表面活性剂对煤尘润湿性能的影响简

表面活性剂对煤尘润湿性能的影响简

桂哲;刘荣华;王鹏飞;苟尚旭;舒威;谭烜昊

【摘要】为了研究表面活性剂润湿机理,减小煤矿喷雾降尘用水的表面张力,增强煤尘的湿润能力,采用对比分析方法,选择四种常用的表面活性剂和三种煤样,通过表面张力、接触角以及沉降实验,研究煤尘润湿性的影响因素。结果表明:表面活性剂的润湿性能随质量分数的增加而增强,其中非离子表面活性剂OP-10的润湿性最佳;表面张力、接触角及沉降时间都只是评价表面活性剂润湿性的一个必要因素,而不是决定因素,其中SDBS溶液的表面张力较OP-10的要低,但从接触角大小和沉降时间看OP-10的润湿性较SDBS强;无烟煤的可润湿性能比焦煤和瘦煤要好,一般表面活性剂在较低浓度就可以较好润湿无烟煤,但对于焦煤和瘦煤,所选用的浓度要较高。

【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》

【年(卷),期】2016(000)005

【总页数】5页(P513-517)

【关键词】表面活性剂;表面张力;接触角;沉降;润湿性

【作者】桂哲;刘荣华;王鹏飞;苟尚旭;舒威;谭烜昊

【作者单位】湖南科技大学资源环境与安全工程学院;湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室

【正文语种】中文

【中图分类】TD714

20世纪90年代以来，随着煤矿开采强度的不断增加和机械化程度的不断提高，

井下采掘工作面的粉尘浓度剧增，高达2 500～3 000 mg/m3，作业环境严重恶化，极大威胁着矿井的安全生产和工人的身心健康。采用喷雾降尘具有经济、简便和实用等优点，在煤矿井下得到广泛应用[1-4]。一般防尘用水大多为清水，虽然

简便经济，但由于煤的表面含有大量的憎水非极性基团，使其有一定疏水性，且水的表面张力较大，导致清水无法有效的润湿粉尘颗粒。在液体介质中添加一定的表面活性剂可以降低其表面张力，有效地降低液体的表面能，利于粉尘的润湿。因此，研究表面活性剂对煤尘的润湿性能的影响，有助于增强对煤尘的润湿和捕集[5-10]。近年，国内学者相继开展了有关表面活性剂润湿性的大量工作。吴超[11]等对阴离子、阳离子及非离子表面活性剂对粉尘润湿能力的改善程度，以及添加适量

Na2SO4对表面活性剂表面活性的影响，做了大量研究，结果显示阴离子和非离

子表面活性剂的润湿性能优于阳离子表面活性剂，适量Na2SO4对阴离子表面活

性剂表面活性的影响较明显；何杰[12]深入探讨了使用不同种类的表面活性剂在不同浓度以及溶液的pH对煤的润湿性的影响，发现煤表面的润湿是一复杂过程，煤的表面结构是影响润湿的内因，而表面活性物质及其初始浓度等因素则明显影响着煤表面的润湿行为，但这种影响又明显依赖于煤的表面性质；杨静等[13]为了研究煤的表面物理化学性质对煤的润湿性的影响，对煤尘进行了FTIR分析、电位实验、接触角实验以及沉降实验，结果表明煤尘的润湿性取决于气液界面张力、气固界面张力以及液固界面张力的大小，并且煤尘的表面电性以及添加的表面活性剂的结构和性质都对煤的润湿性有重要的影响。目前，关于表面活性剂对不同煤质的润湿性能影响的研究文献较少。笔者试采用用途较广的阴离子、非离子两类表面活性剂，针对无烟煤、焦煤和瘦煤，进行表面张力、接触角和沉降实验，研究表面活性剂及煤质对煤尘的润湿性能的影响。

1.1 仪器和材料

实验系统包括三个部分：测定表面张力的Kruss K20型表面张力仪，测定接触角

的CA100B接触角测量仪，沉降实验用比色管。

实验选择有代表性的三种煤样；湖南兴源煤矿的无烟煤、贵州发耳煤矿的焦煤和山西万峰煤矿的瘦煤。将煤粉用粉碎机粉碎，经149 μm的筛子筛取细煤粉作为实

验煤样。

本着无毒无害、生物降解性好、低温不结晶、无沉淀和盐析现象、能大幅度降低水的表面张力、保存时间长且理化性质不变、不可燃、对金属和橡胶无腐蚀、成本低且运输方便的原则，在参考国内外有关降尘用表面活性剂配方、专利及相关学术论文的基础上，从现有的表面活性剂中优选了用途较广的阴离子、非离子两类表面活性剂，四种试剂进行实验，如表1所示。

1.2 方案

第一组实验为表面张力实验，使用德国Kruss K20型表面张力仪，分别对四种表

面活性剂在不同质量分数下的表面张力进行测定，测量三组取平均值。该表面张力仪采用吊片法测量，表面张力测量范围为1～999 mN/m，测量精度为±0.1

mN/m，可在内置控制板上显示测量结果。

第二组实验为接触角实验，使用国产的CA100B型接触角测量仪，取300 mg煤

粉装在模具中，用FW-4A型粉末压片机加压到30 MPa，保持1 min，制成φ15 mm×3 mm的煤粉压片，然后分别对四种表面活性剂的不同质量分数溶液在三种煤粉压片上的接触角进行测量。该接触角测量仪全自动进样，测试分辨率为0.01°，测试精度0.1°。

第三组实验为沉降实验，使用一组比色管，将200 mg煤尘倒在液面上，使尘粒

原有固-气界面被固-液界面取代逐渐完成，记录下粉煤沉降到液面以下所需的时间。

2.1 表面张力实验

表面活性剂由极性亲水基和非极性疏水基组成，表面活性剂溶于水中时，由于疏水

效应，其亲水基插入水中，疏水基伸向空气中，表面活性剂分子在水溶液表面形成定向界面吸附层，水溶液表面由较低表面自由能的非极性分子代替，导致水溶液表面张力降低。当表面活性剂浓度增加到临界胶束浓度时，溶液的界面吸附达到饱和，表面张力保持不变。一方面，表面活性剂的表面张力要较小，如果表面活性剂溶液的表面张力较大，就不能对矿尘进行较好的润湿，降尘效果不佳；另一方面，表面活性剂的临界胶束浓度不能过高，为了有效降低矿井采掘面的粉尘浓度，就必须加大试剂用量，造成成本增加。

从表2可以看出，这些溶液的质量分数在达到0.005 00%前，表面张力会有一个

明显下降，当溶液质量分数达到0.050 00%后，表面活性降到最低，下降趋势趋

于缓和，这说明四种表面活性剂溶液的临界胶束浓度均在0.005 00%～0.050 00%。对于这四种表面活性剂单体溶液，当质量分数在0～0.005 00%变化时，这四种表面活性剂溶液的表面张力在46.4～72.3 mN/m变化，表面张力的变化幅度较大；当溶液质量分数继续增加到0.005 00%、0.05 00%、0.500 00%时，溶液

的界面吸附逐渐达到饱和，表面张力的变化幅度逐渐减缓。表面活性剂SDBS、OP-10的临界胶束浓度约为0.005 00%，而Tween-80和SDS的临界胶束浓度

较高，约为0.050 00%。在其质量分数为0.050 00%时，Tween-80溶液的表面

张力高达40.8 mN/m，其他三种单体溶液的表面张力在28.8～31.9 mN/m，其

中SDBS表面活性剂溶液的表面张力达到最低28.8 mN/m，表面活性最强。相关研究表明，只有当溶液表面张力降低到约35 mN/m时，该试剂才可能对煤尘有

较好的润湿性[14]。这四种表面活性剂的质量分数超过0.005 00%时，溶液可以

达到较好的湿润效果，不同表面活性剂溶液在相同的表面活性下，表面活性剂SDBS的浓度最低，Tween-80最高，可知这四种表面活性剂的表面活性大小为SDBS>SDS>OP-10>Tween-80。

2.2 接触角实验