礦用抑塵劑對不同粒徑煤塵的潤濕性能影響

趙奕博,王 康,徐 磊,王海龍

(1.陜西煤業新型能源科技股份有限公司科研中心分公司,陜西 西安 710100;2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司,陜西 西安 710100;3.陜西新能聯慧科技有限公司,陜西 西安 710100;4.西安陜煤新能源科技有限公司,陜西 西安 710014)

0 引言

煤礦井下生產過程中,大量細微煤塵隨著采掘設備的作業而產生。煤塵不僅會引發礦工塵肺病,而且會加速設備的磨損,甚至存在爆炸危險[1]。由于煤自身特殊的理化性質及井下復雜的作業環境,傳統的降塵技術受限較大[2]。為解決煤塵超限及難以沉降問題,國內外眾多學者開發各類抑塵劑以適應不同作業環境的降、除塵需要[3-6]。WU等[7]研制出一種環保生物除塵劑,通過風蝕耐性試驗確定了有效除塵成分最佳比例,證明EIPC技術對露天煤礦煤塵防治具有重要意義。張江石、WANG等[8-9]以正交試驗為基礎,通過對多種表面活性劑進行性能優選,復配得到最佳的抑塵劑配方,并對抑塵劑的降塵效率及安全性進行分析。王振宇、SUN等[10-11]以淀粉為主要原料,與表面活性劑、無機鹽和粘結劑等進行復配,得到適用于井下潤濕沉積粉塵的復合型抑塵劑,并探究其作用性能。王和堂等[12]通過優化微生物發酵工藝,利用枯草芽孢桿菌發酵合成可降解的生物抑塵劑BDS,并進行性能試驗。

現有研究主要集中在對表面活性劑的選擇和復配[13-15],缺乏能夠直接指導現場,針對抑塵劑最佳使用濃度及對不同類型、不同粒徑煤塵潤濕效果的研究。鑒于此,選取曹家灘、張家峁、涼水井、小紀汗和象山煤礦的煤樣,進行表面張力、沉降及保濕性試驗,優化礦用抑塵劑最佳使用工況,為現場提供有價值的數據參考。

1 抑塵劑制備

1.1 試驗原理

表面活性劑對煤塵具有良好的捕捉、潤濕作用,被潤濕的煤塵會團聚沉降。其中非離子型表面活性劑在溶液中不以離子形式存在,不易受外界環境干擾,穩定性較強,其親水基之間無靜電排斥力且在氣、液界面的排列比離子型表面活性劑更緊密,故在同一濃度下,非離子型表面活性劑有更低的表面張力[16]。非離子型表面活性劑的相容性較好,離子型-非離子型表面活性劑的復配會對混合體系產生協同效應,由于吸附平衡,會進一步降低混合體系的臨界膠束濃度[17]。無機鹽無水氯化鈣是良好的干燥劑,將其按一定比例加入表面活性劑中,當表面活性劑溶液潤濕煤塵后,其中的氯化鈣會通過吸收空氣中的水分來增強表面活性劑的保濕性和抗蒸發性,使沉降的煤塵被長時間潤濕,避免水分快速蒸發造成二次揚塵[18]。

1.2 原料

主要選取4種原料用于分析試驗。即,壬基酚聚氧乙烯醚中活性物≥99%,化學純,山東淄博海杰化工有限公司;曲拉通為化學純,國藥集團化學試劑有限公司;無水氯化鈣為分析純,含量≥96%,國藥集團化學試劑有限公司;自制蒸餾水。

1.3 制備過程

為得到質量濃度為10%的抑塵劑溶液,將盛有100 mL蒸餾水的燒杯置于磁力攪拌器上,加熱至40 ℃左右。稱取9.8 g壬基酚聚氧乙烯醚和1.2 g曲拉通于燒杯中,調節磁力攪拌器至適宜轉速,恒溫攪拌2 h。待壬基酚聚氧乙烯醚和曲拉通完全溶解后,在室溫下靜置30 min,使體系溫度降至室溫并維持穩定。再加入0.11 g無水氯化鈣攪拌5 min制成目標溶液。

2 試驗方案

2.1 表面張力試驗

將抑塵劑分別制備質量濃度為0.01%、0.02%、0.03%、0.05%、0.08%、0.1%、0.3%、1%、2%、3%的樣品溶液。利用密度計測得蒸餾水的密度,用游標卡尺測量屈氏粘力管外徑。利用滴重法對已知表面張力的蒸餾水進行測定,根據式(1)及哈金斯校正因子表迭代計算(插值法),得到屈氏粘力管的精確半徑r。同法測得樣品溶液每滴重量和密度,由式(1)即可求得樣品表面張力。

2πrσf=mg

(1)

(2)

式中,r為屈氏粘力管半徑,cm;σ為表面張力,mN/m,常溫下蒸餾水的表面張力為72.8 mN/m;f為哈金斯校正因子;m為每滴液滴質量(測量3次取平均值),g;g為重力加速度,0.981 m/s2;V為每滴液體的體積,cm3。

2.2 沉降試驗

選取曹家灘、張家峁、涼水井、小紀汗和象山煤礦5個礦井的煤塵樣品,分別利用標準篩篩分制備粒徑為38.5～80 μm、80～160 μm、160～315 μm的煤塵進行沉降試驗。

利用精度為0.001 g的分析天平,稱取0.1 g不同粒徑的煤塵,使其自然下落在快速定性濾紙上形成圓錐體。將50 mL不同濃度的抑塵劑溶液置于燒杯,用鐵絲環將盛有煤塵的快速定性濾紙托于貼近抑塵劑溶液表面的同一高度。用秒表記錄從濾紙接觸液面至煤塵全部沉底所需時間,超過300 s未完全沉降即認為該濃度抑塵劑的潤濕性能差,每組試驗重復3次,為消除試驗結果帶來的誤差,取3次試驗平均值進行分析。

2.3 保濕性試驗

抑塵劑溶液的保濕性能主要依靠其中無機鹽的吸濕作用,改變抑塵劑溶液中無機鹽含量,可直接調節抑塵劑溶液潤濕煤塵后的保濕時間和抗蒸發性能。改變抑塵劑溶液中無機鹽含量為溶質的0%、0.04%、0.06%、0.11%、0.22%、0.55%。稱取1 g粒徑為80～160 μm的煤塵于燒杯中,再稱取4 g上述濃度的抑塵劑溶液并將煤塵完全潤濕,記錄燒杯質量。將全部樣品統一置于同一環境室溫下,每隔一段時間記錄燒杯重量,利用式(3)計算其樣品失水率。

η=(m0-mi)/m0×100%

(3)

式中,η為失水率,%;m0為初始樣品質量,g;mi為第i小時后樣品質量,g。

3 試驗結果分析

3.1 表面張力分析

表面張力是表征抑塵劑溶液潤濕性能的重要指標之一,由于氣-液面蒸發,液體表面分子比液體內部稀疏,分子間距變大,分子間相互作用表現為引力,使液面具有一定程度的抗拉伸性。抑塵劑溶液濃度直接影響著水分子表面張力被破壞程度,抑塵劑不同濃度時表面張力如圖1所示。

圖1 抑塵劑不同濃度時表面張力

由圖1可知,隨著抑塵劑溶液質量濃度的上升,表面張力呈現先下降后平穩的趨勢。當質量濃度達到0.1%時,表面張力為37.06 mN/m,繼續升高濃度,表面張力基本保持不變,表明抑塵劑溶液達到臨界膠束濃度(CMC)。這說明,若只考慮表面張力的影響,該抑塵劑溶液在使用過程中,質量濃度為0.1%左右時,保證潤濕效果較好的同時成本較低。

3.2 沉降時間分析

沉降時間是驗證抑塵劑能否有效降塵的主要標準之一。采用沉降法測定煤塵的沉降時間,沉降時間越短,則說明其潤濕效果越好。選擇曹家灘煤礦80～160 μm粒徑的煤樣進行試驗,確定最佳稀釋濃度后,對5個煤礦共15個粒徑的煤塵樣品進行驗證,抑塵劑不同濃度時沉降時間和不同煤塵粒徑的沉降時間分別如圖2、3所示。

圖2 抑塵劑不同濃度時沉降時間

由圖2可知,對于同一粒徑煤塵而言,抑塵劑溶液濃度越大,沉降所需時間越短,潤濕效果越好。當抑塵劑溶液濃度為0.1%左右時,沉降時間為18 s,繼續增加抑塵劑溶液濃度,煤塵沉降速率降幅緩慢。綜合抑塵劑溶液表面張力和沉降時間,確定抑塵劑使用濃度為0.1%。

圖3為0.1%濃度抑塵劑對不同粒徑煤塵沉降試驗結果。由圖3可知,抑塵劑溶液濃度為0.1%時,對各煤礦、較大粒徑范圍的煤塵沉降時間在4至23 s內。隨著煤塵粒徑的增大,沉降時間顯著縮短。試驗結果說明濃度為0.1%的抑塵劑溶液在具備較好潤濕作用的同時也具備較高的普適性,便于大規模工業制備和推廣。

圖3 抑塵劑0.1%質量濃度下不同煤塵粒徑的沉降時間

3.3 保濕性分析

要強化抑塵劑溶液對煤礦井下工作面抑塵效果,應具有一定的保濕性能,可以避免溶液快速蒸發后造成二次揚塵。為了增強礦用抑塵劑的保濕性能,本試驗通過改變無機鹽氯化鈣的含量,在一定程度上控制抑塵劑的保濕性。在室溫環境下,測量了6種不同氯化鈣添加含量對抑塵劑失水率的影響,依據研究經驗和試驗結果,選取如下6種濃度梯度,分別為0%、0.04%、0.06%、0.11%、0.22%和0.55%,抑塵劑在室溫下氯化鈣不同含量時失水率測量結果如圖4所示。

圖4 室溫下氯化鈣不同含量時失水率

由圖4可知,隨著抑塵劑中無機鹽氯化鈣含量的增加,被潤濕煤塵的失水率呈現先減小后增加的趨勢。當氯化鈣含量為溶質的0.11%時,在各時間段的失水率均最低,保濕效果顯著,在放置時間超過24 h后,含水率基本可維持在40%左右,被潤濕煤塵的含水率最大相差29.64%。此外,考慮到抑塵劑應用場景的高濕環境可能會對添加劑含量和失水率效果存在潛在影響,故又在高濕(濕度≥90%)環境下,對4種濃度氯化鈣含量添加劑進行了失水率試驗,試驗結果如圖5所示。

由圖5可知,高濕環境下被潤濕煤塵失水率變化與正常濕度下一致。當氯化鈣含量為溶質的0.11%時,被潤濕煤塵表現出吸濕現象,重量不減反增,3 h后潤濕煤塵的蒸發與吸濕達到平衡狀態。其余樣品在4 h后達到平衡,重量不再出現變化。綜上試驗結果考慮,抑塵劑使用濃度為0.1%,氯化鈣占溶質的最佳比重為0.11%。

4 結論

(1)隨著濃度的升高,抑塵劑溶液表面張力先減小后趨于穩定,當抑塵劑濃度為0.1%時達到臨界膠束濃度。

(2)抑塵劑濃度越高,煤塵粒徑越大,沉降所需時間越短。15種煤塵樣品所表現出的沉降效果隨時間變化的趨勢相同,在抑塵劑溶液濃度為0.1%時,煤塵沉降時間被控制在4～23 s內。

(3)隨著無機鹽氯化鈣含量升高,抑塵劑的保濕性能呈現先增強后減小。當氯化鈣含量為溶質的0.11%時,抑塵劑溶液作用于煤塵時的保濕性能最佳,在室溫高濕環境下表現出良好的吸濕性和抗蒸發性。