鼠李糖脂潤濕煤塵表面特性研究

王林芝，郝晉輝，宋軍，周錦文，高志宏，李琪，劉慧軍，李兆森

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西呂梁 033300）

0 引言

基于資源消耗與環(huán)境保護(hù)的雙重約束，習(xí)近平書記在關(guān)于能源革命的重要論述中指出：要堅(jiān)持以人民為中心的價(jià)值取向，切實(shí)提升能源產(chǎn)業(yè)的多元化、生態(tài)化水平[1]。立足于我國多煤、少油、貧氣的基本國情，煤炭仍將長期占據(jù)我國能源市場的主體地位，因此如何推進(jìn)煤炭開采行業(yè)清潔生產(chǎn)成為煤企關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

煤塵作為煤礦開采的主要污染源，對其進(jìn)行高效降塵是治理井下作業(yè)環(huán)境的核心[3]，化學(xué)抑塵作為煤塵控制的重要方法之一，因其良好的降塵性能在煤塵治理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。王凱[5]等研究了化學(xué)表面活性劑SDBS、Triton X-100 及無機(jī)鹽對煤塵潤濕性的影響；林明磊[6]等探究了陰、非離子型表面活性劑復(fù)合對疏水煤體的協(xié)同效應(yīng)；相海濤[7]等分析了AEO-9 及NP-10 化學(xué)表面活性影響無煙煤潤濕性的因素；趙璐[8]等通過對比不同類型表面活性劑潤濕低階煤的效果，篩選了適用于低階煤的抑塵劑。然而傳統(tǒng)抑塵劑的原料大多為石化材料制備的合成表面活性劑[9]，往往具有生物毒性和低生物降解性，不符合綠色除塵的初衷。

目前新型抑塵劑逐漸向環(huán)保、高效、無二次污染方向發(fā)展[4]。鼠李糖脂作為已工業(yè)化的經(jīng)微生物發(fā)酵提取的生物類表面活性劑，具備優(yōu)良的化學(xué)和生物特性，無毒無害且可生物降解，在能夠有效降低水的表面張力充當(dāng)潤濕劑的同時(shí)，兼具環(huán)境修復(fù)效果[10]。本文將以表面張力、接觸角、沉降時(shí)間為評價(jià)指標(biāo)，衡量鼠李糖脂對煤塵的潤濕性能，確定鼠李糖脂溶液的最佳潤濕濃度，并結(jié)合傅里葉紅外光譜試驗(yàn)，分析鼠李糖脂對煤塵微觀結(jié)構(gòu)特性的影響，最終通過噴霧降塵試驗(yàn)計(jì)算鼠李糖脂的降塵效率，試驗(yàn)結(jié)果可為生物型表面活性劑在降塵領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)儀器及方案

1.1 煤樣及試劑

試驗(yàn)所用煤樣來自雙柳煤礦，為低中灰、特低硫和高熱值的焦煤。將球磨機(jī)碾磨粉碎后得到的煤粉放入200 目的篩格進(jìn)行篩分，烘干備用，所得煤樣可作為本次試驗(yàn)所用樣品。試驗(yàn)選用的鼠李糖脂選自上海麥克林生化科技股份有限公司，純度≥95%，將其按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.005%、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%、0.2%配置成8 種不同濃度的試劑，貼上標(biāo)簽以作區(qū)別。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 表面張力測定

將8 種不同質(zhì)量濃度的鼠李糖脂溶液經(jīng)磁力攪拌器攪拌均勻后，采用HTYZL-H 型全自動(dòng)表面張力儀，按照GB6541-86《石油產(chǎn)品油對水界面張力測定法》[11]（圓環(huán)法） 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表面張力測定，測定溫度為25 ℃，每組試劑重復(fù)測試3 次取平均。

1.2.2 接觸角測定

采用壓片機(jī)將煤粉加壓至20 MPa，保持2 min，壓制成厚度均勻的圓形薄片進(jìn)行接觸角試驗(yàn)。使用東莞市晟鼎精密儀器有限公司生產(chǎn)的SDC-350型接觸角測量儀測量不同質(zhì)量濃度下鼠李糖脂溶液與煤片的接觸角，每組試劑重復(fù)測試3 次取平均，試驗(yàn)流程如圖1 ～圖2 所示。

圖1 表面張力試驗(yàn)Fig.1 Surface tension test

圖2 接觸角試驗(yàn)Fig.2 Contact angle test

1.2.3 沉降時(shí)間測定

根據(jù)《礦用降塵劑性能測定方法》[12]（MT506-1996） 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沉降時(shí)間測定，按照標(biāo)準(zhǔn)沉降測試示意圖搭建煤塵沉降時(shí)間測試裝置，儀器如圖3 所示。稱取30 mL 不同濃度的鼠李糖脂溶液至燒杯，稱取50 mg 的煤粉使其從漏斗中下落至濾紙中心，通過調(diào)節(jié)升降臺的高度，使載有溶液的燒杯與煤塵接觸，記錄濾紙與溶液開始接觸直至煤粉全部浸沒在溶液中所需的時(shí)間為煤塵沉降時(shí)間，每組試劑重復(fù)測試3 次取平均。

圖3 沉降時(shí)間測試裝置Fig.3 Settlement time test device

1.2.4 傅里葉紅外光譜試驗(yàn)

試驗(yàn)采用布魯克傅里葉紅外變換光譜儀（德國），通過對比鼠李糖脂溶液浸泡前后煤塵表面官能團(tuán)的變化，分析影響煤塵潤濕性變化的因素如圖4 所示。采用空白KBr 片進(jìn)行背景采集，以1∶100 的質(zhì)量比將煤樣與KBr 均勻混合，研磨干燥后使用壓片機(jī)壓制成透明薄片，置于紅外光譜儀樣品倉進(jìn)行透射測試，掃描范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)設(shè)置32 次。

圖4 紅外光譜測定Fig.4 Infrared spectrometry

1.2.5 噴霧降塵試驗(yàn)

2)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示最大位移大概位于開挖深度為8 m左右，模擬顯示最大位移出現(xiàn)在12 m左右，這與模擬土層的劃分情況、現(xiàn)場施工操作和基坑模型考慮的深度也比現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)段深2 m左右可能都有一定關(guān)系.

自行設(shè)計(jì)搭建礦井模擬巷道進(jìn)行噴霧降塵試驗(yàn)，如圖5 所示。試驗(yàn)過程中煤塵由粉塵發(fā)生器在0.5 m/s 風(fēng)速下（《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采煤工作面風(fēng)速范圍為0.25～4 m/s），以一定的進(jìn)給速度均勻噴入框體，經(jīng)粉塵測定儀定時(shí)檢測框體內(nèi)煤塵濃度，其工作原理如圖6 所示。

圖5 模擬巷道平臺搭建Fig.5 Simulation roadway platform construction

圖6 模擬巷道工作原理圖Fig.6 Simulation roadway working principle diagram

通過對比噴灑鼠李糖脂溶液前后框體內(nèi)的全塵濃度、呼塵濃度，計(jì)算降塵效率，并設(shè)置清水噴灑作為對照試驗(yàn)，重復(fù)測量3 次取平均。

降塵效率計(jì)算公式如下：

式中：η 為降塵效率；C1為降塵前空氣煤塵濃度；C2為降塵后空氣煤塵濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鼠李糖脂溶液表面性能分析

表面張力是一種液體分子間自發(fā)的，有使表面收縮趨勢的力，其值大小與溶液性質(zhì)有關(guān)，表面張力越小，液體潤濕煤塵的能力越強(qiáng)。不同質(zhì)量濃度下鼠李糖脂溶液的表面張力如圖7 所示，當(dāng)鼠李糖脂濃度從0.005%增加到0.200%時(shí)，表面張力從56.70 mN/m 降低到29.14 mN/m，同比水的表面張力最大下降了60.69%（當(dāng)?shù)厮谋砻鎻埩?3.74 mN/m），表明鼠李糖脂能夠有效降低水的表面張力，具有用作煤塵抑塵劑的基本性能。質(zhì)量濃度達(dá)到0.04%后，鼠李糖脂溶液的表面張力值起伏變化不大。

圖7 鼠李糖脂溶液表面張力變化曲線Fig.7 Surface tension change diagram of rhamnolipid solution

2.2 鼠李糖脂溶液潤濕性能分析

2.2.1 接觸角分析

煤塵的潤濕性通常通過溶液滴落后與煤塵表面形成的夾角來進(jìn)行表征，即接觸角可以反映溶液潤濕煤塵的能力。圖8 為不同質(zhì)量濃度下鼠李糖脂溶液滴落煤塵表面所形成的接觸角。由圖可知，鼠李糖脂溶液在煤塵表面越舒展，則接觸角值越小，煤塵越容易被浸潤。

圖8 煤塵表面鼠李糖脂液滴示意Fig.8 Schematic diagram of rhamnolipid droplets on coal dust surface

不同質(zhì)量濃度下鼠李糖脂溶液在煤塵表面的接觸角變化如圖9 所示，當(dāng)鼠李糖脂濃度從0.005%增加到0.200%時(shí)，接觸角值從60.40°降低到28.29°，同比水的接觸角最大下降了56.33%（當(dāng)?shù)厮慕佑|角值為64.78°）。質(zhì)量濃度達(dá)到0.04%后，接觸角值起伏變化不大，與表面張力的變化規(guī)律一致。

圖9 鼠李糖脂溶液接觸角變化曲線Fig.9 Contact angle diagram of rhamnolipid solution

2.2.2 沉降時(shí)間分析

根據(jù)沉降煤塵質(zhì)量、煤塵完全浸沒于鼠李糖脂溶液中的沉降時(shí)間可計(jì)算得到沉降速度。不同質(zhì)量濃度下煤塵在鼠李糖脂溶液中的沉降情況如圖10所示，隨著質(zhì)量濃度上升，煤塵沉降時(shí)間變短，沉降速度提高，表明鼠李糖脂溶液對煤塵的潤濕能力增強(qiáng)。在達(dá)到0.04%～0.06%濃度后，變化逐漸趨于平緩，結(jié)合表面性能與潤濕性能分析，從經(jīng)濟(jì)成本考慮，確定鼠李糖脂的最佳潤濕濃度為0.04%。

圖10 煤塵沉降情況變化Fig.10 Variation diagram of coal dust deposition

2.3 鼠李糖脂對煤官能團(tuán)特性的影響

煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)是影響煤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因素，通過對比官能團(tuán)種類及含量的變化，可以在微觀結(jié)構(gòu)上揭示鼠李糖脂溶液對煤塵的改性機(jī)理。圖11為鼠李糖脂溶液與清水改性后煤塵的紅外光譜圖，譜圖中峰的位置及峰的強(qiáng)度代表不同官能團(tuán)的種類及含量。由圖11 可知，鼠李糖脂溶液及清水改性后煤塵的特征吸收峰基本不變（清水改性曲線中2340 cm-1處的小峰為空氣中CO2干擾峰），但峰強(qiáng)發(fā)生了明顯變化。據(jù)圖11 顯示，峰強(qiáng)變化主要集中在3000～3600 cm-1的羥基結(jié)構(gòu)特征吸收峰及1000～1800 cm-1的含氧官能團(tuán)特征吸收峰。

圖11 改性煤塵紅外光譜圖Fig.11 Infrared spectrogram of modified coal dust

3412 cm-1處為分子間氫鍵O-H 的伸縮振動(dòng)，鼠李糖脂溶液改性后煤塵在此處的峰強(qiáng)明顯強(qiáng)于清水，說明鼠李糖脂結(jié)構(gòu)中存在的強(qiáng)極性羥基能夠促進(jìn)煤與水分子間氫鍵的形成，從而增強(qiáng)水分子在煤塵表面的吸附，提高煤塵表面親水性。3041、1600 、1435 cm-1處為芳環(huán)C=C 骨架振動(dòng)，對比鼠李糖脂溶液與清水改性后形成的峰強(qiáng)，說明鼠李糖脂的加入加劇了煤塵分子的振動(dòng)頻率，1030 cm-1處則可能為煤塵中Si-O-Si 官能團(tuán)或存在的醚鍵形成的吸收峰。

紅外譜圖的分析結(jié)果解釋了鼠李糖脂溶液與清水潤濕煤塵性能差異的原因。

2.4 鼠李糖脂溶液降塵性能分析

降塵效率的測定可以直觀反映溶液的抑塵效果，表1 為噴灑鼠李糖脂溶液前后與噴灑清水前后煤塵的濃度變化。

表1 降塵效率測量結(jié)果Table 1 Dust removal efficiency measurement results

表1 中，降塵前框體內(nèi)的初始全塵濃度基本穩(wěn)定在660 mg/m3，初始呼塵濃度穩(wěn)定在399 mg/m3，噴灑鼠李糖脂溶液后，全塵濃度降低至137.84 mg/m3，呼塵濃度降低至100.07 mg/m3，全塵、呼塵降塵效率分別達(dá)到79.11%，74.93%，同比清水的全塵、呼塵降塵效率分別增長了41.5%、42.48%，抑塵效果顯著。該測定結(jié)果一定程度上可以反應(yīng)鼠李糖脂溶液的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

（1） 由表面性能分析、潤濕性能分析證明生物表面活性劑—鼠李糖脂具有用作煤塵抑塵劑的基本性能，且通過對比不同質(zhì)量濃度下鼠李糖脂溶液的表面張力、接觸角及沉降時(shí)間，綜合成本因素，確定其最佳潤濕濃度為0.04%。

（2） 對比鼠李糖脂溶液與清水改性后煤塵的紅外譜圖，確定鼠李糖脂影響煤體微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于分子中存在的含氧基團(tuán)及羥基。

（3） 通過搭建模擬巷道進(jìn)行降塵效率測定，計(jì)算得出噴灑鼠李糖脂溶液的全塵降塵效率為79.11%，呼塵降塵效率為74.93%。