1、第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：廖茂林，江丙友，张潇仪，等 煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿性的影响研究中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿性的影响研究廖茂林，江丙友，教授，张潇仪，陶文翰，计 犇，（安徽理工大学 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心，安徽 淮南；工业粉尘防控与职业安全健康教育部重点实验室，安徽 淮南；安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南）中图分类号：文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金资助（）；安徽高校协同创新项目（）；煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心（安徽理工大学）开放基金资助（，）；安
2、徽省学术和技术带头人后备人选学术科研活动资助项目（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为明确煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿能力的影响，以径长范围为小于、的 种红柳煤样为研究对象，开展沉降试验。选取十二烷基硫酸钠（）、脂肪酸甲酯乙氧基化物磺酸盐（）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（）、异辛醇聚氧乙烯醚（）和辛癸基葡糖苷（）种表面活性剂，将其以质量比 两两复配成 种复配组合，分别对单体和复配溶液作沉降试验，探究不同粒径煤尘在复配溶液和组成它们的表面活性剂单体溶液中的沉降速度变化特征。结果表明：煤尘粒径不会影响表面活性剂之间的协同润湿作用，但会影响表面活性剂之间的协同润湿程度；不同复配组合
3、之间的润湿能力强弱不因煤尘粒径改变而变化；相较小粒径煤尘，复配溶液质量分数提高对大粒径煤尘润湿能力的提升更为明显；与 复配组合对不同粒径煤尘均有很好的润湿效果，通过表面活性剂处理前后煤样的红外光谱分析推测，与 能够协同提高煤尘的润湿性。【关键词】表面活性剂；复配溶液；润湿；粒径；煤尘；沉降速度 ，（，；，；，）：第 期廖茂林等：煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿性的影响研究，（），（），（），（）（），：，：；引 言 煤尘是矿井 大灾害之一，高浓度的粉尘不仅有爆炸的风险，还可能导致矿工患上肺部疾病。我国煤炭领域每年因患尘肺病而死亡的人数远高于安全生产事故死亡人数，因此，降低煤炭开采过程中的粉尘浓
4、度对保障矿井安全生产和矿工身体健康意义重大。由于煤矿井下生产的特殊性，湿式降尘技术被广泛应用于煤炭生产中。然而，由于水的表面张力较大和煤表面的疏水性质，煤尘不易被水润湿。国内外学者通过大量研究证明：在水中添加表面活性剂能够提高湿式除尘技术的除尘效率。表面活性剂单体溶液往往需要高浓度时才能高效除尘，而复配型表面活性剂能以较低浓度高效除尘。等开展表面张力、接触角和煤尘沉降试验，发现脂肪酸甲酯乙氧基化磺酸盐与椰子二乙醇酰胺复配最适合润湿鄂尔多斯煤矿烟煤煤尘，且通过现场试验，证实质量分数为.的此复配溶液抑尘效率大于。由于不同煤矿煤的组分和变质程度有所不同，所以即使是一种对某煤矿煤尘润湿性极强的复配型表
5、面活性剂也无法适用于所有煤矿，为此，学者们需要根据新煤矿煤尘的性质研制出新的复配型表面活性剂。而对于同一煤矿的煤尘，粒径是影响其润湿性最显著的因素之一。等研究发现，随粒径减小，煤尘润湿性随之下降，可能是由于煤尘亲水性含氧官能团的数量下降，内部孔隙的平均直径减小导致。可以看出，学者们注重为新的煤矿研发出新的复配型表面活性剂，而对复配型表面活性剂对不同粒径煤尘润湿特性的影响研究较少。因此，笔者拟以宁夏灵武红柳煤矿 种粒径的煤尘为研究对象，通过对 种表面活性剂进行复配，找出具有协同润湿效果的复配型表面活性剂，测试不同粒径煤尘在表面活性剂复配溶液中的沉降时间，探究复配溶液对不同粒径煤尘润湿特性的影响特
6、征，以期为复配型表面活性剂的实际应用提供理论指导。试验材料和试验方法.表面活性剂的选择 相较阳离子和两性表面活性剂，非离子和阴离子表面活性剂的降尘效果更优，在煤矿中应用更广泛。因此，在查阅文献的基础上优选 种经济且无毒的表面活性剂。分别为十二烷基硫酸钠（，）、脂肪酸甲酯乙氧基化物 磺 酸 盐（，）和 脂 肪 醇 聚 氧 乙 烯 醚 硫 酸 钠（，）种阴离子表面活性剂，异辛醇聚氧乙烯醚（，）和辛癸基葡糖苷（，）种非离子表面活性剂。中国安全科学学报第卷年.煤样的制备.原煤煤样的制备 选取红柳煤矿的烟煤作为研究对象，严格按中国国家标准商品煤样人工采取方法（）进行采样，将煤样破碎后通过标准筛筛分，分别
7、选取小于、粒径的煤样，并记为、号煤样。.红外光谱试验所需煤样的制备把在质量分数为.的、与 复配溶液中沉降的同一粒径煤样分别通过滤纸过滤取出，再把处理后的煤样和同一粒径原煤煤样放置于 的鼓风干燥箱内干燥 后取出，密封在干燥袋中备用。.试验方法.同一粒径煤样沉降试验 依据矿用降尘剂性能测定方法（），将 种单一表面活性剂以质量比 两两复配，得到 种复配组合。并把 种表面活性剂单体和 种复配组合配制成 种不同质量分数的溶液。每次称取 的 号煤样。选择 烧杯，用秒表记录煤尘从开始触碰液面到全部沉入 溶液液面以下所需要的时间。煤尘质量除以沉降时间即是煤尘沉降速度。超过 未完成沉降即认为不沉降，沉降速度为。
8、.不同粒径煤样沉降对比试验 将优选出的 种复配组合和组成它们的表面活性剂单体配制成 种不同质量分数的溶液。以相同的沉降试验方法测量 种不同粒径煤样在溶液中的沉降时间，计算煤尘沉降速度。.红外测试 将干燥后的几种煤样，分别与溴化钾以 的质量比混合研磨均匀后，通过压片机压制成透明薄片。把含薄片的模具固定在布鲁克傅里叶变换红外光谱仪的样品室中进行测试，其参数如下：波数范围为 ，扫描分辨率为 ，扫描次数为 次。试验结果与分析.号煤样沉降试验结果 号煤样在溶液中的沉降速度曲线如图 所示。图 号煤样沉降速度在单体和复配溶液中的变化曲线 第 期廖茂林等：煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿性的影响研究 由图 可
9、知：高质量分数时，非离子表面活性剂、有很好的润湿效果，但从经济上考虑，显然无法应用于现场。为此，希望通过复配找到低质量分数时也具有极强润湿效果的组合。即低质量分数时，种表面活性剂混合能够产生“”的润湿效果。但由图 可知：复配组合的润湿能力并非都强于单体表面活性剂。质量质量分数为.时，与 复配组合有明显的拮抗作用。由图、图 可知：质量分数在一定范围内，一些复配组合有比组成它们的单体表面活性剂更好的润湿能力。其中，与、与 组合，种复配组合质量分数为.时，润湿能力远强于单体表面活性剂（与 之间存在弱协同润湿作用，但其润湿煤尘速度不能明显快于 单体，故不在图 中详细比较）。这是因为阴离子表面活性剂吸附
10、层中离子基团之间会因静电排斥作用而无法紧密排列，而 为聚乙烯氧化物，聚乙烯氧化物与水具有很强的氢键亲和力，分子上有醇羟基，醇羟基与水分子之间存在强相互作用，此 种非离子表面活性剂与水均具有很强的氢键亲和性，因此，、的分子基团可以填补阴离子表面活性剂离子基团吸附层的空隙。且、分子中的疏水尾巴可与阴离子表面活性剂分子中的疏水尾巴相结合，降低因阴离子表面活性剂亲水头吸附在煤的亲水位点而导致的润湿性损失，如图 所示。图 煤尘在阴离子和复配溶液中的沉降 .不同粒径煤尘的沉降试验结果 为分析煤尘粒径如何影响具有良好协同作用的复配型表面活性剂润湿能力，试验得到 种不同粒径煤尘在 种复配溶液和在组成它们的单体
11、溶液中的沉降速度，如图 所示。图 不同粒径煤尘在复配溶液中沉降试验结果 中国安全科学学报第卷年 由图 可知：不同粒径煤尘在表面活性剂溶液中的沉降速度不同，同种溶液更易润湿大粒径煤尘，这可能是因为小粒径煤尘相较大粒径煤尘，煤尘亲水性含氧官能团更少，润湿能力更差。由图 图 可知：质量分数为.时，与、与 种复配组合对 种不同粒径煤尘均有协同润湿效果。可知：表面活性剂之间的协同润湿作用不因煤尘粒径的改变而改变，这是由于粒径改变不会影响煤尘表面的主要官能团结构，进而影响 种表面活性剂在煤尘表面的协同吸附。不过表面活性剂之间的协同润湿程度会因煤尘粒径的变化而变化。如质量分数为.时，号煤样在 与 复配溶液中
12、的沉降速度是 溶液的.倍，号煤样在 与 复配溶液中的沉降速度是 溶液的.倍。这可能是由于粒径不同，煤尘表面主要官能团比例发生变化，进而一定程度上影响了表面活性剂对煤尘表面的协同润湿作用。如粒径变小，煤尘表面含氧官能团减小，影响复配组合中 中醚氧单元与煤尘表面羟基形成氢键，会抑制一部分的 在煤尘表面吸附；同时，煤尘疏水基团比例提高，在疏水相互作用下，能够促进复配组合中 疏水基与煤尘疏水位点的聚集吸附，的吸附能力有所提高。所以随粒径改变，煤尘在复配溶液中沉降速度与在单体溶液中的比值发生变化。由图 可知：不同复配组合之间的润湿效果强弱不随煤尘粒径变化而变化。与 复配组合对 种粒径煤样的润湿能力均强于
13、 与 复配组合。考虑到经济因素，煤矿综采工作面使用的喷雾添加剂质量分数不易过高，选择质量质量分数为.左右的 与 复配溶液作为红柳煤矿的喷雾药剂，能以较低成本高效除尘。.不同粒径煤尘的沉降速度特征分析 为进一步分析粒径对复配溶液润湿速度的影响，选择对 种粒径煤尘都有良好润湿效果的 与 复配组合作为材料，测量 种粒径煤尘在溶液质量分数为.时的沉降速度，如图 所示。并对图 中的 组数据进行非线性拟合，拟合关系式见表。由图 可知：煤尘在复配溶液中的沉降速度随质量分数增加而提高，最后趋于稳定。这是由于低质量分数时，质量分数增加溶液液面表面活性剂增加，从而表面活性剂在煤尘表面吸附量增加，溶液润湿能力有效提
14、高。而高质量分数时，表面活性剂在 图 种粒径煤样在复配溶液中的沉降速度 表 沉降速度和质量分数的拟合关系式 煤样拟合关系式 号煤样.号煤样.号煤样.注：为相关度，越接近 拟合误差越小。煤尘表面吸附量趋于饱和，质量分数再升高无法有效改善溶液的润湿效果。由表 可知：沉降速度和质量分数的拟合关系式如下：（）式中：为沉降速度，；、为常数；为质量质量分数，。、号煤样对应的拟合关系式中 分别为.、.、.。随粒径增大，对数函数前的系数不断增加。说明相对于小粒径煤尘，质量分数提高，复配溶液对大粒径煤尘润湿效果的增强更为明显。可以推测，利用复配型表面活性剂溶液降低煤矿细小粉尘质量分数，仅提高质量分数无法高效除尘
15、，选择合适的复配组合更为经济有效。.煤样的红外光谱分析 由第.节知：与 复配组合对不同粒径煤尘均有优异的协同润湿表现，为探究其原因，分别测试原煤、质量分数为.的、溶液处理后煤样的红外光谱，如图 所示。煤表面主要由芳香烃、脂肪烃、含氧官能团和一些无机矿物基团组成。绝大数是如烃链和芳香环这样的疏水基团，但也存在小部分亲水位点，主要有羟基、羧基、羰基等含氧官能团和矿物基团。煤的润湿第 期廖茂林等：煤尘粒径对表面活性剂复配溶液润湿性的影响研究 图 原煤和润湿后煤的红外光谱 性主要取决于这些亲水性和疏水性官能团。亲水性官能团的吸收区主要包括 （区），疏水性官能团主要包括 （区）和（区），以及部分疏水基团
16、和大量亲水官能团共存的吸收区 （区）。由图 可知：原煤与表面活性剂润湿后的煤样光谱峰形相似。光谱中的主要光谱峰没有受到影响，表明表面活性剂不改变煤的官能团结构，但影响了煤的官能团相对含量。为进一步分析煤样官能团含量变化，采用 软件对 个区域进行分峰拟合，各区域吸收峰面积通过峰拟合法计算。图 为 与 复配溶液润湿后煤样 区的吸收峰的峰拟合结果。表 为煤尘表面主要官能团占比。图 复配溶液润湿后煤尘的羟基振动区红外光谱拟合 表 原煤与处理后煤的主要官能团比例 红外光谱波数范围 原煤 处理 处理 处理峰面积比例 峰面积比例 峰面积比例 峰面积比例 .与原煤相比，表面活性剂处理后的煤样羟基的比例均有所提高。普遍认为，煤尘表面羟基的含量对其亲水性有积极影响，而区域 属于羟基（含氢键）的拉伸振动区。相较原煤，润湿的煤尘羟基比例增加了.，这是由于强疏水相互作用，上的脂肪链在煤尘表面的疏水位点聚集吸附，煤尘表面疏水位点被 所遮蔽，疏水基团数量减少，羟基比例因此增大。润湿煤尘后，羟基（含氢键）比例增加.，这可能是因为 含有的醚氧单元与煤表面羟基形成氢键，羟基（含氢键）数量增加。与 复配组合对煤尘羟基比例的
