無機(jī)鹽對表面活性劑潤濕煤塵的影響

趙曉亮，岳陽霞，宋子嶺，韓方偉，鄒佳霖

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著煤礦開采機(jī)械化程度的不斷提高，生產(chǎn)中存在的大量煤粉塵對職工身體健康、采煤設(shè)備及井下環(huán)境均構(gòu)成極大安全隱患，引起廣泛關(guān)注[1－4]。目前我國大多數(shù)煤礦常采用噴霧降塵技術(shù)進(jìn)行除塵，但對于油性較大的難潤濕性類煤塵顆粒，傳統(tǒng)的濕式除塵效率并不理想[5]。潤濕性是煤重要的理化特性指標(biāo)之一，在煤層注水降塵、選煤及煤礦開采中，由于國內(nèi)煤炭資源具有不同程度的疏水性，很難被單一水體潤濕[6－7]。通過添加表面活性劑，活性劑分子會在水溶液表面上定向排列，利用表面活性劑的親水基、親油基所組成的特殊結(jié)構(gòu)，使得水的表面性質(zhì)得以較大的改善，對降塵效果會有明顯改善[8－11]。有研究表明，無機(jī)鹽能夠不同程度地改善表面活性劑的潤濕效果[12]。為此主要研究無機(jī)鹽離子對表面活性劑的影響。表面活性劑包括陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑及非離子表面活性劑，表面活性劑2 大基本性質(zhì)是在界面形成吸附單分子層和在溶液中形成膠束。對于表面活性劑混合體系來說，其特征現(xiàn)象是在界面形成混合吸附單層和在溶液中形成混合膠束。無機(jī)鹽對表面活性劑性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在臨界膠束濃度和膠束聚集結(jié)構(gòu)2 個方面[13]。當(dāng)煤塵被潤濕劑潤濕沉降后，煤塵表面的水分會慢慢揮發(fā)，水分揮發(fā)后會使煤塵容易隨著井下活動而產(chǎn)生二次飛揚(yáng)，而無機(jī)鹽由于本身具有一定的吸濕性，會持續(xù)性地從周圍環(huán)境中吸收水分，因此可以在長時間內(nèi)使煤塵保持被潤濕的狀態(tài)，使煤塵不至于在短時間內(nèi)失水干燥，發(fā)生二次飛揚(yáng)[14]。無機(jī)鹽種類與濃度梯度是影響潤濕性的2個重要因素，通過煤塵潤濕沉降實(shí)驗與最佳添加量確定實(shí)驗，分別確定最佳無機(jī)鹽以及最佳無機(jī)鹽的最佳添加量。

1 實(shí)驗樣品與實(shí)驗方法

1.1 樣品制備

實(shí)驗所用樣品取自遼寧紅陽二礦，煤種為肥煤，將原煤樣用錘子進(jìn)行初步破碎，采用實(shí)驗用微型球磨機(jī)對初步破碎后的煤樣進(jìn)行研磨，研磨后的煤粉過100 目（φ150 μm）篩，在空氣中自然風(fēng)干后即制備成實(shí)驗自制煤塵。同時在該礦開采工作面布置采樣器采取開采過程中產(chǎn)生的煤塵，用以與實(shí)驗煤塵進(jìn)行分析比對。采用LA－300 型激光粒度分析儀對開采面煤塵和實(shí)驗自制的煤塵進(jìn)行粒度分析，煤樣的特征粒度參數(shù)表見表1。

表1 煤樣的特征粒度參數(shù)表

由表1 可知采面煤塵的D50＝14.897 μm，實(shí)驗自制煤塵的D50＝10.017 μm，實(shí)驗自制煤塵的中值粒徑略小于開采面煤塵。而由于粒徑越小，煤塵的潤濕性越差，實(shí)驗自制煤塵相較于開采面煤塵更難被潤濕，因此可以使用實(shí)驗自制煤塵進(jìn)行實(shí)驗。

經(jīng)實(shí)驗[15]篩選，選出4 種表面活性劑分別為快滲T、SAS－60、OA－12、Lutensol XP－90，將優(yōu)選出的無機(jī)鹽NaCl、Na2SO4、CaCl2、MgCl2分別配置成溶液，再與4 種表面活性劑單體溶液進(jìn)行復(fù)配。

1.2 實(shí)驗方法

測定方法依據(jù)MT506—1996 礦用降塵劑性能測定。將NaCl、Na2SO4、CaCl2、MgCl24 種常見的無機(jī)鹽按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、0.60%、0.80%、1.00%的4 種表面活性劑單體溶液進(jìn)行復(fù)配。取100 mL 配置好的溶液轉(zhuǎn)移至100 mL 燒杯，稱取500 mg 自然風(fēng)干后的實(shí)驗自制煤塵進(jìn)行煤塵沉降實(shí)驗。每個濃度的表面活性劑和無機(jī)鹽復(fù)配溶液重復(fù)3 次沉降實(shí)驗，計算3 次實(shí)驗結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果，要求每次測定值與平均值之間的偏差≤7%，根據(jù)實(shí)驗煤塵的質(zhì)量和沉降時間計算出煤塵在溶液中的沉降速度。繪制煤塵在不同表面活性劑單體和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線。

2 實(shí)驗結(jié)果

2.1 無機(jī)鹽對表面活性劑的影響

2.1.1 鹽溶液對表面活性劑快滲T 的影響

快滲T 是陰離子表面活性劑，煤塵在快滲T 和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線如圖1。

圖1 煤塵在快滲T 和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線

對于快滲T 來說，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，添加無機(jī)鹽能夠有效改善溶液對煤塵的潤濕性，但隨著復(fù)配溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，煤塵的沉降速度上升的趨勢逐漸趨于平緩，這是無機(jī)鹽降低了表面活性劑的臨界膠束濃度，使復(fù)配溶液中更容易出現(xiàn)膠束，對煤塵的潤濕性能也到達(dá)了臨界值。在4 種無機(jī)鹽中，NaCl對快滲T 的增效作用最強(qiáng)，而CaCl2對快滲T 的增效作用最弱，在復(fù)配溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，甚至抑制了復(fù)配溶液對煤塵的潤濕性，這主要是由于CaCl2中的二價鈣離子容易和溶液中的弱酸根相結(jié)合形成難溶于水的物質(zhì)，降低了表面活性劑的活性，因此對煤塵的潤濕起到了反作用。

2.1.2 鹽溶液對表面活性劑SAS－60 的影響

SAS－60 是陰離子表面活性劑，煤塵在SAS－60和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線如圖2。

圖2 煤塵在SAS－60 和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線

對SAS－60 來說，同樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，無機(jī)鹽的添加對溶液潤濕煤塵的能力有著明顯的改善作用，但隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，這種增效作用不再明顯，四種無機(jī)鹽中，在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%時，MgCl2的增效作用最為明顯，而CaCl2會對SAS－60 潤濕煤塵產(chǎn)生不利的影響。有研究表明[16]CaCl2及MgCl2對體系有明顯的沉淀在溶解過程，其中Ca2＋更加明顯，這與其水化半徑相關(guān)，水化半徑較小更容易與親水基頭作用，因此Ca2＋的加入對沉降速度的影響要小于其他無機(jī)鹽溶液。

2.1.3 鹽溶液對表面活性劑OA－12 的影響

OA－12 為兩性離子表面活性劑，煤塵在OA－12和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線如圖3。

圖3 煤塵在OA－12 和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線

對OA－12 來說，添加無機(jī)鹽對溶液潤濕煤塵的能力有著明顯的改善，這是由于添加無機(jī)鹽后，電離出的陰陽離子有效中和了兩性離子表面活性劑親水基電離出的陰陽離子，降低了電性斥力，提高了界面吸附層的飽和吸附量，有效降低了溶液的表面張力，提高了對煤塵的潤濕性，4 種無機(jī)鹽中，NaCl 對OA－12 的增效作用最明顯。

2.1.4 鹽溶液對表面活性劑Lutensol XP－90 的影響

煤塵在Lutensol XP－90 和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線如圖4。

圖4 煤塵在Lutensol XP－90 和無機(jī)鹽的復(fù)配溶液中的沉降速度曲線

對Lutensol XP－90 來說Lutensol XP－90 為非離子表面活性劑，無機(jī)鹽的加入對其溶液潤濕煤塵的能力影響不大，主要是由于非離子表面活性劑在水中呈電中性，無法電離出陰陽離子，在煤塵上的吸附方式主要是色散力吸附。有研究表明，無機(jī)鹽對非離子表面活性劑的相行為影響的原因是無機(jī)鹽改變的溶劑的性質(zhì)，使溶劑對表面活性劑疏水基團(tuán)產(chǎn)生“鹽析”或“鹽溶”作用[17]。因此添加無機(jī)鹽并不能有效改善非離子表面活性劑對煤塵的潤濕作用。

無機(jī)鹽會在溶液中電離出陰陽離子，對非離子表面活性劑來說，由于其在水中呈電中性，因此無機(jī)鹽的對其影響較小，但對于離子型表面活性劑，無機(jī)鹽的加入對其有存在著顯著的影響，這主要是因為離子鍵的靜電作用使無機(jī)鹽能夠壓縮離子頭雙電層的厚度，降低雙電層之間的斥力[18]，從而使表面活性劑更容易在溶液表面聚集，增加了溶液表面單分子吸附層中表面活性劑分子的數(shù)量。因此在表面活性劑體系中加入適量的無機(jī)鹽可以增加其活性，使表面活性劑降低溶液表面張力的能力和效率得到一定的提高。在4 種無機(jī)鹽中，NaCl 可以有效提高低質(zhì)量分?jǐn)?shù)離子型表面活性劑溶液對煤塵的潤濕能力，因此通過煤塵沉降實(shí)驗進(jìn)一步確定NaCl 的最佳添加量。

2.2 無機(jī)鹽添加量

煤塵在不同濃度的NaCl 和不同表面活性劑復(fù)配溶液中的沉降速度曲線如圖5。

圖5 煤塵在不同濃度的NaCl 和不同表面活性劑復(fù)配溶液中的沉降速度曲線

對離子型表面活性劑來說，當(dāng)無機(jī)鹽濃度增加時，復(fù)配溶液對煤塵的潤濕速度會出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，對非離子型表面活性劑來說，添加無機(jī)鹽后溶液的潤濕速度會出現(xiàn)小幅上升，隨著無機(jī)鹽濃度的升高，溶液對煤塵的潤濕速度基本不發(fā)生變化。在離子型表面活性劑中，當(dāng)NaCl 添加量在0.02%時，快滲T 復(fù)配溶液對煤塵的潤濕性最好，當(dāng)NaCl添加量大于0.15%時，開始逐漸出現(xiàn)了抑制作用；當(dāng)NaCl 添加量在0.15%時，OA－12 復(fù)配溶液對煤塵的潤濕性最好；當(dāng)NaCl 添加量在0.20%時，SAS－60 復(fù)配溶液對煤塵的潤濕性最好。對非離子型表面活性劑Lutensol XP－90 來說，當(dāng)NaCl 添加量在0.02%時，復(fù)配溶液對煤塵的潤濕能力有了小幅提升，但隨著NaCl 添加量的增大，復(fù)配溶液對煤塵的潤濕性影響不大。由此可見，對快滲T 和SAS－60 復(fù)配體系，NaCl 的添加量應(yīng)在0.02%～0.15%；對OA－12 和Lutensol XP－90復(fù)配體系，NaCl的添加量應(yīng)在0.02%～0.15%。

3 結(jié)論

在一定濃度范圍內(nèi)，添加無機(jī)鹽有助于提高表面活性劑對煤塵的潤濕性能。所選的NaCl、Na2SO4、CaCl2、MgCl24 種無機(jī)鹽中，NaCl 對表面活性劑潤濕性的改善效果最為顯著。對于快滲T 和SAS－60 復(fù)配體系，無機(jī)鹽NaCl 的最佳添加范圍為0.02%～0.2%；對于OA－12 和Lutensol XP－90 復(fù)配體系，最佳添加范圍為0.02%～0.15%。