桂 哲， 劉榮華,2， 王鵬飛,2， 茍尚旭， 舒 威， 譚烜昊

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201；

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表面活性劑對煤塵潤濕性能的影響

桂 哲1， 劉榮華1,2， 王鵬飛1,2， 茍尚旭1， 舒 威1， 譚烜昊1

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201；

2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201)

為了研究表面活性劑潤濕機(jī)理，減小煤礦噴霧降塵用水的表面張力，增強(qiáng)煤塵的濕潤能力，采用對比分析方法，選擇四種常用的表面活性劑和三種煤樣，通過表面張力、接觸角以及沉降實驗，研究煤塵潤濕性的影響因素。結(jié)果表明：表面活性劑的潤濕性能隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)，其中非離子表面活性劑OP-10的潤濕性最佳；表面張力、接觸角及沉降時間都只是評價表面活性劑潤濕性的一個必要因素，而不是決定因素，其中SDBS 溶液的表面張力較OP-10的要低，但從接觸角大小和沉降時間看OP-10的潤濕性較SDBS強(qiáng)；無煙煤的可潤濕性能比焦煤和瘦煤要好，一般表面活性劑在較低濃度就可以較好潤濕無煙煤，但對于焦煤和瘦煤，所選用的濃度要較高。

表面活性劑； 表面張力； 接觸角； 沉降； 潤濕性

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來，隨著煤礦開采強(qiáng)度的不斷增加和機(jī)械化程度的不斷提高，井下采掘工作面的粉塵濃度劇增，高達(dá)2 500～3 000 mg/m3，作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重惡化，極大威脅著礦井的安全生產(chǎn)和工人的身心健康。采用噴霧降塵具有經(jīng)濟(jì)、簡便和實用等優(yōu)點，在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用[1-4]。一般防塵用水大多為清水，雖然簡便經(jīng)濟(jì)，但由于煤的表面含有大量的憎水非極性基團(tuán)，使其有一定疏水性，且水的表面張力較大，導(dǎo)致清水無法有效的潤濕粉塵顆粒。在液體介質(zhì)中添加一定的表面活性劑可以降低其表面張力，有效地降低液體的表面能，利于粉塵的潤濕。因此，研究表面活性劑對煤塵的潤濕性能的影響，有助于增強(qiáng)對煤塵的潤濕和捕集[5-10]。

近年，國內(nèi)學(xué)者相繼開展了有關(guān)表面活性劑潤濕性的大量工作。吳超[11]等對陰離子、陽離子及非離子表面活性劑對粉塵潤濕能力的改善程度，以及添加適量Na2SO4對表面活性劑表面活性的影響，做了大量研究，結(jié)果顯示陰離子和非離子表面活性劑的潤濕性能優(yōu)于陽離子表面活性劑，適量Na2SO4對陰離子表面活性劑表面活性的影響較明顯；何杰[12]深入探討了使用不同種類的表面活性劑在不同濃度以及溶液的pH對煤的潤濕性的影響，發(fā)現(xiàn)煤表面的潤濕是一復(fù)雜過程，煤的表面結(jié)構(gòu)是影響潤濕的內(nèi)因，而表面活性物質(zhì)及其初始濃度等因素則明顯影響著煤表面的潤濕行為，但這種影響又明顯依賴于煤的表面性質(zhì)；楊靜等[13]為了研究煤的表面物理化學(xué)性質(zhì)對煤的潤濕性的影響，對煤塵進(jìn)行了FTIR分析、電位實驗、接觸角實驗以及沉降實驗，結(jié)果表明煤塵的潤濕性取決于氣液界面張力、氣固界面張力以及液固界面張力的大小，并且煤塵的表面電性以及添加的表面活性劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都對煤的潤濕性有重要的影響。目前，關(guān)于表面活性劑對不同煤質(zhì)的潤濕性能影響的研究文獻(xiàn)較少。筆者試采用用途較廣的陰離子、非離子兩類表面活性劑，針對無煙煤、焦煤和瘦煤，進(jìn)行表面張力、接觸角和沉降實驗，研究表面活性劑及煤質(zhì)對煤塵的潤濕性能的影響。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 儀器和材料

實驗系統(tǒng)包括三個部分：測定表面張力的Kruss K20型表面張力儀，測定接觸角的CA100B接觸角測量儀，沉降實驗用比色管。

實驗選擇有代表性的三種煤樣；湖南興源煤礦的無煙煤、貴州發(fā)耳煤礦的焦煤和山西萬峰煤礦的瘦煤。將煤粉用粉碎機(jī)粉碎，經(jīng)149 μm的篩子篩取細(xì)煤粉作為實驗煤樣。

本著無毒無害、生物降解性好、低溫不結(jié)晶、無沉淀和鹽析現(xiàn)象、能大幅度降低水的表面張力、保存時間長且理化性質(zhì)不變、不可燃、對金屬和橡膠無腐蝕、成本低且運(yùn)輸方便的原則，在參考國內(nèi)外有關(guān)降塵用表面活性劑配方、專利及相關(guān)學(xué)術(shù)論文的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)有的表面活性劑中優(yōu)選了用途較廣的陰離子、非離子兩類表面活性劑，四種試劑進(jìn)行實驗，如表1所示。

表1 實驗所選表面活性劑

1.2 方案

第一組實驗為表面張力實驗，使用德國Kruss K20型表面張力儀，分別對四種表面活性劑在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的表面張力進(jìn)行測定，測量三組取平均值。該表面張力儀采用吊片法測量，表面張力測量范圍為1～999 mN/m，測量精度為±0.1 mN/m，可在內(nèi)置控制板上顯示測量結(jié)果。

第二組實驗為接觸角實驗，使用國產(chǎn)的CA100B型接觸角測量儀，取300 mg煤粉裝在模具中，用FW-4A型粉末壓片機(jī)加壓到30 MPa，保持1 min，制成φ15 mm×3 mm的煤粉壓片，然后分別對四種表面活性劑的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液在三種煤粉壓片上的接觸角進(jìn)行測量。該接觸角測量儀全自動進(jìn)樣，測試分辨率為0.01°，測試精度 0.1°。

第三組實驗為沉降實驗，使用一組比色管，將200 mg煤塵倒在液面上，使塵粒原有固-氣界面被固-液界面取代逐漸完成，記錄下粉煤沉降到液面以下所需的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面張力實驗

表面活性劑由極性親水基和非極性疏水基組成，表面活性劑溶于水中時，由于疏水效應(yīng)，其親水基插入水中，疏水基伸向空氣中，表面活性劑分子在水溶液表面形成定向界面吸附層，水溶液表面由較低表面自由能的非極性分子代替，導(dǎo)致水溶液表面張力降低。當(dāng)表面活性劑濃度增加到臨界膠束濃度時，溶液的界面吸附達(dá)到飽和，表面張力保持不變。一方面，表面活性劑的表面張力要較小，如果表面活性劑溶液的表面張力較大，就不能對礦塵進(jìn)行較好的潤濕，降塵效果不佳；另一方面，表面活性劑的臨界膠束濃度不能過高，為了有效降低礦井采掘面的粉塵濃度，就必須加大試劑用量，造成成本增加。

從表2可以看出，這些溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在達(dá)到0.005 00%前，表面張力會有一個明顯下降，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.050 00%后，表面活性降到最低，下降趨勢趨于緩和，這說明四種表面活性劑溶液的臨界膠束濃度均在0.005 00%～0.050 00%。對于這四種表面活性劑單體溶液，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.005 00%變化時，這四種表面活性劑溶液的表面張力在46.4～72.3 mN/m變化，表面張力的變化幅度較大；當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到0.005 00%、0.05 00%、0.500 00%時，溶液的界面吸附逐漸達(dá)到飽和，表面張力的變化幅度逐漸減緩。表面活性劑SDBS、OP-10的臨界膠束濃度約為0.005 00%，而Tween-80和SDS的臨界膠束濃度較高，約為0.050 00%。在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050 00%時，Tween-80溶液的表面張力高達(dá)40.8 mN/m，其他三種單體溶液的表面張力在28.8～31.9 mN/m，其中SDBS表面活性劑溶液的表面張力達(dá)到最低28.8 mN/m，表面活性最強(qiáng)。相關(guān)研究表明，只有當(dāng)溶液表面張力降低到約35 mN/m時，該試劑才可能對煤塵有較好的潤濕性[14]。這四種表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.005 00%時，溶液可以達(dá)到較好的濕潤效果，不同表面活性劑溶液在相同的表面活性下，表面活性劑SDBS的濃度最低，Tween-80最高，可知這四種表面活性劑的表面活性大小為SDBS>SDS>OP-10>Tween-80。

表2 四種表面活性劑溶液在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的表面張力

Table 2 Surface tension of four surfactant solutions at different fraction

w/%γ/mN·m-1SDSSDBSTween-80OP-10073.071.373.072.00.0000559.558.062.654.80.0005051.542.847.443.80.0050035.928.843.532.60.0500031.328.440.831.90.5000030.428.039.732.5

2.2 接觸角實驗

接觸角反映了液體分子與固體表面的潤濕作用，潤濕作用越強(qiáng)越易于在固體表面上鋪展開來，接觸角趨于較小值。圖1是SDBS表面活性劑溶液在瘦煤壓片上的接觸角。表3和圖2是不同表面活性劑溶液在不同煤樣壓片上的接觸角。

圖1 SDBS溶液在瘦煤壓片上的接觸角

Fig. 1 Contact angle of SDBS solutions in lean coal powder pressing

由表3和圖2可以得出，四種表面活性劑單體溶液在三種煤樣壓片上的接觸角隨溶液濃度的增加而降低，即隨著溶液濃度的增加，接觸角越小，溶液在壓片表面上越易鋪展開來，溶液對煤樣壓片的潤濕性也越強(qiáng)。這四種表面活性劑溶液對無煙煤的潤濕能力要強(qiáng)于焦煤和瘦煤。例如清水在無煙煤壓片上的接觸角在38.22°～40.12°，其平均值為39.17°，遠(yuǎn)小于清水在焦煤和瘦煤壓片上接觸角的平均值71.08°、68.14°；在SDBS表面活性劑溶液濃度為0.005 00%時，無煙煤、焦煤和瘦煤壓片上的接觸角分別為25.63°、56.15°、52.01°，其他三種表面活性劑在無煙煤上的接觸角也是最小的，可以看出無煙煤的可潤濕性最強(qiáng)；隨著表面活性劑濃度的增加，四種表面活性劑溶液的接觸角呈現(xiàn)為不斷減小的趨勢，所選的表面活性劑具有普適性，都能夠在一定程度上增加對煤塵的潤濕性。

表3 不同表面活性劑溶液在煤粉壓片上的接觸角

a 無煙煤

b 焦煤

c 瘦煤

Fig. 2 Contact angle of different surfactant solutions on coal powder pressing

從圖2可以看出，相較于表面活性劑SDBS、SDS、Tween-80，表面活性劑OP-10溶液在無煙煤、焦煤、瘦煤三種煤粉壓片的接觸角最小，即表面活性劑OP-10的表面活性強(qiáng)，容易在固體表面發(fā)生吸附，潤濕性能最好。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.050 00%時，表面活性劑OP-10溶液在無煙煤、焦煤和瘦煤壓片上的接觸角最小，分別為16.90°、30.65°、31.02°，而表面活性劑Tween-80溶液在無煙煤、焦煤和瘦煤壓片上的接觸角最大，分別為26.69°、55.30°、56.72°。OP-10和Tween-80同為非離子表面活性劑，但對煤粉的潤濕性卻有很大差別，主要與煤塵本身含有的芳香烴和脂肪烴等極性基團(tuán)有關(guān)[13,15]。

2.3 沉降實驗

記錄煤粉全部沉入表面活性劑溶液所需的時間，即為煤塵沉降時間。實驗所需的沉降時間最短，則潤濕性能最好。 表4給出了煤粉在表面活性劑溶液中的沉降情況，其中，不沉降指沉降時間過長，無明顯對比效果。

由表4可以看出，這四種表面活性劑溶液的潤濕性隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)，所選三種煤樣的煤粉沉降時間都隨溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而縮短，如無煙煤煤粉沉降時間由最初的6～7 min縮短為3～8 s，焦煤和瘦煤煤粉由最開始的不沉降縮短到有明顯的可潤濕性；其中無煙煤煤粉的沉降時間相較于焦煤和瘦煤煤粉的沉降時間要快，而且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.050 00%時，無煙煤煤粉的沉降時間達(dá)到最短的幾秒鐘，而后保持不變，焦煤和無煙煤煤粉在這四種表面活性劑低濃度溶液中的沉降時間過長，在高濃度溶液中才有明顯的可潤濕性。Tween-80表面活性劑溶液的潤濕性能最差，OP-10表面活性劑溶液的潤濕性能相對來說最好，SDBS和SDS次之。

表4 煤粉在表面活性劑溶液中的沉降時間

3 結(jié) 論

(1)表面活性劑的潤濕性能隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)，其中非離子表面活性劑OP-10的潤濕性最佳，優(yōu)于陰離子表面活性劑SDBS和SDS，但并不是所有的非離子表面活性劑的潤濕性強(qiáng)于陰離子表面活性劑，表面活性劑的潤濕性不僅和種類有關(guān)，還和所濕潤的固體表面有關(guān)。

(2)表面張力、接觸角及沉降時間都只是評價表面活性劑潤濕性的一個必要因素，而不是決定因素，其中SDBS的表面張力較OP-10的要低，但從接觸角大小和沉降時間看出OP-10的潤濕性較SDBS的要強(qiáng)。

(3)實驗所選無煙煤的可潤濕性能比焦煤和瘦煤要好，一般表面活性劑在較低濃度就可以較好潤濕無煙煤，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005 00%的OP-10表面活性劑溶液可以較好潤濕無煙煤，但對于焦煤和瘦煤，所選用的濃度要較高，選用OP-10表面活性劑溶液時質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)約0.500 00%。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Experimental study on surfactant effect on coal dust wettability

GuiZhe1，LiuRonghua1,2，WangPengfei1,2，GouShangxu1，ShuWei1，TanXuanhao1

(1.School of Resource, Environment & Safety Engineering， Hunan University of Science & Technology，Xiangtan 411201， China； 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines， Hunan University of Science & Technology， Xiangtan 411201， China)

This paper aims to investigate the mechanism behind the wetting of surfactants in an effort to reduce the surface tension of water used for spraying for dust control in coal mine, and enhance the effect of water on the wettability of coal dusts. The study looks at the influencing factors of coal dust wettability by applying the method of comparative analysis, 4 kinds of commonly used surfactants, and 3 kinds of coal samples; and using the surface tension, contact angle experiment, and dust sinking experiments. The results demonstrate that an increase in mass fraction is followed by an increase in the wetting property of surfactants, of which nonionic surfactant OP-10 has the best wettability; surface tension, contact angle, and dust sinking time are only a necessary factor for evaluating the wettability of the surfactant, but not a decisive factor, and in this case, SDBS has a lower surface tension than OP-10, but in terms of the contact angle and settling time, OP-10 has a stronger wettability than SDBS; anthracite boasts a better wettability than coking coal and lean coal, leaving commonly-used lower surfactant concentration capable of a better wetting of anthracite, but a necessity arises for the selection of a higher surfactant concentration in the case of coking coal and lean coal.

surfactant; surface tension; contact angle; dust sinking; wettability

2016-08-09

國家自然科學(xué)基金項目(51574123)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B539)

桂 哲(1991-)，男，湖北省荊門人，碩士，研究方向：礦井通風(fēng)與粉塵防治，E-mail:283766223@qq.com。

簡介： 劉榮華(1964-)，男，湖南省邵陽人，教授，博士，研究方向：礦井通風(fēng)與粉塵防治，E-mail:rhliu2008@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.009

TD714; X936

2095-7262(2016)05-0513-05

A