尘剂溶液的雾化效果,对单体表面活性剂进行优选,然后进行复配实验研究。研究结果表明:对烟煤润湿效果最优的单体为阴离子表面活性剂仲烷基硫酸钠(SAS-60)和非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚7(AEO-7),两者在质量浓度分别为0.4%和0.5%时,最佳复配体积比为7∶3。复配抑尘剂的浸润时间、表面张力和接触角比SAS-60单体溶液分别下降12.0%、2.0%和18.7%,相比AEO-7单体溶液分别下降29.0%、7.1%和21.0%。复配抑尘剂喷雾粒径明显小于单体和纯水喷雾,有效提高了雾化效果,有利于降尘效率的提高。

                              关键词 高效型抑尘剂;复配实验;润湿性;喷雾粒径

                              煤炭生产的各个阶段都伴随着煤尘的产生。煤尘会引起煤尘爆炸事故、降低机械使用寿命,并对矿工的健康造成不可逆的危害[1-3]。为了预防煤尘的安全隐患,可采取的除尘措施有煤层注水、通风除尘及采煤工作面喷雾降尘等[4]。传统喷雾降尘中水雾对煤分子的润湿效果差,呼吸性粉尘由于粒径小更不易被喷雾液滴吸附和润湿,因此,利用抑尘剂喷雾除尘成为主要解决手段[5-8]

                              国内外学者对于利用抑尘剂喷雾除尘进行了很多研究,如用SDS、OP-10、Tween-80、快渗T等进行单一表面活性剂除尘实验或添加无机盐以及用不同种类表面活性剂复配的实验[9-12]。虽然关于抑尘剂的研究已经从单一表面活性剂转向多种类表面活性剂以及无机盐的复配,但在实际应用时,静态润湿实验结果与动态喷雾降尘实验结果相差较大。基于此,笔者提出一种高效型烟煤抑尘剂的优选方法。实验全部采用可生物降解型表面活性剂,并对该表面活性剂进行接触角、表面张力、浸润时间3个性能的测定,优选出表面活性剂单体进行复配。通过对复配抑尘剂3个表征参数的分析对比,得出润湿性最佳的烟煤抑尘剂,并对复配抑尘剂进行喷雾粒径测定以判断雾化效果。

                              1 实验方法研究

                              1.1 实验材料

                              本实验所用煤样为山西省晋中市鑫鼎泰煤矿烟煤,针对烟煤与无烟煤和褐煤不同的表面特性,选择抑尘剂配料。将球磨机研磨过的煤样过筛200目,取过筛后的煤粉烘干保存备用。根据前人研究经验,烟煤分子中的负电势部位较易被润湿,但阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂的加入会与烟煤分子的负电势部位结合,从而降低其润湿效果。因此采取阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂进行优选复配实验[13]

                              本实验选择了10种可生物降解表面活性剂,如表1所示。

                              表1 生物降解型表面活性剂

                              种类名称商品名称外观非离子表面活性剂月桂基烷基糖苷APG12/14微黄膏体正奎基烷基糖苷APG10微黄液体正己基烷基糖苷APG06透明液体脂肪醇聚氧乙烯醚7AEO7白色膏体月桂醇聚氧乙烯醚AEO9白色膏体阴离子表面活性剂仲烷基磺酸钠SAS60浅黄色膏体脂肪醇聚氧乙烯硫酸钠AES白色凝胶十二烷基硫酸钠SDS淡黄色粉状十二烷基苯磺酸钠SDBS白色粉末十二烷基磺酸钠SDDS白色粉末

                              1.2 实验方法

                              1.2.1 沉降时间测定法

                              根据《降尘剂性能测定方法》,用铁环将盛有50 mg煤粉的定性滤纸放在抑尘剂溶液表面。滤纸与表面活性剂溶液接触时开始计时,直至煤粉全部完成沉降。所得时间即为该抑尘剂的浸润时间。若超过5 h仍未完成沉降,则判断其为润湿效果差。

                              1.2.2 接触角测定

                              将干燥过筛的煤粉用压片机压至20 MPa并保持3 min,制成薄厚均匀的薄片。使用型号为SDC-350P的接触角测量仪对质量浓度为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的表面活性剂进行接触角的测定。测量方法为量角法,即将固体表面的液滴投影到屏幕上,测量切线与相界面的夹角。

                              1.2.3 表面张力测定

                              对质量浓度为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%、0.10%、0.30%、0.50%、0.70%、0.90%的优选单体SAS-60及AEO-7运用悬滴法进行表面张力测定,测定过程中实时记录表面张力值以选取临界点表面张力。

                              2 研究结果及分析

                              2.1 单体优选实验

                              2.1.1 浸润时间

                              各表面活性剂的浸润时间如表2所示。

                              表2 不同质量浓度的各表面活性剂溶液的浸润时间 s

                              由表2可知,10种表面活性剂中浸润时间最短的为SAS-60及AEO-7,各表面活性剂随着浓度增加,浸润时间缩短的速率下降。其中润湿效果差的表面活性剂为APG06及APG10,这是由于烷基糖苷类表面活性剂主要靠降低溶液的表面张力提高烟煤分子的亲水性。烷基碳链链长对表面张力影响明显,烷基碳链上每增加一个碳原子,其临界胶束浓度降低一半,降低表面张力的效率就增加1倍[14]。因此APG06及APG10由于碳链较短不能达到提高煤粉亲水性的要求。

                              2.1.2 接触角

                              表面活性剂在煤片表面的润湿情况如图1所示,表面活性剂液滴在固体表面上处于平衡状态时,在固体、液体、气体3个相交界处,从固液交界面到液气交界面的夹角为接触角。接触角越小则表明该抑尘剂对烟煤分子的润湿性越好。除APG06及APG10以外的8种表面活性剂在不同浓度下的接触角如图2所示。由图2可知,接触角的大小排序为SAS-60

                              图1 接触角示意图

                              2.1.3 表面张力

                              表面活性剂的表面张力大小是影响煤尘亲水性的重要因素。优选单体表面张力曲线如图3所示,在0.1%实验浓度时,SAS-60及AEO-7的表面张力都趋于稳定,说明这2个溶液在实验浓度时都达到了该溶液的临界胶束浓度。阴、非离子表面活性剂形成胶团过程如图4所示。由图4可知,阴离子和非离子之间没有相互排斥的电势,两者复配溶液的临界胶束浓度远低于其他离子复配溶液。达到临界胶束浓度后随着浓度增加形成胶团,使不易亲水的烟煤分子进入胶团中,增加了烟煤分子的亲水性[15]。因此选择SAS-60及AEO-7表面活性剂复配在低浓度可得到更高效的抑尘剂。

                              图2 表面活性剂浓度及接触角关系

                              图3 SAS-60及AEO-7表面张力曲线

                              综上3种参数分析,达到临界胶束浓度后,SAS-60及AEO-7的润湿性随着浓度的增加而提高,但随着浓度逐渐增大,提高速率逐步下降。本着经济性兼高效性的考虑,本实验采用质量浓度为0.4%的SAS-60溶液及质量浓度为0.5%的AEO-7溶液进行复配实验。

                              图4 阴、非离子表面活性剂形成胶团示意图

                              2.2 复配优选实验

                              用质量浓度为0.4%的SAS-60溶液及0.5%的AEO-7溶液在体积比例为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1时进行复配实验研究。对9种配比的复配抑尘剂进行润湿时间、表面张力和接触角的测定结果进行分析,以选择最优的配比。复配抑尘剂与表面活性剂单体实验数据对比如图5、图6、图7所示。

                              图5 不同比例复配抑尘剂的接触角

                              分析可得,复配抑尘剂对烟煤分子的润湿性并非都优于表面活性剂单体。配比比例在优选抑尘剂中的影响较大。其中质量浓度为0.4%的SAS-60溶液及0.5%的AEO-7溶液在体积比例1∶9、6∶4、7∶3下的复配抑尘剂在浸润时间和接触角2个参数对比中都优于表面活性剂单体。比例为7∶3的复配抑尘剂较其他比例的复配抑尘剂润湿性明显提高,复配抑尘剂的浸润时间、表面张力和接触角比SAS-60单体溶液分别下降12.0%、2.0%和18.7%,复配抑尘剂的浸润时间、表面张力和接触角比AEO-7单体溶液分别下降29.0%、7.1%和21.0%。

                              图6 不同比例复配抑尘剂的润湿时间

                              图7 不同比例复配抑尘剂的表面张力

                              由此可得,质量浓度为0.4%的SAS-60和0.5%的AEO-7表面活性剂溶液在体积比为7∶3时,静态润湿效果最优,作为喷雾溶剂进行喷雾粒径分析。

                              3 喷雾粒径测定

                              对SAS-60、AEO-7及复配抑尘剂进行喷雾粒径测定,并与纯水在同等试验条件下对比分析。确定复配抑尘剂在实际喷雾除尘时也具备良好的雾化效果。喷雾粒径测定由本实验室搭建的喷雾特性测试系统进行实验。喷雾特性测试系统由喷雾系统和雾滴分析系统组成,如图8所示。喷雾系统用于给被测试喷嘴提供稳定持续的气压,主要由空压机、气体调压阀、喷嘴、喷嘴固定支架和抑尘剂搅拌桶组成。雾滴分析系统由实时喷雾激光粒度分析仪和计算机分析控制系统组成,可对喷嘴喷出的雾滴粒径进行实时测算。由于井下最大供气压力0.5 MPa,本实验采用孔径为1.0 mm的燃油喷嘴在供气压力为0.4 MPa时,对距离喷嘴出口轴线30 cm处进行雾滴粒径测量。喷雾粒径累积分布如图9所示。

                              图8 喷雾特性测试系统

                              图9 喷雾粒径累积分布

                              D50为中位径或者中值粒径,表示累积分布百分数达到50%时所对应的粒径值。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50%,小于它的颗粒也占50%,D50常用来表示喷雾的平均粒度[16-17]。D50越小则表明喷雾平均粒径越小。按D50从小到大进行排序:复配抑尘剂 <纯水。活性剂的存在进一步降低了溶液的表面张力,可产生更小的喷雾液滴。在其他条件不变时,雾滴粒径越小,可捕集的粉尘粒径就越小,除尘效率就越高。因此从雾化性能的角度进一步证实了复配抑尘剂润湿效果优于sas-60、aeo-7和水。>

                              4 结论

                              (1)通过浸润时间、接触角、表面张力3个参数的对比,得出单体表面活性剂中润湿效果最显著的为阴离子表面活性剂SAS-60和非离子表面活性剂AEO-7,优选其进行复配实验。

                              (2)SAS-60和AEO-7两种单体表面活性剂在质量浓度分别为0.4%和0.5%,复配比例为7∶3时润湿效果最优。复配抑尘剂的浸润时间、表面张力和接触角比SAS-60单体溶液分别下降12.0%、2.0%和18.7%,相比AEO-7单体溶液分别下降29.0%、7.1%和21.0%。

                              (3)对复配抑尘剂进行喷雾粒径测定,喷雾平均粒径从小到大排序为:复配抑尘剂 <纯水,说明添加复配抑尘剂可有效提高雾化效果。>

                              参考文献:

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                              [2] 晋虎. 复合型环保抑尘剂的研制与性能研究[D].青岛:山东科技大学,2019.

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                              Study on the compositional formulation of high-efficiency dust suppressant for bituminous coal

                              HAN Zongqi1, GE Shaocheng1, SUN Liying1, ZHANG Xiaowei1, CHEN Xi1, JING Deji 2, KANG Jianting1

                              (1. College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China;2. College of Safety Science and Technology, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China)

                              Abstract In order to prepare a high-efficiency dust suppressant for bituminous coal, five non-ionic and anionic surfactants were selected as compositional monomers for experimental research. The wettability of bituminous coal were characterized by 3 parameters including wetting time, contact angle and surface tension, and spray particle size was used to characterize the atomization effect of the dust suppressant solution, and the monomer surfactant was optimized and selected, and then the compositional formulation experiment was carried out. The results showed that the monomers with the best wettability on bituminous coal were the anionic surfactant secondary sodium alkyl sulfate (SAS-60) and the nonionic surfactant fatty alcohol polyoxyethylene ether 7 (AEO-7). When the mass concentration of SAS-60 and AEO-7 was 0.4% and 0.5% respectively, the best volume ratio of compositional formulation was 7∶3. The wetting time, surface tension and contact angle of the compositional dust suppressant were reduced by 12.0%, 2.0% and 18.7% respectively compared with SAS-60 monomer solution, and by 29.0%, 7.1% and 21.0% compared with AEO-7 monomer solution. The spray particle size of the compositional dust suppressant was significantly smaller than that of the monomer and pure water spray, which effectively improved the atomization effect and was beneficial for the improvement of dust reduction efficiency.

                              Key words high-efficiency dust suppressant; compositional formulation experiment; wettability; spray particle size

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                              引用格式:韩宗琪,葛少成,孙丽英,等. 高效型烟煤抑尘剂复配研究[J]. 中国煤炭,2022,48(3):62-67. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.03.010

                              HAN Zongqi, GE Shaocheng, SUN Liying, et al. Study on the compositional formulation of high-efficiency dust suppressant for bituminous coal[J]. China Coal,2022,48(3):62-67. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.03.010

                              基金项目:国家自然科学基金(51274195);山西省高等学校科技成果转化培育项目(2020CG022)

                              作者简介:韩宗琪 (1997-),女,山西临汾人,硕士研究生,主要研究方向为粉尘治理理论及技术。E-mail: hanzongqi0109@163.com

                              中图分类号 TQ536.7;X964

                              文献标志码 A

                              (责任编辑 郭东芝)

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