基于正交試驗的煤塵濕潤劑復(fù)配研究

胡 夫

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市渝中區(qū)，400037)

煤塵危害作為煤礦安全生產(chǎn)的主要危害之一，不但會減少機(jī)械設(shè)備磨損、污染井下作業(yè)環(huán)境、誘發(fā)工人塵肺病，甚至可能引發(fā)煤塵爆炸事故。近年來，煤礦多采用在防塵用水中添加濕潤劑的方法來改善煤塵親水性能，提高降塵效率。然而隨著煤礦開采量的日益加大，單一成分的濕潤劑很難滿足礦井生產(chǎn)防塵、降塵的實際需要，本文考察了3種常規(guī)濕潤劑的濕潤性能后，對其進(jìn)行了復(fù)配優(yōu)化，以期進(jìn)一步提高濕潤能力，實現(xiàn)煤礦井下的高效除塵。

1 試驗方法

1.1 煤塵樣品

試驗中的樣品選用山西陽泉煤作為濕潤對象，煤樣經(jīng)破碎、研磨，過200目標(biāo)準(zhǔn)篩篩去粗塵后作為試驗樣品，煤樣工業(yè)分析結(jié)果如下：Mad為0.68%、Aad為7.40%、Vad為7.69%、FCd為85.47%。

1.2 試驗試劑

選取了市面上常見的3種單體濕潤活性劑，選用的濕潤活性劑見表1。

表1 選用的濕潤活性劑

1.3 試驗儀器

試驗中使用的儀器有德國賽多利斯公司生產(chǎn)的BSA224S電子分析天平(0.01 g～220 g)、鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HJ-2磁力攪拌器、美國科諾工業(yè)有限公司生產(chǎn)的科諾A201型表面張力儀(0～999.9 mN/m)。

1.4 試驗方法

將濕潤劑質(zhì)量濃度設(shè)定4組，濃度分別為0.05%、0.10%、0.20%、0.30%，做三因素四水平正交對比試驗，其因素水平表見表2。

表2 濕潤劑復(fù)配的正交試驗條件因素水平

根據(jù)《礦用降塵劑性能測定方法》(MT 506-1996)中的沉降法測量煤塵沉降時間，記錄1.00 g煤塵全部浸入溶液中所需時間，即煤塵沉降時間。以試驗中煤塵沉降時間的長短判定濕潤劑濕潤性能的優(yōu)劣。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配試驗研究

依據(jù)表2中的正交試驗條件分別配置了16組復(fù)合濕潤劑，并開展了相應(yīng)的沉降試驗，濕潤劑復(fù)配試驗結(jié)果見表3。

表3中K為各因素同一水平下試驗結(jié)果之和，K′為各因素試驗結(jié)果之和的均值。在同一因素條件下，K′值越小代表水平條件下煤塵的沉降時間越短。當(dāng)濕潤劑A濃度為0.30%時，K′值最小為26.80；當(dāng)濕潤劑B濃度為0.20%時，K′值最小為28.80；當(dāng)濕潤劑C濃度為0.30%時，K′值最小為29.0。所以濕潤性能最佳的復(fù)合配比條件是A∶B∶C為0.30%∶0.20%∶0.30%。

表3 濕潤劑復(fù)配試驗結(jié)果表

同時表3中極差值R的大小代表復(fù)合濕潤劑性能影響的大小。3個因素中濕潤劑A的極差值最大，說明A是復(fù)合劑濕潤性能的主要影響因素。

2.2 濕潤性能對比

正交試驗中得到的最佳復(fù)配比例是A∶B∶C為0.30%∶0.20%∶0.30%，以此比例制備復(fù)配劑，并與相同濃度的各單體濕潤劑進(jìn)行濕潤性能對比，單體濕潤劑與復(fù)配劑沉降試驗結(jié)果對比如圖1所示。

由圖1可以看出，不難發(fā)現(xiàn)4種濕潤劑均能明顯改善煤塵的濕潤性。隨著濕潤劑濃度的增加，煤塵沉降時間迅速減少，這表明溶液的濕潤性能快速增大，且復(fù)配劑和濕潤劑A的濕潤性能明顯好于另外兩者。

當(dāng)濃度達(dá)到0.20%以后，曲線逐漸趨于平緩，沉降時間隨濕潤劑濃度的增大而減少的趨勢放緩。由此，確定復(fù)配劑適宜的使用濃度為0.20%，在此濃度條件下，相較A、B、C這3種單體濕潤劑其濕潤性能分別提升了12.10%、55.40%和52.50%。

圖1 單體濕潤劑與復(fù)配劑沉降實驗結(jié)果對比

2.3 表面張力對比

濕潤劑溶液表面張力的大小反映了溶液對煤塵濕潤能力的強(qiáng)弱，其表面張力越小越容易使煤塵濕潤。采用A201型表面張力儀對A、B、C及其復(fù)配劑共4種濕潤劑溶液的表面張力進(jìn)行測定，濕潤劑表面張力對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 濕潤劑表面張力對比

由圖2可以看出，水的表面張力值通常為72.80 mN/m，煤塵可潤濕的臨界表面張力值為45.00 mN/m。試驗中濕潤劑的表面張力值均明顯低于濕潤的臨界張力值45.00 mN/m，隨著濕潤劑溶液濃度的增加，表面張力值是逐漸降低的，其對煤塵的濕潤能力也在逐漸變強(qiáng)。當(dāng)濕潤劑溶液濃度增大到0.20%左右后表面張力趨于平緩，其對煤塵濕潤能力的增加也趨于緩慢，這與濕潤劑沉降試驗結(jié)果變化趨勢一致。

復(fù)配劑表面張力較單體濕潤劑有明顯減小，濃度為0.20%的復(fù)配劑，其表面張力可降至33.20 mN/m，可見A、B、C這3種單體濕潤劑復(fù)配后對溶液表面張力的改善作用顯著，也客觀反映出復(fù)配劑性能提升的原因。

2.4 復(fù)配機(jī)理簡析

濕潤劑復(fù)配機(jī)理示意圖如圖3所示。

圖3 濕潤劑復(fù)配機(jī)理示意圖

由圖3(a)可以看出，由于濕潤劑活性分子具有親油性和親水性，進(jìn)入水體后，親水活性基團(tuán)朝向水中，親油活性基團(tuán)則朝向空中，朝向空氣的親油基團(tuán)由于極性相同而相互排斥，致使水面活性分子密集度變差，從而影響濕潤劑的濕潤能力。因此，當(dāng)濕潤劑為單一組分時，隨著濃度的不斷增加，極性相同的基團(tuán)濃度也相應(yīng)變大，則濕潤劑分子間斥力也會增大，所以宏觀上的表現(xiàn)為濕潤性能增幅放緩，表面張力略有升高。

由圖3(b)可以看出，當(dāng)復(fù)配體系中加入了陰離子表面活性劑(A、B)和兩性表面活性劑(C)組分后，兩者產(chǎn)生了較好的復(fù)合協(xié)同效應(yīng)，A、B的陰離子極性基團(tuán)與C的陽離子極性基團(tuán)產(chǎn)生靜電吸引作用，各單體活性劑分子間極性基團(tuán)的互斥力得以削弱，因此導(dǎo)致氣液界面活性劑分子間的排列方式變得更為緊密，極性基團(tuán)彼此間的空隙更小，繼而使得活性劑分子親水基周邊的定向水分子數(shù)目減少，自由水分子增多，混亂度變大，從而起到提升復(fù)配劑表面活性的作用。

3 結(jié)論

采用正交試驗的方法對3種常規(guī)單體濕潤劑A、B、C進(jìn)行了復(fù)配研究，研究結(jié)果表明，復(fù)配后濕潤劑性能進(jìn)一步提升，其最佳復(fù)配比例是A∶B∶C為0.30%∶0.20%∶0.30%，最佳使用濃度為0.20%；當(dāng)復(fù)配劑濃度為0.20%時，其表面張力達(dá)到最低，為33.20 mN/m，且表面張力變化趨勢與沉降實驗結(jié)果變化趨勢一致；選用不同離子類型的單體濕潤劑復(fù)配對提高復(fù)合濕潤劑性能具有積極作用。