3.2表面活性劑潤濕低階煤煤塵的作用

通過煤塵在表面活性劑溶液中靜態(tài)沉降實(shí)驗(yàn)可以直觀反應(yīng)表面活性劑對煤塵的潤濕效果。01 g煤塵在50 mL表面活性劑溶液樣品中的沉降時(shí)間見表3，將沉降時(shí)間換算成沉降速率的結(jié)果如圖3所示。煤塵在自來水中的沉降實(shí)驗(yàn)時(shí)間超過1 h。

3.2.1表面活性劑濃度對潤濕煤塵作用的影響

從表4和圖3可以看到，在0.000 1～1 g/L的濃度范圍內(nèi)，煤塵的沉降時(shí)間隨表面活性劑濃度的增大而減小，沉降速率則隨濃度的增大而增大。當(dāng)濃度小于0.005 g/L時(shí)，煤塵在8種表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間均大于1 h，沉降速率接近于0，在溶液表面會(huì)形成一層黑色的“膜”，煤塵無法沉降。隨著表面活性劑溶液濃度增大，煤塵的沉降時(shí)間將會(huì)縮短，速率會(huì)增大，當(dāng)濃度超過臨界膠束濃度后，溶液表面張力隨濃度增加不再改變，但沉降時(shí)間會(huì)繼續(xù)縮短，沉降速率會(huì)繼續(xù)增大，這可能是由于煙煤的煤塵具有較大的比表面積和孔隙率，表面活性劑濃度的增大，更多的表面活性劑分子有機(jī)會(huì)吸附于煤塵上，加快了煤塵沉降。陰離子和非離子表面活性劑的溶液濃度對潤濕煤塵作用的影響較大，當(dāng)表面活性劑濃度從0.1 g/L增大到0.2 g/L時(shí)，煤塵在SDBS和JFC中的沉降時(shí)間分別從58.17 min和22.75 min迅速降至7.3 min和4.73 min;當(dāng)表面活性劑濃度從0.005 g/L增大到0.05 g/L時(shí)，煤塵在AOT和APG的沉降速率分別從0002 2 g/min和0.002 5 g/min迅速增至005 g/min和0.33 g/min。而在0.000 1～1.0 g/L的實(shí)驗(yàn)濃度區(qū)間內(nèi)，濃度對陽離子和兩性型表面活性劑潤濕煤塵作用的影響都較小，潤濕煤塵效果較差。SDBS，AOT，APG和JFC4種表面活性劑濃度分別達(dá)到0.5，0.1，0.02和0.5 g/L時(shí)，煤塵在溶液中的沉降時(shí)間小于1 min，速率大于1.0 g/min，煤塵效果好。

表4煤塵在表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間

3.2.2表面活性劑性質(zhì)對潤濕煤塵作用的影響

由表4和圖3可以看到，當(dāng)濃度為0.1 g/L時(shí)，煤塵在AOT和APG溶液中的沉降時(shí)間不到1 min，而在陽離子和兩性型表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間超過1 h。在同一濃度下，煤塵在不同表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間相差較大，表面活性劑自身性質(zhì)影響潤濕煤塵的作用。當(dāng)濃度增大到各表面活性劑的臨界膠束濃度附近時(shí)，煤塵在陰離子和非離子表面活性劑中的沉降時(shí)間會(huì)急劇下降，縮短至5 min之內(nèi)，但在陽離子和兩性型表面活性劑中沉降時(shí)間依然大于1 h。總體而言，8種表面活性劑潤濕煤塵的能力由強(qiáng)到弱依次排序?yàn)椋篈PG>AOT>JFC>SDBS>OA-12>BS-12>1631>CTAB，這與表面活性劑降低表面張力的能力排序基本一致。陽離子表面活性劑潤濕煤塵效果最差，主要是因?yàn)橛H水頭基的正電荷與煤塵所帶負(fù)電荷之間的靜電力大于疏水基團(tuán)之間的范德華力，形成了親水基團(tuán)朝向煤塵表面、疏水基團(tuán)朝向水的單分子膜，不利于潤濕。APG潤濕煤塵效果最好主要與其自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，APG分子結(jié)構(gòu)碳原子上的醇羥基與水分子之間存在強(qiáng)烈相互作用，間接弱化了烷基糖苷分子結(jié)構(gòu)中親水基團(tuán)與煙煤表面含氧親水官能團(tuán)之間的吸附作用，更有利于疏水基團(tuán)與煤塵表面的疏水基團(tuán)發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，以親水頭基伸向溶液，疏水尾部吸附在煤塵上的方式排列，降低了溶液及固-液界面張力，增加了煤塵親水性。APG濃度達(dá)到0.02 g/L時(shí)，煤塵沉降時(shí)間僅為057 min，沉降速率為0.18 g/min，潤濕煤塵效果良好，當(dāng)濃度繼續(xù)增大，潤濕煤塵作用變化不大，綜合考慮成本及效率后，選擇濃度為0.02 g/L的APG作為低階煤用噴霧抑塵法的添加劑。

3.3添加劑潤濕煤塵的作用機(jī)理

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，在8種表面活性劑中，非離子表面活性劑APG形成膠束和降低表面張力的能力最強(qiáng)，潤濕煤塵效果最好。通過測定APG浸泡前后煤塵表面官能團(tuán)及粒徑分布特征的變化，分析其潤濕煤塵的作用機(jī)理。

利用紅外光譜儀獲得添加劑浸泡前后煤塵的紅外光譜。

可以看到，經(jīng)APG浸泡過的煤塵光譜圖中吸收峰出現(xiàn)位置和所對應(yīng)的官能團(tuán)與原煤煤塵基本一致，但吸收峰的峰強(qiáng)發(fā)生明顯變化，說明表面活性劑在煤塵表面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的吸附作用。浸泡后煤塵在2 920 cm-1和2 850 cm-1處對應(yīng)的—CH3和—CH2伸縮振動(dòng)峰增強(qiáng)，證明了APG的長鏈烷基通過疏水作用與煤塵發(fā)生吸附。此外，煤塵1 601 cm-1處對應(yīng)的CC骨架特征峰的增強(qiáng)可能是APG吸附在煤塵后其環(huán)狀結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。APG與煤塵發(fā)生吸附后，更多的親水基團(tuán)包裹在煤塵表面，3 400 cm-1左右出現(xiàn)的羥基的吸收峰在浸泡后明顯增強(qiáng)，說明煤塵表面羥基更多，因此更易被潤濕。還可以看到，浸泡后的煤塵在3 678 cm-1和3 622 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰說明分子間形成了締合氫鍵，有利于煤塵在濕潤環(huán)境下發(fā)生團(tuán)聚（圖4）。可見，煤塵進(jìn)入APG后會(huì)與表面活性劑分子之間發(fā)生強(qiáng)烈的吸附作用，增加煤塵表面的親水官能團(tuán)數(shù)量，并生成分子間締合氫鍵。

利用激光粒度分析儀測定浸泡前后煤塵粒度分布特征變化，研究親水官能團(tuán)的增加及締合氫鍵的形成對粒徑的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，經(jīng)APG浸泡后煤塵粒徑增大。原煤煤塵的平均粒徑為22.62μm，經(jīng)APG浸泡后增大到3518μm。浸泡前煤塵的粒徑分布不均勻，粒徑眾數(shù)為48.41μm，浸泡后煤塵粒徑的均一性增強(qiáng)，呈較典型的正態(tài)分布，粒徑眾數(shù)也增大至76.51μm。這說明煤塵表面親水官能團(tuán)的增加和分子間締合氫鍵的形成，促使煤塵之間發(fā)生了團(tuán)聚作用，使原本無法發(fā)生重力沉降的“小粒徑”煤塵變成了能夠發(fā)生重力沉降的“大粒徑”顆粒，加快了沉降速率，縮短了沉降時(shí)間，與煤塵沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

4結(jié)論

1）對實(shí)驗(yàn)用的煙煤煤樣的物理及化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明該該煤樣中可吸入塵占比高，對礦工職業(yè)健康安全危害較大。灰分及水分含量較低，揮發(fā)分含量較高，煤化程度、碳?xì)浔燃疤佳醣容^低，因此該煤樣較難直接被水潤濕，必須加入表面活性劑提高煤塵潤濕性。

2）表面活性劑溶液的表面張力與其自身性質(zhì)及濃度密切相關(guān)。8種表面活性劑溶液表面張力隨濃度的增大先減小后在臨界膠束濃度附近穩(wěn)定，其表面張力均遠(yuǎn)小于水的表面張力。因8種表面活性劑的性質(zhì)不同，臨界膠束濃度值和表面張力值分別在0.04～053 g/L和25.61～34.79 mN/m之間差異較大。8種表面活性劑按降低溶液表面張力的能力由強(qiáng)到弱排序?yàn)椋篈PG>AOT>JFC>SDBS>OA-12>BS-12>1631>CTAB，非離子>陰離子>兩性型>陽離子。非離子表面活性劑APG形成膠束和降低表面張力能力均為最佳，其臨界膠束濃度為0.04 g/L，表面張力為25.61 mN/m。

3）表面活性劑類型及濃度對潤濕煤塵作用影響顯著。隨濃度的增大，表面活性劑潤濕煤塵作用增強(qiáng)，當(dāng)濃度增大到臨界膠束濃度附近時(shí)，煤塵在陰離子和非離子表面活性劑中的沉降時(shí)間會(huì)急劇縮短至5 min之內(nèi)，但在陽離子和兩性型表面活性劑中的沉降時(shí)間仍大于1 h。8種表面活性劑潤濕煤塵的能力由強(qiáng)到弱排序：APG>AOT>JFC>SDBS>OA-12>BS-12>1631>CTAB，與降低表面張力能力排序基本一致。煤塵在0.02 g/L APG溶液中的沉降時(shí)間僅為0.57 min，沉降速率為018 g/min，潤濕煤塵效果良好，可作為低階煤噴霧抑塵法的添加劑。

4）0.02 g/L的APG溶液可以有效降低溶液的表面張力至25.87 mN/m，大幅降低了煤塵進(jìn)入溶液的能障，煤塵進(jìn)入溶液后，會(huì)與APG分子通過疏水作用等方式吸附，增加羥基等親水官能團(tuán)數(shù)量，提高煤塵的親水性，同時(shí)會(huì)生成分子間氫鍵，浸泡前煤塵的平均粒徑為22.62μm，無法重力沉降的“小顆粒”較多，浸泡后煤塵平均粒徑增大至35.18μm，說明“小顆粒”通過氫鍵發(fā)生團(tuán)聚成為能夠沉降的“大顆粒”，因此煤塵沉降時(shí)間縮短，速率提高，潤濕煤塵作用增強(qiáng)。