磁化复配表面活性剂对难浸润煤尘润湿改性的量化研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；山西省基础研究计划项目（）作者简介：张鹏莉，硕士研究生，主要研究方向为粉尘防治理论与技术。通信作者：葛少成，博士，教授，主要研究方向为粉尘防治理论与技术。：磁化复配表面活性剂对难浸润煤尘润湿改性的量化研究张鹏莉，葛少成，庞星宇，孙丽英，姚文军，陈曦，年军（太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 ）摘要：为提高矿井湿式降尘效率，以典型难浸润的阳泉无烟煤和灵石焦煤为研究对象，通过逐步回归方法对表面张力及接触角进行定量化研究，优选复配单体溶液；通过将复配实验与磁化实验相结合，得到 种煤的优选降尘配方，并通过降尘模拟实验验证磁化复配表面活性剂的降尘效果。研究结果表明：种煤尘的润湿结果均为磁化复配表面活性剂 未磁化复配溶液 单体活性剂溶液 水溶液；逐步回归模型结果表明，溶液质量分数、亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量均与表面张力呈负相关，亲水基总分子量 总分子量与表面张力呈正相关；溶液质量分数和总分子量与接触角呈负相关，疏水基碳链长度、总碳相对原子质量 总分子量、亲水基分子量 总分子量与接触角呈正相关；磁化复配表面活性剂的降尘效率最优。研究结果可为矿井降尘提供技术支撑。关键词：表面活性剂结构；复配；磁化实验；逐步回归中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言煤炭是我国重要能源资源，其开采过程中产生的粉尘容易造成环境污染并危害煤矿从业人员的健康 。目前，湿式降尘是矿井除尘的主要方法，但由于水的表面张力较大且煤尘具有疏水特性，传统的水雾降尘效率极低且容易造成资源浪费。在现有技术基础上，通过添加一定质量分数的表面活性剂或将水进行磁化，可有效提高水的表面张力，从而提高水滴对煤尘颗粒的润湿效率，进而起到降尘效果 。目前，国内外学者对煤尘润湿性开展研究。蒋海波等 通过沉降实验和表面张力测试，研究不同表面活性剂复配对煤尘润湿速度的影响。张丽颖 通过煤尘改性实验对 种表面活性剂进行优选复配，发现不同种类表面活性剂对同种煤尘的润湿能力存在差异，合适的复配表面活性剂比单体表面活性剂润湿效果更优。刘志超等 研究发现一定条件下水被磁化后，可有效提高煤尘的润湿效果。等 研究亲水元素和疏水元素对煤 水接触角的影响，发现煤中的芳香烃甲基、羟基含量是表面活性剂活性的主要影响因素。综上，现有煤尘润湿性研究主要以分析煤尘自身性质为主，针对表面活性剂结构对接触角和表面张力的定量化研究较少。鉴于此，本文实验选取中等变质程度煤尘（灵石焦煤）和高等变质程度煤尘（阳泉无烟煤），采用逐步回归模型对 种表面活性剂溶液的接触角及表面张力进行定量化研究 ，并优选出一定质量分数的单体溶液进行复配，通过对优选复配溶液进行磁化，基于降尘实验验证本文磁化复配表面活性剂溶液的降尘效果。研究结果可用于抑尘剂的快速优选，为不同变质程度煤尘降尘效果预测提供依据。实验材料与方法 实验材料煤尘的润湿性与其组成成分和化学结构相关。通过分析灵石焦煤和阳泉无烟煤煤尘的红外谱图发现，种煤尘的出峰位置基本相同，但出峰强度存在差异且各个基团的含量不同，特别是阳泉无烟煤的羟基和灰分含量更少，这说明阳泉无烟煤比灵石焦煤更难润湿。实验用水为自来水，表面活性剂为 种阴离子表面活性剂（快速渗透剂 、）和 种非离子表面活性剂（、），如表 所示。实验方法不同表面活性剂对煤尘的润湿效果不同 ，润湿效果可通过表面张力、接触角进行表征。优选单体进行复表 实验用表面活性剂 表面活性剂化学名称分子量 壬基酚聚氧乙烯醚 烷基糖苷 脂肪醇聚氧乙烯醚 快速渗透剂 （快 ）磺化玻拍酸二辛酷钠盐 失水山梨糖醇脂肪酸酯 十二烷基硫酸钠 配，然后针对优选复配溶液进行磁化耦合，并重新测量表面张力及接触角。具体实验步骤如下：）表面张力 接触角测量。种表面活性剂均配置成质量分数为 ，的溶液，每种表面活性剂各 组，共 组；采用悬滴法并利用 自动接触角 表面张力仪测量溶液接触角，取 次测量数据的平均值 。）外加磁场磁化参数确定。确定灵石焦煤和阳泉无烟煤的复配溶液后，启动多极磁化循环水装置，固定水流流速为 ，水流量为 ，分别在 ，的循环磁化处理下对水样进行 ，的磁场强度处理，测量不同磁化强度、磁化时间下的溶液表面张力及接触角。实验结果分析 表面活性剂单体优选结果分析表面活性剂对煤尘的润湿性取决于气 液表面张力以及溶液与煤尘接触角 个方面，表面张力和接触角越小，润湿性能越好 。单体表面活性剂测量结果如图 所示。随质量分数增加，种单体表面活性剂下，种煤尘的接触角均逐渐减小且减小幅度逐渐变缓。其中，快速渗透剂 与 的接触角均较小，润湿性较好，因此本文最终选择 的快速渗透剂 溶液和 的 溶液，种单体溶液对灵石焦煤的接触角分别为 ，对阳泉无烟煤的接触角分别为 ，。逐步回归分析）表面活性剂分子结构表面活性剂分子结构如图 所示，种表面活性剂结构、亲水基（图中方框内为亲水基）的亲水官能团以及疏水基中的碳链长度均不同 。）表面张力定量化研究第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术图 单体表面活性剂测试结果 图 种表面活性剂分子结构 采用 软件中的逐步线性回归分析方法，以表面张力为因变量，逐步剔除多重共线性因素，以溶液质量分数、亲水基总分子量 总分子量、亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量为自变量，分析表面活性剂结构与表面张力之间的关系，并对此线性假设进行验证。针对表面张力定量研究的逐步回归法分析结果见表 。经数据分析得到结果相关性系数 为 ，判定系数 为 ，校正后的判定系数为 。模型通过 检验（，），说明模型有效。模型公式如式（）所示：（）式中：为 表 面 张 力，；为 溶 液 质 量 分数，；为亲水基总分子量 总分子量，；为亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量，。综上，对表面张力影响程度由大到小依次为亲水基总分子量 总分子量 亲水基中总氧相对原子质量 亲表 针对表面张力定量的逐步回归法分析结果 项目回归系数标准误差标准系数 共线性统计量容差 常量 质量分数 亲水基总分子量 总分子量 亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量 水基总分子量 质量分数。从标准系数正负可知，亲水基总分子量 总分子量与表面张力呈正相关，其余自变量与表面张力呈负相关。这说明表面活性剂亲水能力取决于不同种类亲水基团内可与水中氢原子形成氢键的氧原子数目。相比表面活性剂中亲水基团种类，分子上亲水基团含量对活性剂亲水能力的影响更加显著，这中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷也是筛选表面活性剂的重要依据 。）接触角定量化研究同样采用 软件中的逐步线性回归分析方法，研究不同表面活性剂溶液对接触角的影响。由于考虑多重共线性因素，碳原子相对于氧原子的相关度更高，故最终以质量分数、总分子量、疏水基碳链长度、总碳相对原子质量 总分子量、亲水基分子量 总分子量作为自变量进行研究。针对接触角定量研究的逐步回归法分析结果见表 。经过数据分析得到结果相关性系数 为 ，表 针对接触角定量研究的逐步回归法分析结果 项目回归系数值标准误差标准系数 共线性统计量容差 常量 质量分数 总分子量 疏水基碳链长度 总碳相对原子质量 总分子量 亲水基分子量 总分子量 判定系数 为 ，校正后的判定系数为 。模型通过 检 验（，），标准化残差呈正态分布且分布情况良好，说明模型有效，具有统计学意义。模型如式（）所示：（）式中：为接触角，（）；为溶液质量分数，；为表面活性剂总分子量，；为疏水基中碳链长度；为总碳相对原子质量 总分子量，；为亲水基分子量 总分子量，。综上，对接触角影响程度由大到小依次为总分子量亲水基分子量 总分子量 总碳相对原子质量 总分子量 疏水基碳链长度 质量分数。由标准系数可知，溶液质量分数和总分子量与接触角呈负相关，疏水基碳链长度、总碳相对原子质量 总分子量、亲水基分子量 总分子量与接触角呈正相关，这是由于表面活性剂中碳原子配位数都是满的，水溶性较差，即疏水基分子量占比越高，疏水性越显著 。复配参数将质量分数为 的 溶液与质量分数为 的快速渗透剂 溶液按复配比例 ，进行复配，复配后表面张力如图 所示。由图 可知，随复配比例中快速渗透剂 比例的增加，表面张力呈减小 增加 减小的趋势 。不同复配比例下灵石焦煤和阳泉无烟煤接触角变化如图 所示。对于灵石焦煤，与快速渗透剂 溶液在复配比例为 时协同作用最强，接触角最小，为 ；对于阳泉无烟煤，当复配比例为 时协同作用最强，接触角最小，为 。这是由于阴、非离子相互作用，使得阴离子表面活性剂极性头基之间的排斥减少，更容易在溶液表面形成紧密吸附层，产生协同增效作用，但当协同过度会导致凝结沉淀，产生拮抗作用。图 不同复配比例下表面张力变化 磁化对未磁化复配溶液的影响将适用于灵石焦煤的 溶液与快速渗透剂 复配比例为 的复配溶液编号为 ，将适用于阳泉无烟煤的 溶液与快速渗透剂 复配比例为 的复配 溶 液 编 号 为 ，在 ，的磁感应强度下分别磁化 ，并测量接触角及表面张力。不同磁化强度及磁化时间对应表面张力如图 所示。随磁化时间增加，、号复配溶液表面张力在磁感第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术图 不同复配比例下 种煤样的接触角变化 应强度为 时整体下降，、号未磁化复配溶液最大降幅度分别为 和 ；随磁感应强度增加，表面张力增大并逐渐趋于稳定，当达到最大值后又开始减小。这是由于溶液流经磁化装置时受洛伦兹力影响，氢键一直在进行断裂和合成，从而促进溶液中水分子交替运动。随着氢键断裂，表面张力减小，当氢键断裂达到一定阈值时，表面张力将不再减小，并且会出现升高的趋势 。图 、号复配溶液磁化前后表面张力 不同磁化强度及磁化时间对应接触角变化如图 所示，当磁化时间为 、磁化强度为 时，号溶液接触角达到最小值，为 ，比未经磁化时接触角减小 ；当磁化时间为 、磁 化 强 度 为 时，号溶液接触角达到最小值，为 ，比未磁化时接触角减小 。实验结果说明，对溶液进行一定强度磁化后接触角明显减小，可有效提高表面活性剂活性。图 、号复配溶液磁化前后接触角变化 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷 磁化活性喷雾降尘效果模拟为验证磁化复配表面活性剂的降尘效果，构建磁化活性喷雾降尘实验模拟平台。使用 全自动粉尘测定仪进行粉尘浓度测试，采用虹吸式喷嘴 进行喷雾降尘操作，溶液选择自来水、未磁化复配溶液、磁化复配表面活性剂，在 条件下设置初始全尘浓度为 ，呼尘浓度为 。不同降尘措施的降尘效率对比如图 所示。使用磁化复配表面活性剂后，灵石焦煤的全尘降尘效率达 ，呼尘降尘效率达 ，阳泉无烟煤的全尘降尘效率达 ，呼尘降尘效率达 。图 不同降尘措施的降尘效率对比 综上可知，磁化复配表面活性剂可有效降低粉尘浓度，降尘效率较水自来水、未磁化复配溶液有显著提升，进一步验证磁化复配表面活性剂的实用性，对改善煤矿工作环境具有重要意义。结论）通过测量多种单体表面活性剂接触角及表面张力，选取最优复配单体为质量分数为 的 与质量分数为 的快速渗透剂 ，针对不同煤尘，确定 种溶液的最优复配比例为：灵石焦煤为 ，阳泉无烟煤为 。）对表面张力和接触角进行定量化逐步回归分析，发现溶液质量分数、亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量与表面张力呈负相关，亲水基总分子量 总分子量与表面张力呈正相关；溶液质量分数和总分子量与接触角呈负相关，疏水基碳链长度、总碳相对原子质量 总分子量、亲水基分子量 总分子量与接触角呈正相关。）采用磁化复配表面活性剂降尘，对灵石焦煤的全尘降尘效率达 ，呼尘降尘效率达 ；对阳泉无烟煤的全尘降尘效率达 ，呼尘降尘效率达 。参考文献 袁亮 煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想 煤炭学报，（）：，（）：葛少成，王卓颵，陈曦，等 煤矿除尘技术的研究与展望 能源与环保，（）：，（）：张超英 表面活性剂润湿煤层效果的研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：蒋海波，肖跃龙，赵妩 新型表面活性剂溶液对煤尘的润湿性能研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：张丽颖 复配润湿剂对改善煤尘润湿效果的研究 矿业安全与环保，（）：，（）：，刘志超，马赛，宋稳亚 磁化水喷雾除尘效率研究 矿业安全与环保，（）：，（）：，：，第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 ，：王建国，张超鹏，王延秋 基于多元回归及路径分析的煤尘沉降效果定量模型研究 煤矿安全，（）：，（）：，：，：刘硕 矿井喷雾降尘表面活性剂作用机理的分子模 拟 研 究 太原：太原理工大学，刘慧慧 多层状粘土矿物改性用于重金属离子和染料吸附研究 西安：西北大学，王薇 聚酯织物的聚氨酯 明胶涂层及其生物相容性研究 青岛：青岛大学，（）：王成凤 活性磁化水研制及喷雾除尘降温性能研究 青岛：青岛理工大学，张天，荆德吉，葛少成，等 超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术 煤炭学报，（）：，（）：（责任编辑：张伟丽檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）中国安科院五项目获得国家自然科学基金项目资助 年 月 日，国家自然科学基金委员会公布了 年集中接收申请项目的评审结果，中国安科院 项目获得资助，包括 项面上项目和 项青年科学基金项目。安全生产风险监测预警中心池明波主持的“矿山工程坝体损伤演化机理及风险预警模型研究”、交通安全研究所任飞主持的“环境风振荡条件下水域长大坡度隧道火灾烟流规律及控制方法研究”、职业危害研究所李小川主持的“喷雾液滴荷电与表面活化联合增强微细矿尘净化的机理研究”项目获得面上项目资助。交通安全研究所井静云主持的“具有可重复火灾预警性能的复合气凝胶优化设计及火安全性能机理研究”和韩松主持的“复杂堆叠应急救援物资的视觉拣选位姿估计及次序判定方法研究”获得青年科学基金项目资助。近年来，中国安科院高度重视基金的培育和申报工作，持续拓宽基础研究申报渠道，不断提升基金申报质量，组织专题培训讲座、邀请院内外专家辅导、开展多轮评阅论证，为科研人员申报基金项目提供有效支持和可靠保障。今后，中国安科院将继续探索科学有效的科技创新机制，激发科研人员创新活力，提前部署，有序推进，加强有组织的科研攻关，进一步提升基础研究水平和自主创新能力。信息来源：中国安科院网站中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷