煤塵抑塵劑的潤濕性能研究

郭王勇，鞠振福，靳 昕，吳劉鎖，盧玉英，陽靖峰，李 鵬，徐澤強(qiáng)，張建成

(1.北京南瑞怡和環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100091； 2.上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司，上海 200241)

近年來，由于國家對環(huán)保的大力支持，我國在煤塵治理方面進(jìn)行了較廣泛的研究，煤炭開采運(yùn)輸過程中的抑塵技術(shù)逐漸引起了人們的重視[1-3]。目前為止，最常用的防塵方法主要包括灑水防塵、遮蓋防塵、噴霧防塵、化學(xué)抑塵等方法[4-5]。灑水防塵對細(xì)小塵粒的捕捉效率較低，用水量大、抑塵周期短；遮蓋防塵施工比較困難，難以滿足實際防除塵需求；噴霧防塵目前處于試驗階段，并且水的表面張力較大，僅僅依靠水的霧化降塵并不能達(dá)到較高的降塵效率[6-7]；化學(xué)抑塵具有效率高、施工方便和經(jīng)濟(jì)成本低的優(yōu)勢，能夠結(jié)合空氣中細(xì)小的粉塵顆粒，達(dá)到更好的降塵效果[8]。

隨著化學(xué)抑塵劑的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始對煤塵表面潤濕性的影響因素進(jìn)行了探討。王超群等[9]研究了煤塵表面含氧官能團(tuán)對煤塵潤濕性能的影響，通過實驗和數(shù)據(jù)模擬顯示，煤塵表面含氧官能團(tuán)含量越高，表面活性劑在煤塵表面的接觸角越??；程衛(wèi)民等[10]研究了煤塵潤濕性與無機(jī)礦物含量的關(guān)系，結(jié)果表明煤中無機(jī)物相組成特征是煤灰分增強(qiáng)煙煤潤濕性的根本原因，其含量與潤濕接觸角呈線性關(guān)系；楊靜等[11]通過研究煤塵的表面結(jié)構(gòu)、表面電性和潤濕性，對煤塵表面潤濕機(jī)理進(jìn)行了微觀分析，闡明了非離子表面活性劑溶液對煤塵的潤濕效果好于陰離子表面活性劑溶液的機(jī)理；李嬌陽等[12]研究了煤表面潤濕性影響因素，結(jié)果表明煤的粒徑對煤塵潤濕性影響程度較大，粒徑越小，則比表面積越大，接觸角越大，潤濕性越差；辛嵩等[13]研究了不同種類表面活性劑的潤濕性能，發(fā)現(xiàn)表面活性劑在煤塵表面的潤濕性能與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不呈正比關(guān)系，陰離子和非離子表面活性劑的潤濕性能優(yōu)于陽離子和兩性離子表面活性劑。優(yōu)選使用合適種類和濃度的表面活性劑，可以大大提升對難潤濕疏水性煤塵的潤濕性。

在前人研究成果基礎(chǔ)上，分別探討了煤粉組成、煤粉粒徑、抑塵劑電動電位、抑塵劑表面張力，以及抑塵劑在煤粉表面的接觸角等條件對煤粉潤濕性的影響，可為化學(xué)抑塵劑在煤塵治理中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

煤粉11103(無煙煤)、11104(無煙煤)、11110(煙煤)3種樣品來自武漢中昌國研標(biāo)物科技有限公司，煤粉的主要成分見表1。型號W、B、L、TP、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的抑塵劑均由客戶提供，均為潤濕型環(huán)保抑塵劑，利用物理化學(xué)技術(shù)，通過捕捉、吸附、團(tuán)聚粉塵微粒，從而降低煤運(yùn)過程中產(chǎn)生的動態(tài)揚(yáng)塵。

表1 煤粉主要成分分析結(jié)果

1.2 實驗方法

1.2.1 煤粉粒徑測試

煤樣經(jīng)研磨后過0.154 mm(100目)標(biāo)準(zhǔn)篩，利用Winner型激光粒度儀進(jìn)行煤粉粒度測試，分析樣品累計粒度分布百分比為50%時對應(yīng)的粒徑D50。

1.2.2 表面張力測定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的抑塵劑溶液，使用QBZY全自動表面張力儀，采用吊片法測定溶液的表面張力，測試速度設(shè)置為5 mm/min，重復(fù)測3次取平均值。

1.2.3 電動電位測試

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的抑塵劑溶液，利用Malvern Zetasizer電位分析儀測量抑塵劑溶液的電動電位，將待測溶液加入比色皿1/3高度處，靜置以除去液體中的氣泡，使用鈀電極測定體系的電動電位，重復(fù)測試3次取平均值。

1.2.4 接觸角測定

采用成型煤粉法，將3種煤粉過0.154 mm(100目)標(biāo)準(zhǔn)篩，過篩后的煤粉用模具加壓至 30 MPa，形成具有壓光平面的圓柱體試樣(直徑13 cm、厚度2 cm)，使用JC2000C1接觸角測量儀檢測質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的抑塵劑在煤粉表面的接觸角。

1.2.5 正向滲透實驗

正向滲透實驗法示意圖如圖1所示。取直徑為 1 cm、長度為9 cm的無色透明玻璃管，稱取1.9 g煤粉放入玻璃管中，并用不銹鋼棒將煤粉夯實。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的抑塵劑溶液，取2 mL該溶液滴入裝好煤粉的玻璃管中，分別記錄抑塵劑潤濕煤粉高度4 cm時所需要的滲透時間，并且使用公式(1)對抑塵劑的潤濕性能進(jìn)行評價[14]。

(1)

式中：t1為抑塵劑滲透單位高度煤粉的平均時間；t0為水滲透單位高度煤粉的平均時間。

圖1 正向滲透實驗法示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉性質(zhì)分析

煤粉的成分和性質(zhì)直接影響到抑塵劑對煤粉的潤濕性能，其具體成分分析數(shù)據(jù)如表1所示。一般而言，煤粉中的揮發(fā)分、灰分是親水因素，有利于溶液在煤粉表面的潤濕，而碳、氫等有機(jī)元素的相對含量增加不利于煤粉的潤濕性[6]。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以看出，煤粉11110具有較高的灰分和揮發(fā)分，碳、氫元素含量相對較低，容易被抑塵劑潤濕。

煤場揚(yáng)塵的起塵量與煤粉粒徑、煤粉含水率、作業(yè)強(qiáng)度和環(huán)境風(fēng)速等條件有關(guān)。其中煤粉粒度是影響煤場揚(yáng)塵的主要影響因素之一[15]。煤粉的平均粒度越小，在施工過程中的揚(yáng)塵程度越大。利用粒度儀分別對3種煤粉進(jìn)行了粒度測試，并且對煤粉的比表面積進(jìn)行了分析。D50代表樣品累計粒度分布百分比為50%時所對應(yīng)的粒徑，即小于該粒徑的顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的50%。由此可以得到，11103煤粉顆粒的粒徑最小，比表面積最大；11104煤粉的粒徑最大，比表面積最小。煤粉粒徑及比表面積如表2 所示。

表2 煤粉粒徑及比表面積

2.2 抑塵劑基本性能分析

煤是一種復(fù)雜的有機(jī)物，其表面上含有大量的脂肪烴和芳香烴等憎水性的非極性基團(tuán)，從而使煤粉表面具有較強(qiáng)的疏水性。根據(jù)表面化學(xué)理論，表面活性劑溶液在煤粉表面會產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，在吸附過程中，煤粉的疏水表面與表面活性劑的疏水基團(tuán)相互作用較強(qiáng)，因此表面活性劑將以疏水端吸附于煤粉表面，親水端暴露于煤粉表面，從而降低了溶液表面張力和煤粉的界面自由能，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

表面張力是評價抑塵劑使用性能的主要指標(biāo)之一。表面活性物質(zhì)的加入能夠降低抑塵劑表面張力，增加抑塵劑對煤粉的潤濕能力，使霧滴與煤塵碰撞時的融合概率增加，從而提高降塵效率[16]。對 7種不同抑塵劑的表面張力進(jìn)行了測試，結(jié)果見表3。

表3 不同抑塵劑的表面張力及電動電位

從表3可以看出，抑塵劑TP的表面張力最大，抑塵劑W的表面張力最小。抑塵劑W、B、Ⅰ、Ⅲ具有相對較小的表面張力，在噴灑過程中具有更強(qiáng)的霧化能力，對煤粉具有更強(qiáng)的潤濕能力，從而能夠達(dá)到更佳的抑塵效果。同時，溶液表面張力的降低能夠提高抑塵劑對煤粉的潤濕能力，有利于抑塵劑在煤粉表面鋪展。

抑塵劑主要由表面活性劑和一些功能助劑組成。使用Malvern Zetasizer電位分析儀對抑塵劑溶液的電動電位進(jìn)行測試。電動電位的正負(fù)值代表了抑塵劑帶電荷的類型。不同抑塵劑的電動電位如表3 所示，7種抑塵劑電動電位均為負(fù)值，說明體系中均存在不同含量的陰離子表面活性劑。抑塵劑L、TP的電動電位絕對值相對較小，證明在體系中以非離子型表面活性劑為主。B、Ⅱ、Ⅲ中電動電位絕對值相對較大，其主要成分中含有較多的陰離子型表面活性劑。

2.3 接觸角分析

潤濕型化學(xué)抑塵劑通過提高水的潤濕能力來增強(qiáng)水的捕塵能力，從而提高抑塵效率。抑塵劑在煤粉表面的潤濕行為滿足楊氏方程：

γs，v-γs，l=γl，vcosθ

(2)

式中：γs,v、γl,v分別代表煤塵表面張力、抑塵劑溶液表面張力；γs,l代表抑塵劑溶液—煤塵間的界面張力；θ為液體在煤塵表面的接觸角。

通過煤粉與抑塵劑之間的接觸角進(jìn)一步分析抑塵劑在煤粉表面的潤濕情況，如圖2所示。

圖2 抑塵劑在煤粉表面的潤濕情況

由于3種煤粉的成分和粒徑不同，7種抑塵劑在不同煤塵表面的接觸角有較大差異，如圖3所示。純水在不同煤粉表面均呈現(xiàn)出最大的接觸角，抑塵劑的加入均不同程度降低了溶液在煤塵表面的接觸角。煤粉與抑塵劑接觸潤濕類型為浸濕潤濕，且抑塵劑在煤粉11110表面的接觸角最小，主要原因是煤粉11110組成中具有更高的灰分和揮發(fā)分，這些親水物質(zhì)使溶液能夠更好地鋪展在煤粉表面。

圖3 抑塵劑接觸角與煤粉灰分關(guān)系圖

抑塵劑B、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在煤粉表面的潤濕性能較好，因為這4種抑塵劑的表面張力γl,v較小，使cosθ增大，接觸角θ不斷降低，易于在煤粉表面鋪展。對于同一種煤粉而言，接觸角的大小不僅與溶液表面張力有關(guān)，同時與液—固之間的界面張力γs,l也有較大的關(guān)系。因此，針對不同煤粉，可以根據(jù)其固體表面性質(zhì)選擇不同類型的化學(xué)抑塵劑。

抑塵劑W具有最低的表面張力，但是在煤粉表面的接觸角高于抑塵劑Ⅰ。抑塵劑W的電動電位絕對值較大，陰離子表面活性劑的含量較高；而煤粉表面官能團(tuán)呈負(fù)性，較高含量的陰離子表面活性劑由于電性相斥無法有效吸附在煤塵表面[17]。抑塵劑Ⅰ中非離子表面活性劑含量相對較高，能夠定向排列于煤塵表面，有效降低液—固之間的界面張力γs, l，從而使接觸角降低。

抑塵劑溶液在3種不同成分的煤塵表面的接觸角相差較大，如表4所示。抑塵劑W、Ⅰ、Ⅱ在煤塵11103表面的接觸角較小，最低為24.1°；抑塵劑Ⅰ在煤塵11104表面的接觸角最小為30.0°；煤塵B、W、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在煤塵11110表面的接觸角相差較小。在實際應(yīng)用中，在保證抑塵劑溶液表面張力較低的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)煤塵表面性質(zhì)選擇不同成分、含量的化學(xué)抑塵劑，改善抑塵劑溶液與煤塵的界面張力，從而降低抑塵劑溶液在煤塵表面的接觸角。

表4 抑塵劑在煤塵表面的接觸角

2.4 抑塵劑滲透性影響

綜合實驗數(shù)據(jù)，分別以滲透距離為橫坐標(biāo)，滲透時間為縱坐標(biāo)作圖，可以獲得不同抑塵劑對煤粉的滲透性。不同抑塵劑對煤粉的滲透能力如圖4所示，可以看出，抑塵劑對于煤粉11110的滲透能力最強(qiáng)，對煤粉11103的滲透能力次之。這與不同煤粉的親水程度有關(guān)系，煤粉11110具有更高的灰分和揮發(fā)分等親水因素，抑塵劑在煤粉表面具有較低的接觸角，潤濕能力和滲透性相對較好。

(a)煤粉11103

(b)煤粉11104

(c)煤粉11110

抑塵劑對煤粉潤濕性的影響程度可以用滲透性能表示，根據(jù)計算公式(1)分析不同抑塵劑與煤粉的潤濕性能，其結(jié)果見表5。

表5 不同抑塵劑與煤粉的潤濕性能

由表5可知，對于煤粉11103，TP型抑塵劑效果較好，潤濕性能比純水提高了78.0%；對于煤粉11104，B型抑塵劑的潤濕效果最為明顯，潤濕性能比純水提高了51.5%；對于煤粉11110，抑塵劑Ⅰ的潤濕效果較好，潤濕性能比純水提高了40.2%。

由圖4可見，抑塵劑TP對煤粉11103的潤濕性能最好，滲透相同煤粉高度所用的滲透時間最短；對于煤粉11104而言，抑塵劑B比抑塵劑TP有更好的潤濕能力。煤粉11104具有較大的粒徑，煤粉11103粒徑相對較小，隨著煤粉粒徑的減小，煤粉表面上的外露有機(jī)基團(tuán)增多，碳元素含量增大，表面疏水性增強(qiáng)。抑塵劑TP的電動電位絕對值最小，非離子型表面活性劑含量相對較高，對煤粉表面的有機(jī)基團(tuán)具有較強(qiáng)的親和力，能夠有效吸附于煤粉表面，提高煤粉表面親水性。因此，抑塵劑TP對煤粉11103的潤濕能力增強(qiáng)。

煤粉表面官能團(tuán)呈負(fù)性，粒徑的減小會增加煤粉表面裸露的官能團(tuán)數(shù)量，導(dǎo)致煤粉表面的電荷不斷增加，這對于陰離子型表面活性劑在煤粉表面吸附具有抑制作用。抑塵劑B中陰離子表面活性劑含量相對較高，因此對煤粉11103的潤濕能力有所降低。當(dāng)粒徑增大時，煤粉對抑塵劑的成分排斥作用不斷降低。由表4和表5可以看出，潤濕能力的大小與抑塵劑在煤粉表面的接觸角成反比，抑塵劑B在煤粉表面具有較小的接觸角，因此對煤粉11104具有更好的潤濕能力。在實際應(yīng)用中，針對不同類型的煤粉，可以根據(jù)抑塵劑表面張力、接觸角、電動電位等性質(zhì)選擇潤濕性能最佳的化學(xué)抑塵劑。

3 結(jié)論

1)抑塵劑對煤粉的潤濕性與煤粉的灰分呈反比關(guān)系。煤粉的灰分、揮發(fā)分越高，則抑塵劑在煤粉表面的接觸角越小，對煤粉的滲透時間越短，潤濕性能越強(qiáng)。

2)抑塵劑在煤粉表面的鋪展能力不僅與抑塵劑溶液的表面張力有關(guān)，與液—固之間的界面張力也有較大的關(guān)系。對于同一種煤粉而言，抑塵劑除了能夠降低溶液表面張力以外，其中的非離子型表面活性劑還可以有效降低固—液之間界面張力，達(dá)到較好的潤濕效果。

3)抑塵劑對不同粒徑的煤粉滲透能力有較大差異，對粒徑較小的煤粉滲透性較差。抑塵劑的電動電位絕對值越低，其在煤塵表面的吸附能力越強(qiáng)，改善了粒徑較小的煤塵親水性，可以使?jié)B透能力不斷增強(qiáng)。