淺析影響煤巖潤(rùn)濕性的因素

李慶會(huì)，游 藝，歐陽(yáng)云麗，柯文麗，楊林江

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100）

煤的潤(rùn)濕性是煤的一項(xiàng)很重要的物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù),它不僅在煤化工中應(yīng)用,而且在煤礦開(kāi)采及安全中亦有重要作用,例如在煤層預(yù)注水防塵中，煤潤(rùn)濕性的大小在很大程度上影響著其注水效果；煤的水潤(rùn)濕性研究對(duì)提高防降塵效果有重要意義；油團(tuán)聚法和浮選法等也都是以煤的潤(rùn)濕性為依據(jù)的選煤工藝。

由已有的結(jié)論說(shuō)明，煤粉在溶液中的潤(rùn)濕性能首先和溶液中氣體-液體表面張力有關(guān)，其次也和溶液中煤粉的固體一液體界面張力，溶液中煤粉的固體-液體界面張力的大小有關(guān)，還和煤粉的疏水性等性質(zhì)有關(guān)系，由此總結(jié)出影響煤巖潤(rùn)濕性的因素主要有界面間的相互作用，煤的表面結(jié)構(gòu)，溶液的pH值及添加劑濃度等以下三個(gè)方面。

1 界面間的相互作用

潤(rùn)濕現(xiàn)象是一種界面行為,潤(rùn)濕性的改變是通過(guò)改變相接觸的液固界面性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體方法是：在煤的懸浮液中加入一些譬如表面活性劑和絮凝劑這樣的添加劑,這些添加劑在界面上有吸附作用,這種作用可導(dǎo)致溶液的界面性質(zhì)以及固體的表面性質(zhì)改變,進(jìn)而引起煤表面潤(rùn)濕性的改變。

首先，由于表面活性劑分子所帶的電荷不同,其產(chǎn)生的吸附作用也有區(qū)別，進(jìn)而表面活性劑分子與煤粒表面之間的作用也不一樣。其次,由于表面活性劑的濃度不同，其造成的煤表面的潤(rùn)濕性也不同。有機(jī)液體能從煤表面取代水的效率和水相-有機(jī)液體之間、煤-水之間、煤-有機(jī)液體之間的互相作用有密切關(guān)系。在固定的界面張力作用下,有機(jī)物對(duì)煤的潤(rùn)濕性隨著煤階的增加而增加。而對(duì)于一特定的煤階,界面張力的增加會(huì)使其潤(rùn)濕程度降低,這顯示出水-有機(jī)液體的相互作用對(duì)有機(jī)液體對(duì)煤表面的潤(rùn)濕性強(qiáng)的影響。

2 煤的表面結(jié)構(gòu)

2.1 煤的炭化程度和風(fēng)化程度

2.2 煤階

煤的表面是一種非均勻的相結(jié)構(gòu),無(wú)機(jī)物和有機(jī)物在其中通過(guò)很繁雜的方式聚集在一起,它們通過(guò)這種方式來(lái)影響煤的潤(rùn)濕性。煤中的有機(jī)成分是由不一樣極性的官能團(tuán)的芳香單元組成,易潤(rùn)濕于油。煤的潤(rùn)濕性和煤階密切相關(guān)，首先是褐煤階段,因?yàn)楹置旱谋砻鏄O性官能團(tuán)相對(duì)多些,所以其潤(rùn)濕與水的性能較好,接觸角較小。其次在煤階的增高后,其表面極性官能團(tuán)逐漸在減少,潤(rùn)濕性便隨著下降。之后到了煙煤階段,煙煤的芳香環(huán)開(kāi)始變多,煙煤的疏水性也跟著變強(qiáng)。

2.3 含氧量及含氧官能團(tuán)

接觸角值是煤表面各表面位上性質(zhì)的宏觀平均，碳氧比則反映了這種表面性質(zhì)的平衡度量。隨著碳氧比的增加，煤的臨界界面張力也增加，此時(shí)界面也易被一些極性較低的有機(jī)液體所潤(rùn)濕。煤表面的一些包括酚、醚等在內(nèi)的含氧官能團(tuán)一般情況下分布在煤的表面，它們?nèi)菀仔纬蓺滏I而親水。

煤的氧化導(dǎo)致酚、羧基與醚鍵官能團(tuán)的產(chǎn)生，而這些含氧官能團(tuán)在煤中是最重要的。煤中不同C-O基團(tuán)中氧對(duì)碳的影響是不同的，比如羧基（O-C=O）、羥基（-OH）中的氧僅僅與一個(gè)C原子相連，因此僅僅影響這一個(gè)碳原子，而醚鍵（-O-）中的氧則與2個(gè)C原子相連，因此一個(gè)醚鍵中的氧會(huì)影響到2個(gè)碳原子。由此可以得到一個(gè)結(jié)論:對(duì)煤表面潤(rùn)濕性影響最大的是羧基的含量，比如褐煤表面的化學(xué)性質(zhì)就是是由羧基官能團(tuán)控制的。羥基對(duì)潤(rùn)濕性的影響僅次于羧基。而對(duì)于醚基，從其化學(xué)結(jié)構(gòu)上看出，它們對(duì)潤(rùn)濕性的影響甚微。因此，煤的含氧官能團(tuán)和含氧量的不同會(huì)導(dǎo)致它們的表面潤(rùn)濕性亦不同。

2.4 其他因素

PS（X射線光電子能譜分析）中現(xiàn)實(shí)的有機(jī)含氧基團(tuán)的數(shù)值反映了碳和氧元素的含量對(duì)疏水性的影響；氫元素不但與羥基的含量有關(guān)，而且還與芳香氫、脂肪氫的含量有關(guān)。芳香度與芳香氫的含量有直接關(guān)系；灰分的影響又從無(wú)機(jī)氧的多少中反映了出來(lái)。從已有的數(shù)據(jù)得出，不同煤巖的組分中性質(zhì)差別較大的有：灰分的含量、內(nèi)在水分的含量、羥基和氫元素。這其中煤巖表面的親水性是由水分和灰分的大小直接反映出來(lái)的。

3 溶液的pH值及添加劑濃度

煤表面的潤(rùn)濕性隨水溶液的pH值變化而變化。當(dāng)溶液中有多種物種存在時(shí)，Gibbs吸附等溫式的一般式寫(xiě)成：

式中：Γi為物種i的活度；μi是物種i的化學(xué)勢(shì)。

設(shè)溶液中除了表面活性劑R－Na＋外,還有NaCl,將Gibbs公式用于固液界面可得：

若NaCl濃度足夠大，以至溶液pH變化時(shí)不影響NaCl的活度，則加上水的離平衡條件：所以：

此式指出，固-液界面張力γSL是pH的函數(shù)，結(jié)合Young方程可知，接觸角θ也是pH的函數(shù)。在表面活性劑濃度為零的條件下dμR-=0，dγLV=0，dγSV=0，所以：

當(dāng) pH 值在等電點(diǎn)時(shí)，σs=0，此時(shí) dcosθ/d（pH）=0，θ-pH曲線達(dá)到最大值。

煤表面的潤(rùn)濕性隨加入的添加劑的濃度和水溶液的pH值的改變而變化，而煤表面上酚羥基和羧基的電離行為以及煤表面的電勢(shì)均受到溶液pH改變的影響。電勢(shì)ξ～pH曲線類(lèi)似于pH滴定曲線（見(jiàn)圖1）。

大多數(shù)曲線顯示了pH值在 10和pH在3～5范圍內(nèi)的影響。第一部分相應(yīng)于酚羥基的電離,在該pH值附近,接觸角隨pH的變化（見(jiàn)圖2）。

4 結(jié)論

煤表面的潤(rùn)濕是一復(fù)雜過(guò)程，影響煤巖潤(rùn)濕性的因素主要有三個(gè)方面：煤巖的表面結(jié)構(gòu)特征（煤階、含氧量及含氧官能團(tuán)、炭化及風(fēng)化程度等）、溶液的pH值及添加劑濃度、界面間的相互作用。其中煤的表面結(jié)構(gòu)特征是影響潤(rùn)濕的內(nèi)部因素,而表面活性物質(zhì)的初始濃度、水煤系統(tǒng)的pH等則對(duì)煤表面的潤(rùn)濕性有明顯的影響,但該影響又明顯煤的表面性質(zhì)有很強(qiáng)的依賴(lài)性。

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