摘要:選用了四種不同種類的抑塵劑產(chǎn)品，研究了兩種無機鹽NaCl和Na2SO4對抑塵劑在煤塵表面潤濕性能的影響。結(jié)果表明，無機鹽的加入提高了抑塵劑對煤塵的潤濕性能；無機鹽的陰離子價態(tài)越低，抑塵劑在煤塵表面的潤濕性能提升越明顯；隨著無機鹽含量的增加，抑塵劑對煤塵的潤濕能力呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢；NaCl對不同類型抑塵劑的潤濕性提高程度不同，抑塵劑中陰離子表面活性劑含量越高，NaCl對抑塵劑的潤濕能力提升越明顯，其潤濕性能最高提升3.8倍左右。

1.引言

隨著煤礦資源的大量開采和使用，煤塵揚塵現(xiàn)象所帶來的問題日益嚴(yán)重。煤塵污染使空氣中的粉塵濃度大幅增加，對大氣環(huán)境的影響較為突出。同時煤粉的揚塵現(xiàn)象影響了作業(yè)環(huán)境，容易對人體產(chǎn)生危害、對設(shè)備造成損壞[1][2][3]。針對這些問題，國內(nèi)外學(xué)者針對煤粉的抑塵作用進行了大量研究工作，化學(xué)抑塵劑在煤場中的應(yīng)用也在日益增加[4][5][6][7]。

大量研究表明，表面活性劑的加入能夠增加抑塵劑在煤塵表面的潤濕能力[8][9][10][11][12]。劉偉[13]等人研究了不同表面活性劑及復(fù)配試劑對煤塵的抑制作用，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)配溶液的濕潤性與表面活性劑的物理化學(xué)性質(zhì)有較大關(guān)系。常婷[14]等人對表面活性劑在化學(xué)抑塵劑中的作用機理、主要應(yīng)用情況等進行了研究，結(jié)果表明陰離子型、非離子型表面活性劑以及高分子型表面活性劑由于其良好的潤濕、滲透、乳化等功能被廣泛應(yīng)用于化學(xué)抑塵劑中。但是，無機鹽在抑塵劑的性能提升方面研究較少。吳超等人對無機鹽改善表面活性劑潤濕性能進行了系統(tǒng)研究，相比非離子表面活性劑，陰離子表面活性劑中添加Na2SO4能夠較大程度上改善抑塵劑的潤濕能力[15]。孫鑫等人陰離子表面活性劑溶液中添加少量鈣鹽能夠有效達到潤濕增效的作用[16]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選用了四種不同配方的抑塵劑產(chǎn)品，通過正向滲透實驗分析了添加不同種類以及濃度無機鹽的抑塵劑對于煤塵潤濕性能的影響，為開發(fā)高性能的抑塵劑提供實驗依據(jù)。

2.實驗部分

2.1.實驗原料

煤塵NR：榆林某煤礦，經(jīng)研磨后經(jīng)2 mm的篩子過篩后待用。氯化鈉NaCl、硫酸鈉Na2SO4、十二烷基硫酸鈉SDS、十六烷基三甲基溴化銨CTAB，國藥集團。編號為A、B、C、D的抑塵劑均由客戶提供。

2.2.測試儀器

SensionTM 5型電導(dǎo)儀，美國HACH公司；L-530型多管架自動平衡離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司；DF-101T集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；BSA124S-CW型電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

2.3.實驗方法

采用正向滲透實驗法研究含有無機鹽的抑塵劑溶液對煤塵浸潤性的影響，如圖1所示。具體步驟為先取1.9克煤粉放入直徑為1 cm、長度為9 cm的無色透明玻璃管中，并用不銹鋼棒將煤塵夯實。配制濃度為0.2 wt.%的抑塵劑溶液，取2毫升該溶液滴入裝好煤塵的玻璃管中，記錄抑塵劑浸潤煤塵高度4 cm時所需要的滲透時間，并且使用下述公式(1)對抑塵劑的潤濕性能進行評價[17]。

(1)

其中，t0、t1分別代表純水、抑塵劑滲透煤塵高度為4 cm的平均時間。

圖1.正向滲透實驗法示意圖

將抑塵劑A、B、C、D分別配制成0.2 wt.%的水溶液，在煤粉NR表面進行正向滲透試驗，研究不同抑塵劑滲透煤塵距離1 cm、2 cm、3 cm、4 cm的潤濕能力。

將NaCl、Na2SO4加入0.2 wt.%抑塵劑溶液中，配制含有0.1 wt.%無機鹽的混合溶液，進行正向滲透試驗，滲透距離為4 cm，研究抑塵劑溶液中加入不同無機鹽對煤塵潤濕能力的影響。

將NaCl加入至0.2 wt.%的抑塵劑溶液中，分別配制成NaCl濃度為0 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.2 wt.%、0.3 wt.%、0.4 wt.%的溶液，進行正向滲透實驗，滲透距離為4 cm，研究含有不同濃度無機鹽的抑塵劑對煤塵浸潤性的影響。

3.結(jié)果與討論

3.1.抑塵劑對煤粉潤濕性的影響

分別選用了四種抑塵劑A、B、C、D，使用正向滲透法研究了抑塵劑對于煤塵NR的潤濕能力的影響。如圖2所示，在水中加入抑塵劑可以增加在煤塵NR表面的潤濕能力，滲透時間大幅降低。四種抑塵劑的潤濕能力數(shù)據(jù)如表1所示，純水在煤塵表面4 cm的滲透時間為489 s。相比之下，抑塵劑C、B和D均能夠較大程度提高對煤塵的潤濕能力，滲透時間分別降低至291 s、317 s和337 s，潤濕能力相比純水分別提高了40.5%、35.2%和31.1%。抑塵劑A的潤濕能力相對較差，滲透相同煤塵距離所需要的時間為412 s，潤濕能力比純水僅提高了15.7%。

圖2.四種抑塵劑溶液在煤塵表面的滲透性能

表1.四種抑塵劑的潤濕能力數(shù)據(jù)

3.2.無機鹽種類對抑塵劑潤濕性的影響

含0.1 wt.%NaCl和0.1 wt.%Na2SO4的抑塵劑對煤塵潤濕性能的影響如圖3所示。圖3分別為不同抑塵劑滲透煤塵距離為4 cm所需要的滲透時間。使用不加無機鹽的抑塵劑在煤塵中進行潤濕性能對比，如圖3所示，加入無機鹽能夠明顯降低抑塵劑在煤塵表面的滲透時間，增加了對煤塵的潤濕能力。

抑塵劑主要由陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑以及其他助劑組成。其中，表面活性劑是一種具有兩親性的物質(zhì)，加入少量能使其溶液體系的界面狀態(tài)發(fā)生明顯變化，是抑塵劑的重要組成部分。如圖4所示，煤塵表面暴露著大量的極性有機基團，水在煤塵表面很難發(fā)生潤濕行為；抑塵劑中的表面活性劑親油端與煤塵表面的有機基團具有較好的相容性，能夠在煤塵表面定向排列并且將親水基團引入煤塵表面，增加了水與煤塵之間的潤濕能力。無機鹽的引入對于陰離子表面活性劑具有增效作用。根據(jù)雙電層理論，雙電層可以分為緊密層和擴散層，當(dāng)溶液中加入無機鹽后，無機鹽中的離子會壓縮擴散層，使得擴散層厚度減小，從而降低了界面能；同時其無機鹽離子還能減小雙電層中的靜電力作用，促進了抑塵劑在煤塵表面的吸附，提高了潤濕性能。

如圖3所示，0.1 wt.%無機鹽NaCl、Na2SO4對于抑塵劑A、D的潤濕性能具有較強的提升效果。加入Na2SO4、NaCl可以使抑塵劑A在煤粉表面的滲透時間由412 s分別降低到336 s、231 s，潤濕性能從15.7%分別提高至31.3%、52.8%。而兩種無機鹽對于抑塵劑B、C的潤濕性并沒有體現(xiàn)出明顯效果。通過表2可以看出，抑塵劑B、C的ζ電勢相對較低，配方中以非離子表面活性劑為主要成分，無機鹽對于非離子表面活性劑的影響程度較低，對抑塵劑B、C的潤濕能力提高不明顯。抑塵劑A、D中ζ電勢相對較大，陰離子表面活性劑的相對含量較高，少量的無機鹽能夠降低陰離子表面活性劑之間的靜電排斥，壓縮雙電層厚度，從而較大程度上增強抑塵劑A、D在煤塵表面的潤濕能力。

圖3.加入不同無機鹽的抑塵劑對煤塵潤濕性能的影響

圖4.加入無機鹽組分的抑塵劑溶液在煤塵表面的吸附機理示意圖

抑塵劑種類

表2.四種抑塵劑的ζ電勢

對于4種抑塵劑，含有0.1 wt.%NaCl的抑塵劑溶液滲透時間均明顯小于含有0.1 wt.%Na2SO4的抑塵劑溶液滲透相同距離所需時間。因此，可以得知NaCl對于提高抑塵劑潤濕性能的作用比Na2SO4更為顯著。與Na2SO4相比，在水溶液中加入NaCl，負(fù)離子的價態(tài)相對較低，對于金屬正離子的吸引能力較弱，因此電離出的Na+，能夠有效的吸附在陰離子表面活性劑的親水端表面，降低了表面電勢，從而有效改善了溶液–煤塵界面性能。外加無機鹽的陰離子價態(tài)越高，吸引無機反離子的能力越強，雙電層結(jié)構(gòu)比較松散，從而導(dǎo)致潤濕能力下降。

3.3.無機鹽濃度對抑塵劑潤濕性的影響

從圖4可知，NaCl對于提高抑塵劑潤濕性能的作用更為顯著。因此，在抑塵劑中加入不同濃度的NaCl，研究無機鹽濃度對煤塵NR的潤濕性能的影響。如圖5所示，少量的NaCl的引入，能夠降低抑塵劑在煤塵表面的滲透時間。NaCl的引入能夠降低抑塵劑溶液的表面張力，使抑塵劑在煤塵表面的接觸角不斷降低[18]。另外，無機鹽能夠增強表面活性物質(zhì)在煤塵表面的吸附能力，降低煤塵與抑塵劑之間的界面能，提高了抑塵劑對煤塵的潤濕性能；煤塵中含有大量的酚羥基、羧基等有機基團，因此煤塵表面呈現(xiàn)電負(fù)性[19]。當(dāng)NaCl含量持續(xù)增加時，抑塵劑A、B、C在煤塵表面的滲透時間趨于平穩(wěn)，而抑塵劑D出現(xiàn)滲透時間增加后平緩的趨勢。相比之下，抑塵劑B、C對于NaCl的敏感程度較低，隨著NaCl含量增加其潤濕能力變化不大；NaCl對抑塵劑A、D在煤塵表面的潤濕能力影響程度較大。

圖5.不同濃度NaCl對0.2 wt.%不同類型抑塵劑的滲透性影響

同樣根據(jù)滲透實驗結(jié)果進行潤濕性能計算，具體見表3。由表3可以看到，抑塵劑A對NaCl最為敏感，隨著無機鹽含量的增加，抑塵劑在煤塵表面的潤濕能力持續(xù)提高。當(dāng)加入0.3%NaCl時，抑塵劑潤濕相同煤塵高度所需要的時間降低至194 s，其潤濕性能由15.7%提升至60.3%，在煤塵表面的潤濕程度最高提升3.8倍左右；抑塵劑C對NaCl最不敏感，隨著NaCl濃度的增加，C溶液的潤濕性能變化均比較小，潤濕性提高程度不超過1%。對于四種抑塵劑A，B，C和D，它們對應(yīng)最佳提高潤濕性能的NaCl濃度分別為0.3%、0.2%、0.1%和0.1%。

結(jié)合四種抑塵劑的配方、ζ電勢等性能，對NaCl改善不同抑塵劑在煤塵表面的潤濕性進行進一步分析。如表2所示，四種抑塵劑的ζ電勢相差較大，C具有最低的ζ電勢，其主要組成為非離子型表面活性劑，陰離子表面活性劑含量較低，無機鹽對于非離子型表面活性劑的促進作用非常微弱。因此加入無機鹽對于抑塵劑C的潤濕性能影響較低，隨著NaCl含量增加，滲透時間幾乎沒有發(fā)生任何變化。相比于抑塵劑C，抑塵劑B中的陰離子表面活性劑的含量稍高，加入無機鹽能夠增強陰離子表面活性劑親水端的作用力，提高抑塵劑在煤塵表面的潤濕能力。

表3.含有不同濃度NaCl的抑塵劑與煤塵NR的潤濕性能

A的ζ電勢較大，成分中主要含量為陰離子表面活性劑，在煤塵NR表面排布時親水端陰離子排斥力較大，導(dǎo)致電層排列松散，界面性能相對較差。無機鹽的加入能夠降低陰離子表面活性劑間的排斥力，促進陰離子表面活性劑在煤塵表面形成緊密的雙電層結(jié)構(gòu)，改善了煤塵表面的親水能力。隨著無機鹽含量的持續(xù)增加，其潤濕能力得到不斷增強，而后趨于平緩。

抑塵劑D具有最高的ζ電勢，其中陰離子表面活性劑的含量最高，且含有少量的Na2SO4雜質(zhì)。少量NaCl的加入較大程度上增加抑塵劑在煤塵表面的潤濕能力，當(dāng)加入量持續(xù)增加時，過多的無機鹽離子增加了雙電層的靜電作用力距離，破壞了穩(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致潤濕性能下降。同時，當(dāng)無機鹽含量持續(xù)增加時，Na+含量不斷增加，導(dǎo)致金屬正離子被吸附于煤塵表面，改變了煤塵表面的電荷性質(zhì)，吸引了部分陰離子表面活性劑的陰離子親水端與煤塵表面的Na+結(jié)合，使表面活性劑疏水端裸露在外側(cè)，從而降低了潤濕能力。

4.結(jié)論

1)采用正向滲透實驗法研究抑塵劑與純水對煤塵浸潤性的影響，抑塵劑的加入提高了純水的潤濕性能，與純水相比，抑塵劑水溶液的潤濕性能最大提高了40.5%。

2)無機鹽能夠明顯提高抑塵劑對煤塵的潤濕性能，使抑塵劑對煤粉的滲透時間大幅減小。無機鹽的陰離子價態(tài)越低，對抑塵劑在煤塵表面的潤濕性能提升越明顯。NaCl對于提高抑塵劑潤濕性能的作用比Na2SO4更為顯著，其潤濕性能由15.7%分別提高至52.8%和31.3%。

3)抑塵劑A、B和C的潤濕性能隨NaCl含量呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后趨于平穩(wěn)。NaCl的加入促進陰離子表面活性劑形成穩(wěn)定的電層結(jié)構(gòu)，改善煤塵表面性質(zhì)，提高抑塵劑的潤濕性能。NaCl對抑塵劑A在煤塵表面的潤濕性提升最大，其潤濕性能由15.7%最高可提升至60.3%。

4)抑塵劑D的潤濕性能隨NaCl含量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。這是由于過量的無機鹽離子增加了雙電層的靜電作用力距離，使雙電層穩(wěn)定性降低，因而抑塵劑D對煤塵的潤濕性能呈現(xiàn)出降低趨勢。

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