潤(rùn)濕劑對(duì)低階弱黏煤表面改性的研究

韓 超，劉傳犇，于繼圖，侯彬彬

(1.陜西正通煤業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2，山東科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590；3，山東博選礦物資源技術(shù)開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

作為一個(gè)富煤、貧油、少氣的國(guó)家，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以來都是以煤炭為主。但由于我國(guó)煤炭產(chǎn)銷的地域差別，形成了西煤東運(yùn)、南煤北運(yùn)的情況[1-3]。我國(guó)煤炭經(jīng)過洗選后的出廠產(chǎn)品一般都?xì)埩?.5%～14%的水分，并且大部分水以自由水的形態(tài)附著在煤炭的表面[4]。因此選煤產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中失水虧噸也是造成煤炭購銷量差商務(wù)糾紛的重要因素之一。煤炭的失水情況與煤的表面性質(zhì)息息相關(guān)，因此，使用潤(rùn)濕劑對(duì)煤炭表面進(jìn)行改性，改變其表面疏水性，使其在運(yùn)輸過程中能夠保留住水分，即可避免商務(wù)糾紛。在煤炭運(yùn)輸過程中的助劑大多以表面活性劑為主，其目的主要是解決煤炭運(yùn)輸過程中粉塵污染、冬季防凍和失水虧噸的問題。如陳景序等[5]以羧甲基纖維素鈉為黏結(jié)劑、保水劑，以十二烷基磺酸鈉為表面活性劑，研制出了新型藥劑，取得了良好的應(yīng)用效果；劉鳳月等[6]將采用接枝改性淀粉制得的表面活性劑應(yīng)用于運(yùn)煤列車表層后，明顯減少了運(yùn)煤損失，避免了環(huán)境污染。

陜西正通煤業(yè)有限公司的選煤產(chǎn)品在鐵路運(yùn)輸過程中由于失水虧噸，損失了6%左右的水分，造成了嚴(yán)重的商務(wù)糾紛及經(jīng)濟(jì)損失。文章通過使用潤(rùn)濕劑對(duì)出廠選煤產(chǎn)品進(jìn)行表面改性，旨在提高煤表面的親水性，減少煤的外在水分的流失，以避免其在運(yùn)輸過程中的失水虧噸問題。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料有：陜西正通煤業(yè)有限公司最終出廠的洗選產(chǎn)品，該煤樣干基揮發(fā)分(Vdaf)為27.90%，焦渣特征為弱黏性，判定為弱黏煤；潤(rùn)濕劑，由陜西正通煤業(yè)有限公司提供；泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩；PVC管，內(nèi)徑160 mm，高度50 cm；計(jì)時(shí)器；電子天平；烘箱。

1.2 試驗(yàn)過程

在泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩上放置兩個(gè)PVC管，將正通煤業(yè)提供的選煤產(chǎn)品放入105 ℃烘箱進(jìn)行干燥處理，向烘干后的煤中加入其質(zhì)量15%的水，待其充分吸水后放入1#PVC管中；取同樣質(zhì)量的煤和水，向水中加入潤(rùn)濕劑配成3‰的溶液，待其充分吸水后放入2#PVC管中，用小盆接取滲漏下來的水，并間隔一段時(shí)間稱取盆中水的質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與表征方法

2.1 改性效果

通過模擬煤炭運(yùn)輸過程中水分的滲漏情況進(jìn)行試驗(yàn)，得到選煤產(chǎn)品水分流失情況(表1) 。

表1 選煤產(chǎn)品水分流失情況

由表1可知，經(jīng)過潤(rùn)濕劑的改性，選煤產(chǎn)品水分流失情況得到了有效的改善，24 h后僅損失了0.20%的水分，很好地解決了選煤產(chǎn)品的水分流失問題。

2.2 紅外光譜分析[7-8]

改性前后的煤樣和潤(rùn)濕劑均采用KBr壓片法分析。稱取改性前后的空氣干燥基分析煤樣和潤(rùn)濕劑粉末三種試樣各5 mg，分別與200 mgKBr放入瑪瑙研缽中研磨至0.074 mm左右，再放入壓片機(jī)中壓成薄片，隨后置于紅外光譜的測(cè)試室內(nèi)的樣品架上進(jìn)行測(cè)定。采用Thermo Fisher Scientific Nicolet iS5 FT-IR光譜儀進(jìn)行測(cè)定。儀器的測(cè)試條件為：光譜范圍為400～4 000 cm-1,分辨率為4.000 cm-1,動(dòng)鏡速度為0.474 7 cm/s，掃描次數(shù)為32次，使用空白的KBr壓片作為背景進(jìn)行掃描，用來消除背景對(duì)光譜質(zhì)量的影響。

采用紅外光譜儀對(duì)三種樣品進(jìn)行測(cè)定，得到的紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 紅外光譜圖

由圖1(b)和圖1(c)可知，煤樣和潤(rùn)濕劑經(jīng)過改性后，紅外光譜圖中波數(shù)為2 920 cm-1處出現(xiàn)的峰的吸收強(qiáng)度增強(qiáng)，這是由于藥劑吸附在煤的表面增加了—CH2、—CH3等基團(tuán)的含量，從而導(dǎo)致該處的透過率減少。

2.3 拉曼光譜分析[9-13]

HORIBA Lab RAM HR800光譜儀對(duì)改性前后的煤樣以及潤(rùn)濕劑進(jìn)行測(cè)定，得到拉曼光譜圖(圖2)。

圖2 拉曼光譜圖

通過對(duì)比圖2(a)和圖2(b)發(fā)現(xiàn)，光譜的強(qiáng)度減小，而在2 610 cm-1和2 831 cm-1兩處的峰強(qiáng)度降低，并且峰型變的平緩?？傮w來說，改性前后的拉曼光譜變化不大。

2.4 XPS分析[12, 14-17]

為了解改性前后元素發(fā)生的變化，采用Thermo Scientific ESCALAB 250Xi型X射線光電子能譜儀對(duì)改性前后的煤樣分別進(jìn)行測(cè)定，得到煤樣XPS分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 煤樣XPS分析結(jié)果

由圖3可知：經(jīng)過XPS測(cè)定分析得出，改性前煤樣的C原子含量為83.35%，O原子含量為13.83%，N原子含量為1.38%；改性后煤樣的C原子含量為82.36%，O原子含量為14.18%，N原子含量為1.5%。從檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面活性劑的改性，煤的氧碳比增加，N原子的含量也有所增加。這是因?yàn)橥ㄟ^改性引入了羥基、羧基、酰胺等基團(tuán)，正是這些基團(tuán)的作用提高了煤的潤(rùn)濕性，使煤變得親水。

2.5 接觸角分析[18-20]

稱取改性前后的煤樣各0.3 g，放入壓片機(jī)中，在25 MPa壓力下保持15 min壓制成薄片。采用Kruss DSA30光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x進(jìn)行接觸角的測(cè)定，得到改性前后煤樣接觸角，如圖4、圖5所示。

由圖4可知，對(duì)于改性之前的煤，在滴加去離子水后的初始接觸角為56.9°。在0～10 s這一時(shí)間段內(nèi)，接觸角緩慢減小至52.3°，并且10 s之后接觸角保持不變。

由圖5可知，當(dāng)水剛與煤樣接觸時(shí)的接觸角為41.2°，比未改性時(shí)的最終接觸角還要小。說明該潤(rùn)濕劑對(duì)煤進(jìn)行改性后的確能夠增加煤的親水性。隨著煤與水接觸時(shí)間的增加，能夠發(fā)現(xiàn)煤表面的水逐漸被煤吸收而不是像未改性時(shí)以水滴的形式附著在煤的表面。據(jù)測(cè)定，在40 s左右時(shí)，煤表面的水被完全吸收，并且煤片因吸水發(fā)生彎曲變形。

通過圖4和圖5的比較，能夠清楚直觀地觀察到經(jīng)過潤(rùn)濕劑的表面改性后，煤表面的親水性大大增強(qiáng)，達(dá)到了改性試驗(yàn)的目的。

圖4 改性前煤樣接觸角

圖5 改性后煤樣接觸角

結(jié)合其他表征方法可以得出，該潤(rùn)濕劑能夠有效改善此煤樣的親水性，從而避免在鐵路運(yùn)輸過程中發(fā)生失水虧噸現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)在改性過程中，潤(rùn)濕劑中的疏水基團(tuán)與煤的表面吸附結(jié)合，潤(rùn)濕劑中的親水基團(tuán)代替了煤表面的疏水部分與水進(jìn)行接觸，有效掩蔽了煤表面的疏水區(qū)域，提高了煤的親水性，降低了煤的接觸角。

(2)通過潤(rùn)濕劑的改性作用，潤(rùn)濕劑在掩蔽疏水區(qū)域時(shí)，還在煤的表面引入了羥基等親水官能團(tuán)，該類官能團(tuán)使煤在與水接觸時(shí)以弱氫鍵結(jié)合，保留住更多的水分，同時(shí)提高了煤的氧碳比，因此能夠?qū)崿F(xiàn)使選煤產(chǎn)品增加親水性的目的。

(3)試驗(yàn)證明，通過潤(rùn)濕劑對(duì)選煤產(chǎn)品進(jìn)行改性處理，可使其親水性大大加強(qiáng)，能夠解決選煤產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的失水虧噸問題。