思考与探索：表面活性剂对白坪煤矿煤尘湿润性的影响

    采掘面机械化、自动化装备使工作面采掘进度加快，采、掘、支、运环节产尘量增大，呼吸性粉尘占总粉尘浓度比例增大，煤层注水、喷雾洒水、净化水幕、防尘网和湿式打眼等物理除尘方法对风流中呼吸性粉尘降除率较低，不能满足安全高效生产要求，需要寻找新材料、新工艺解决机械化采掘过程中粉尘问题。表面活性剂可以有效地降低液体表面张力，改善煤尘亲水性，提高水雾对煤尘的捕捉率，使漂浮在空气中的呼吸性煤尘降低，改善职工作业环境。以郑州矿区白坪煤矿煤样为研究对象，选择SAS、1292、JFC和TX10等6种表面活性剂，种类及结构类型见表1，探讨煤样亲水性与表面活性剂种类、用量、水质和复配的关系，确定表面活性剂水溶液的最佳配方，为表面活性剂在白坪煤矿综合防尘技术措施现场应用奠定基础。

1  试验部分

1.1  试验试剂及仪器

    (1)煤尘样品。将白坪煤矿不同采区的采煤工作面采集的新鲜煤样破碎、混合和缩分后作为试验对象。

    (2)试验试剂。丁二酸二异辛酯硫酸钠(1292)和烷基酚聚氧乙烯醚(TX10)等6种表面活性剂以及磷酸三丁酯消泡剂和水（矿井水、自来水和超纯水）。

    (3)试验仪器。JC2000CI接触角测量仪、电子天平、振筛机、磨煤机和压片机等。

1.2试验方法

    煤样亲水性表现为试剂液滴在煤样表面的铺展程度，测试不同试剂在煤样表面的接触角，以接触角判定表面活性剂水溶液的煤样湿润性指标，对比分析表面活性剂对煤样亲水性的影响。将试验煤样加压成圆柱型煤片，采用JC2000CI接触角测量仪测定煤样表面水滴接触角。

2  试验结果与分析

2.1  不同表面活性剂对煤样亲水性的影响

    将6种表面活性剂配比成不同质量浓度的水溶液(0.02%～0.1%)，测试6种表面活性剂单体不同质量浓度对白坪煤矿煤样的接触角，测试结果见表2。

    从表2中可以看出，加入表面活性剂后，提高了煤样的亲水性，且随着表面活性剂浓度的增加，煤样的接触角显著降低；1292和TX10两种表面活性剂可较好地提高煤样表面的亲水性，1292表面活性剂水溶液质量浓度0. 05%时，10 s后煤样的接触角可降低至10o，TX10表面活性剂水溶液质量浓度0. 06%时，10 s后煤样的接触角可降低至2o；SAS、JFC、1631和CAB235同样能够降低煤样接触角，其中，SAS、JFC和CAB235表面活性剂质量浓度提高至0. 15%时，10s后接触角均大于20o，对煤样亲水性有一定影响。从表面活性剂添加剂用量角度分析，应用1292和TX10优于其他4种表面活性剂。在实验过程中发现在水中加入少量表面活性剂1292，稳定性较好，没有随着时间的变化而失效。表面活性剂TX10为无色透明粘稠液体，较难溶于水，需搅拌10 min使其充分溶解，搅拌后溶液呈无色透明，但是在搅拌过程中会出现起泡的现象，在单独使用和复配溶液时，需要加入消泡剂配合使用。

2.2表面活性剂复配对煤样亲水性的影响

    表面活性剂可以降低水溶液表面张力，提高煤样亲水能力，增加煤样的湿润性，降低生产过程中的粉尘浓度。不同单一表面活性剂对改善同一类煤样湿润性的效果不一样，煤样湿润效果与表面活性剂的离子类型、溶剂电解质浓度和环境温度等相关。相关研究表明，复合表面活性剂改善煤样湿润性能优于单一表面活性剂，选择适合煤样种类的表面活性剂，浓度配比恰当可以有效提高煤样亲水性和湿润性。针对白坪煤矿煤样，选择高效、安全、经济、无毒害和无腐蚀的4种表面活性剂混合复配，试验不同表面活性剂混合复配后的使用效果，优化减少表面活性剂的用量，降低成本，提高水雾降尘效果。

    选择对白坪煤矿煤样的亲水性效果较好的SAS、1292、TX10和16314表面活性剂进行复配试验，数据见表3。每种表面活性剂选择两种浓度，与其他同质量浓度表面活性剂均匀复配，表面活性剂溶液复配后，测试表面活性剂复配水溶液对煤样的接触角。

    从表3中可以看出，表面活性剂复配质量浓度为0. 025%时，不同表面活性剂复配体系的接触角相差较大，其中“1292 -1-SAS”复配体系对煤样的接触角最大，“TX10+1292”复配体系对煤样的接触角最小，湿润效果最好，10s后接触角为22o，其余4个复配体系的接触角相差不大。当表面活性剂复配水溶液质量浓度提高至0. 03%时，不同表面活性剂复配体系的接触角均降低，且相互之间的差异变小，其中“TX10+1631”复配体系与“TX10+1292”复配体系的接触角最小。根据4种表面活性剂复配水溶液的接触角测试数据、表面活性剂价格和稳定性等因素，“TX10+1292”复配体系可作为白坪煤矿综合防尘措施的添加剂配方。

2.3  PH值对煤样亲水性的影响

    将质量浓度为0. 03%的3种表面活性剂复配水溶液滴加质量浓度为0. 15%的适量稀硫酸调整水溶液pH为5～6（弱酸性）；滴加质量浓度为0. 10%的适量氢氧化钠调整水溶液pH为8～9（弱碱性），测试不同pH值表面活性剂复配水溶液的煤样接触角，测试结果见表4。

    从4表中可看出，在弱酸性环境中，有利于提高“TX10+1631”复配体系对煤的亲水性，在弱碱性环境中，则效果相反；“1292+1631”复配体系不论是在酸性还是碱性环境中，对煤样的接触角均增大；水溶液pH值对“TX10+1292”复配体系的影响不明显。

2.4  消泡剂对煤样亲水性的影响

    试验发现表面活性剂加入水中搅拌时，会产生泡沫，泡沫会影响水雾对煤尘浸湿的效果，减少煤尘对水分的吸收。因此，部分表面活性剂实际应用中应加入消泡剂提高煤尘对水分吸收量，抑制煤尘飞扬。在质量浓度为0. 03%的表面活性剂复配溶液中加入磷酸三丁酯消泡剂，测试不同表面活性剂复配溶液的煤样接触角，分析消泡剂对表面活性剂复配溶液的影响规律，测试数据见表5。

    消泡剂是一种油状试剂，滴加在表面活性剂复配溶液后漂浮在溶液上。经过约2 min的搅拌，消泡剂均匀的悬浮在溶液中，起到消泡的效果。静置一段时间，消泡剂又重新聚集形成液滴状浮在溶液上。从表5中可以看出，6种表面活性剂复配溶液加入磷酸三丁酯消泡剂后，接触角均有所减小，表面活性剂溶液的亲煤效果均得到提高。

2.5  水质对煤样亲水性的影响

    水介质硬度对煤样润湿性影响试验表明，水溶剂中的离子（钙镁离子）的含量不同，对煤样的亲水性产生不同影响。选择白坪矿矿井水、自来水和蒸馏水，测试表面活性剂水溶液加入钙离子和镁离子后煤样的接触角，观察加入离子前后接触角是否会有变化，具体数据见表6。从表6中可以看出，蒸馏水和含钙离子的水溶液对煤样的接触角较小，自来水和加入镁离子的水溶液对煤样的接触角提高了4o～5o，试验表明水溶剂中的钙离子和镁离子对煤样的接触角影响较小。

2.6  表面活性剂配方的确定

    表2和表3中的数据表明，自来水中分别加入1292、TX10和“TX10+1292”复配溶液后，煤样的亲水性显著提高。为此，以1292、TX10和“TX10+1292”复配溶液为研究对象，配比质量浓度分别为0. 03%、0.04%、0.05%和0.06%的溶液，测试不同质量浓度表面活性剂水溶液对白坪煤矿的煤样接触角，确定白坪煤矿的综合防尘措施水溶液的表面活性剂较优配方，测试结果见表7。

    从表7中可看出，随着表面活性剂浓度的增加，接触角均下降。溶液浓度为0. 05%时，10s后接触角均在10。以下，3种溶液改善煤样亲水性的效果相当。由于TX10在搅拌过程起泡、价格较贵和操作复杂等因素，选择浓度为0. 05%的1292溶液作为白坪煤矿综合防尘措施水溶液配方。

3结论

    (l)采用JC2000CI接触角测量仪测试1292、TX10和SAS等6种表面活性剂水溶液对郑州矿区白坪煤样的接触角，发现表面活性剂1292、TX10及二者复配溶液对白坪煤样的亲水性影响较大，可以有效提高白坪煤矿煤尘的湿润性。

    (2)以蒸馏水、矿井水和自来水为表面活性剂的试验溶剂，发现水的硬度对煤样的润湿性影响不大，可选取矿井水和1292表面活性剂作为矿井综合防尘措施的主要原材料。

(3)质量分数为0.05%的1292表面活性剂水溶液可以有效提高白坪煤矿煤样湿润性，可作为白坪煤矿煤尘综合防尘措施水溶液的表面活性剂配方。

4摘  要 

 为确定适合郑州矿区白坪煤矿煤尘的表面活性剂水溶液配方，利用接触角测量仪测量了丁二酸二异辛酯磺酸钠(1292)等6种表面活性剂及其复配水溶液对白坪煤样的接触角，探讨煤样亲水性与表面活性剂种类、用量、水质和复配的关系，试验数据表明：种表面活性剂及其复配溶液均可改善白坪煤样的湿润性，其中丁二酸二异辛酯磺酸钠(1292).烷基酚聚氧乙烯醚(TX10)对白坪煤样的亲水性影响较大，0.05%的丁二酸二异辛酯磺酸钠(1292)表面活性剂水溶液配方较优。