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(jī)鹽NaCl和Na2SO4對(duì)抑塵劑在煤塵表面潤(rùn)濕性能的影響。結(jié)果表明，無機(jī)鹽的加入提高了抑塵劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性能；無機(jī)鹽的陰離子價(jià)態(tài)越低，抑塵劑在煤塵表面的潤(rùn)濕性能提升越明顯；隨著無機(jī)鹽含量的增加，抑塵劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕能力呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)；NaCl對(duì)不同類型抑塵劑的潤(rùn)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(duì)抑塵劑的潤(rùn)濕能力提升越明顯，其潤(rùn)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(yáng)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(duì)大氣環(huán)境的影響較為突出。同時(shí)煤粉的揚(yáng)塵現(xiàn)象影響了作業(yè)環(huán)境，容易對(duì)人體產(chǎn)生危害、對(duì)設(shè)備造成損壞[1][2][3]。針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤粉的抑塵作用進(jìn)行了大量研究工作，化學(xué)抑塵劑在煤場(chǎng)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(rùn)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(duì)煤塵的抑制作用，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)配溶液的濕潤(rùn)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(duì)表面活性劑在化學(xué)抑塵劑中的作用機(jī)理、主要應(yīng)用情況等進(jìn)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(rùn)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(jī)鹽在抑塵劑的性能提升方面研究較少。吳超等人對(duì)無機(jī)鹽改善表面活性劑潤(rùn)濕性能進(jìn)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(rùn)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(dá)到潤(rùn)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(shí)驗(yàn)分析了添加不同種類以及濃度無機(jī)鹽的抑塵劑對(duì)于煤塵潤(rùn)濕性能的影響，為開發(fā)高性能的抑塵劑提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)部分

2.1.實(shí)驗(yàn)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(guó)藥集團(tuán)。編號(hào)為A、B、C、D的抑塵劑均由客戶提供。

2.2.測(cè)試儀器

SensionTM 5型電導(dǎo)儀，美國(guó)HACH公司；L-530型多管架自動(dòng)平衡離心機(jī)，長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)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(shí)驗(yàn)方法

采用正向滲透實(shí)驗(yàn)法研究含有無機(jī)鹽的抑塵劑溶液對(duì)煤塵浸潤(rùn)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(zhǎng)度為9 cm的無色透明玻璃管中，并用不銹鋼棒將煤塵夯實(shí)。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(rùn)煤塵高度4 cm時(shí)所需要的滲透時(shí)間，并且使用下述公式(1)對(duì)抑塵劑的潤(rùn)濕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[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(shí)間。

圖1.正向滲透實(shí)驗(yàn)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(jìn)行正向滲透試驗(yàn)，研究不同抑塵劑滲透煤塵距離1 cm、2 cm、3 cm、4 cm的潤(rùn)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(jī)鹽的混合溶液，進(jìn)行正向滲透試驗(yàn)，滲透距離為4 cm，研究抑塵劑溶液中加入不同無機(jī)鹽對(duì)煤塵潤(rùn)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(jìn)行正向滲透實(shí)驗(yàn)，滲透距離為4 cm，研究含有不同濃度無機(jī)鹽的抑塵劑對(duì)煤塵浸潤(rùn)性的影響。

3.結(jié)果與討論

3.1.抑塵劑對(duì)煤粉潤(rùn)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(duì)于煤塵NR的潤(rùn)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(rùn)濕能力，滲透時(shí)間大幅降低。四種抑塵劑的潤(rùn)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(shí)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(duì)煤塵的潤(rùn)濕能力，滲透時(shí)間分別降低至291 s、317 s和337 s，潤(rùn)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(rùn)濕能力相對(duì)較差，滲透相同煤塵距離所需要的時(shí)間為412 s，潤(rùn)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(rùn)濕能力數(shù)據(jù)

3.2.無機(jī)鹽種類對(duì)抑塵劑潤(rùn)濕性的影響

含0.1 wt.%NaCl和0.1 wt.%Na2SO4的抑塵劑對(duì)煤塵潤(rùn)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(shí)間。使用不加無機(jī)鹽的抑塵劑在煤塵中進(jìn)行潤(rùn)濕性能對(duì)比，如圖3所示，加入無機(jī)鹽能夠明顯降低抑塵劑在煤塵表面的滲透時(shí)間，增加了對(duì)煤塵的潤(rùn)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(jī)基團(tuán)，水在煤塵表面很難發(fā)生潤(rùn)濕行為；抑塵劑中的表面活性劑親油端與煤塵表面的有機(jī)基團(tuán)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(tuán)引入煤塵表面，增加了水與煤塵之間的潤(rùn)濕能力。無機(jī)鹽的引入對(duì)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(kuò)散層，當(dāng)溶液中加入無機(jī)鹽后，無機(jī)鹽中的離子會(huì)壓縮擴(kuò)散層，使得擴(kuò)散層厚度減小，從而降低了界面能；同時(shí)其無機(jī)鹽離子還能減小雙電層中的靜電力作用，促進(jìn)了抑塵劑在煤塵表面的吸附，提高了潤(rùn)濕性能。

如圖3所示，0.1 wt.%無機(jī)鹽NaCl、Na2SO4對(duì)于抑塵劑A、D的潤(rùn)濕性能具有較強(qiáng)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(shí)間由412 s分別降低到336 s、231 s，潤(rùn)濕性能從15.7%分別提高至31.3%、52.8%。而兩種無機(jī)鹽對(duì)于抑塵劑B、C的潤(rùn)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(shì)相對(duì)較低，配方中以非離子表面活性劑為主要成分，無機(jī)鹽對(duì)于非離子表面活性劑的影響程度較低，對(duì)抑塵劑B、C的潤(rùn)濕能力提高不明顯。抑塵劑A、D中ζ電勢(shì)相對(duì)較大，陰離子表面活性劑的相對(duì)含量較高，少量的無機(jī)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(qiáng)抑塵劑A、D在煤塵表面的潤(rùn)濕能力。

圖3.加入不同無機(jī)鹽的抑塵劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕性能的影響

圖4.加入無機(jī)鹽組分的抑塵劑溶液在煤塵表面的吸附機(jī)理示意圖

抑塵劑種類

表2.四種抑塵劑的ζ電勢(shì)

對(duì)于4種抑塵劑，含有0.1 wt.%NaCl的抑塵劑溶液滲透時(shí)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(shí)間。因此，可以得知NaCl對(duì)于提高抑塵劑潤(rùn)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(jià)態(tài)相對(duì)較低，對(duì)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(shì)，從而有效改善了溶液–煤塵界面性能。外加無機(jī)鹽的陰離子價(jià)態(tài)越高，吸引無機(jī)反離子的能力越強(qiáng)，雙電層結(jié)構(gòu)比較松散，從而導(dǎo)致潤(rùn)濕能力下降。

3.3.無機(jī)鹽濃度對(duì)抑塵劑潤(rùn)濕性的影響

從圖4可知，NaCl對(duì)于提高抑塵劑潤(rùn)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(jī)鹽濃度對(duì)煤塵NR的潤(rùn)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(shí)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(jī)鹽能夠增強(qiáng)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(duì)煤塵的潤(rùn)濕性能；煤塵中含有大量的酚羥基、羧基等有機(jī)基團(tuán)，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(shí)，抑塵劑A、B、C在煤塵表面的滲透時(shí)間趨于平穩(wěn)，而抑塵劑D出現(xiàn)滲透時(shí)間增加后平緩的趨勢(shì)。相比之下，抑塵劑B、C對(duì)于NaCl的敏感程度較低，隨著NaCl含量增加其潤(rùn)濕能力變化不大；NaCl對(duì)抑塵劑A、D在煤塵表面的潤(rùn)濕能力影響程度較大。

圖5.不同濃度NaCl對(duì)0.2 wt.%不同類型抑塵劑的滲透性影響

同樣根據(jù)滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行潤(rùn)濕性能計(jì)算，具體見表3。由表3可以看到，抑塵劑A對(duì)NaCl最為敏感，隨著無機(jī)鹽含量的增加，抑塵劑在煤塵表面的潤(rùn)濕能力持續(xù)提高。當(dāng)加入0.3%NaCl時(shí)，抑塵劑潤(rùn)濕相同煤塵高度所需要的時(shí)間降低至194 s，其潤(rùn)濕性能由15.7%提升至60.3%，在煤塵表面的潤(rùn)濕程度最高提升3.8倍左右；抑塵劑C對(duì)NaCl最不敏感，隨著NaCl濃度的增加，C溶液的潤(rùn)濕性能變化均比較小，潤(rùn)濕性提高程度不超過1%。對(duì)于四種抑塵劑A，B，C和D，它們對(duì)應(yīng)最佳提高潤(rùn)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(shì)等性能，對(duì)NaCl改善不同抑塵劑在煤塵表面的潤(rùn)濕性進(jìn)行進(jìn)一步分析。如表2所示，四種抑塵劑的ζ電勢(shì)相差較大，C具有最低的ζ電勢(shì)，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(jī)鹽對(duì)于非離子型表面活性劑的促進(jìn)作用非常微弱。因此加入無機(jī)鹽對(duì)于抑塵劑C的潤(rùn)濕性能影響較低，隨著NaCl含量增加，滲透時(shí)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(jī)鹽能夠增強(qiáng)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(rùn)濕能力。

表3.含有不同濃度NaCl的抑塵劑與煤塵NR的潤(rùn)濕性能

A的ζ電勢(shì)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(shí)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(duì)較差。無機(jī)鹽的加入能夠降低陰離子表面活性劑間的排斥力，促進(jìn)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(jī)鹽含量的持續(xù)增加，其潤(rùn)濕能力得到不斷增強(qiáng)，而后趨于平緩。

抑塵劑D具有最高的ζ電勢(shì)，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(rùn)濕能力，當(dāng)加入量持續(xù)增加時(shí)，過多的無機(jī)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(rùn)濕性能下降。同時(shí)，當(dāng)無機(jī)鹽含量持續(xù)增加時(shí)，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(rùn)濕能力。

4.結(jié)論

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

2)無機(jī)鹽能夠明顯提高抑塵劑對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性能，使抑塵劑對(duì)煤粉的滲透時(shí)間大幅減小。無機(jī)鹽的陰離子價(jià)態(tài)越低，對(duì)抑塵劑在煤塵表面的潤(rùn)濕性能提升越明顯。NaCl對(duì)于提高抑塵劑潤(rùn)濕性能的作用比Na2SO4更為顯著，其潤(rùn)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(rùn)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(jìn)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(rùn)濕性能。NaCl對(duì)抑塵劑A在煤塵表面的潤(rùn)濕性提升最大，其潤(rùn)濕性能由15.7%最高可提升至60.3%。

4)抑塵劑D的潤(rùn)濕性能隨NaCl含量的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。這是由于過量的無機(jī)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(duì)煤塵的潤(rùn)濕性能呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。

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