袁树杰1，2王佳妮1
1.安徽理工大学安全科学与工程学院2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室
摘要：为研究不同生物型表面活性剂磁化水对煤尘的润湿性能，以1/3焦煤为研究对象，选择4种常见的生物型表面活性剂，通过测量生物型表面活性剂溶液的表面张力和接触角选择适宜的降尘浓度，然后计算溶液的粘附功、铺展功和浸湿功来分析润湿能力。通过粉尘沉降试验和红外光谱试验比较生物型表面活性剂磁化水的润湿性能及其对煤尘表面官能团的影响。结果表明：溶液的表面张力和接触角在质量分数大于0.1%时下降速度均放缓；质量分数为0.1%时，茶皂素的粘附功下降得最少，鼠李糖脂的粘附功下降幅度最大，而铺展功和浸湿功提升效果最好；磁化与槐糖脂的协同作用优于鼠李糖脂，但煤尘在鼠李糖脂磁化水溶液中的脂肪族/芳香族吸光度比为12.27，吸附密度最高，沉降速度最快。呼吸性粉尘导致的尘肺病依然是我国最严重的职业病之一。因此，维护煤矿从业人员的生命健康，开展井下粉尘治理势在必行。喷雾降尘由于操作简便、价格低廉、无二次污染等优势成为我国煤矿企业使用率最高的降尘技术之一。为了解决喷雾降尘效率低的问题，许多学者通过添加表面活性剂提高水对煤尘的润湿能力。张潇仪等复配了生物型表面活性剂和化学型表面活性剂，得出0.25％的SDS和0.25％槐糖脂复配效果最好。WangChengfeng等发现当水在150mT的磁场强度下磁化80s后，水的表面张力比磁化前小约8.5%。WangHetang等通过试验发现磁化作用对非离子表面活性剂溶液有明显的影响，而对阴离子表面活性剂溶液的影响相对较弱。通过分析前人的研究成果发现，表面活性剂能大幅提高水的润湿性，但前人的研究主要集中在化学型表面活性剂，较少有对生物型表面活性剂降尘的研究，更少见生物型表面活性剂与磁化水协同降尘的研究。因此，本文选择了目前市面上常见的几种生物型表面活性剂，分别测试其对煤尘的润湿性，选出湿润性能较好的几种，分析活性水和活性磁化水对煤官能团的影响，为提高煤矿井下喷雾降尘的降尘效率提供理论指导。1试验：1.1试验材料：1.1.1煤样：试验过程中所用到的煤样为1/3焦煤，取自淮南张集煤矿。将煤样破碎后分别筛分至0.18mm(80目)以下和0.35~0.18mm(40~80目)之间。水分和灰分含量的减小会使煤尘的湿润性变差，而试验中用到的煤样水分和灰分分别为1.6％和7.59%，与水的接触角为86.4°，属于难润湿性煤粉。1.1.2生物型表面活性剂溶液：试验中共用到4种生物型表面活性剂，分别是鼠李糖脂、海藻糖脂、槐糖脂、茶皂素。使用自来水将4种生物型表面活性剂分别配制成质量分数为0.005%、0.01%、0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.2%、0.4％的生物型表面活性剂溶液。1.2试验设备及试验方案：1.2.1表面张力和接触角测量：采用界面张力流变仪测量溶液的表面张力和接触角。用悬滴法测量溶液的表面张力，试验时先将40mL待测液体倒入透明玻璃器皿中，随后伸入界面张力流变仪的U形针头，推动针管形成3.5mm3的气泡，利用界面张力流变仪自带的Wdrop软件分析气泡图像测得液体的表面张力，每次试验重复3次，取平均值为最终试验结果。称取0.2g粒径在0.18mm以下的煤粉用红外压片机在25MPa的压力下压制25s左右，制得测量接触角需要用到的煤片。用躺滴法测量液体的接触角，试验时将待测溶液吸入注射器中，调整平台使煤片表面呈水平状态，设置滴液体积为3mm3，针头离开滴液时仪器自动计算接触角大小。以第10秒的图片为判断依据，每次试验重复3次，取平均值为最终试验结果。1.2.2磁化处理装置：试验所用的磁化水处理装置由电磁铁、可调电源、变频水泵、控制器和循环水管构成。所用到的电磁铁产自乐清市志洋电磁铁厂，可产生0~600mT的磁场强度，通过可调电源在0~24V的范围内调节磁场强度。水循环系统由变频水泵提供动力。1.2.3粉尘沉降试验：参照标准MT506-1996《矿用降尘剂性能测定方法》测量粉尘沉降时间。取100mL配制好的溶液倒入烧杯中，将0.2g粒径在0.35~0.18mm(40~80目）之间煤尘通过漏斗倒入烧杯中进行粉尘沉降试验，记录煤尘从接触溶液到完全沉入液面所用的时间。每组试验重复3次，取平均值作为最终的粉尘沉降时间。1.2.4红外试验：取2g粒径在0.18mm以下的煤样，分别放入200L生物型表面活性剂溶液和生物型表面活性剂磁化水中浸泡24h，然后过滤取出煤样在40℃的烘箱中干燥24h。将处理好的煤样与溴化钾混合研磨均匀后用压片机制成薄片，送入红外光谱仪进行测试。傅里叶变换红外光谱仪测量范围为4000~400cm-1，分辨率为4cm-1，扫描次数设定为32次。2结果与讨论：2.1溶液的表面张力和接触角变化：在25℃的条件下，测试了不同生物型表面活性剂溶液在不同质量分数下的表面张力，4种生物型表面活性剂均使溶液的表面张力下降，且它们都有先快速下降后趋于平稳的趋势。这是因为表面活性剂溶于水中时，会以亲水头基朝向水中，疏水尾基朝向空中的形式在溶液表面排布，此时溶液的表面张力下降较快。当溶液质量分数逐渐增加，溶液表面的表面活性剂分子逐渐饱和，多余的表面活性剂分子会在彼此亲水基团和疏水基团的吸引下在溶液中"抱团"形成胶束，此时溶液的表面张力会趋于平缓。表面活性剂分子在水溶液开始形成胶束的浓度被称为临界胶束浓度。茶皂素和海藻糖脂在临界胶束浓度下对应的表面张力相近，但茶皂素的临界胶束浓度低于海藻糖脂，说明茶皂素降低表面张力的能力优于海藻糖脂。槐糖脂和鼠李糖脂的临界胶束浓度相近，但鼠李糖脂在临界胶束浓度下对应的表面力优于槐糖脂。海藻糖脂溶液的质量分数在0.075％之前接触角下降较快，其余3种生物型表面活性剂溶液的质量分数在0.1％之前下降速度较快。4种生物型表面活性剂中，鼠李糖脂的接触角下降幅度最大，当质量分数为0.4％时，溶液在煤片表面完全铺展。综合来看，4种生物型表面活性剂在质量分数达到0.1％以后接触角的大小不再有明显变化。因此，选择质量分数为0.1％的生物型表面活性剂溶液分析其接触角在10s内的变化，可以发现水、槐糖脂和鼠李糖脂溶液的接触角会随着时间明显下降，而茶皂素和海藻糖脂的接触角基本不随时间的变化而变化。生物型表面活性剂溶液的湿润分析在井下喷雾降尘的过程中，雾滴捕捉煤尘的过程一般可以分为3个阶段，当雾滴与煤尘之间的排斥力小于吸引力时，雾滴会与细小煤尘接触，发生粘附作用，随后溶液铺展到煤尘表面，最后煤尘整个浸入到雾滴内部。这3个阶段可以分别用粘附功、铺展功和浸湿功3个参数来表征。煤尘与雾滴发生碰撞时，当它们之间的排斥力小于吸引力，煤尘则会粘附在雾滴表面，原本的固﹣气界面和液﹣气界面经过雾滴与煤尘接触产生了新的固﹣液界面，系统的体系自由能发生了变化。添加生物型表面活性剂之后，各溶液的粘附功均有所下降，粘附功最小的鼠李糖脂下降了23.2%，但铺展功和浸入功均有大幅提高，最小分别提高了47.9％和187.0%。而周群等在分析溶液的润湿性能时更是以铺展功和浸入功2个参数为基础进行评价，因此，虽然添加生物型表面活性剂削弱了溶液雾滴粘附煤尘的能力，但使铺展功和浸入功大幅增加，整体上依然增强了溶液的润湿性能，使雾滴捕捉煤尘的能力变强。4种生物型表面活性剂中，茶皂素溶液的粘附功下降幅度最小，鼠李糖脂溶液的粘附功下降幅度最大。海藻糖脂溶液对铺展功和浸湿功的提升均较小，鼠李糖脂溶液对铺展功和浸湿功均有较强的提升，其中质量分数0.1％的鼠李糖脂溶液的铺展功为-1mN/m，最趋近于0，更易在煤的表面铺展。综上所述，4种生物型表面活性剂溶液的润湿性能排序为：鼠李糖脂溶液＞槐糖脂溶液＞茶皂素溶液＞海藻糖脂溶液。磁化对溶液湿润性的影响：选择湿润性能较好的鼠李糖脂和槐糖脂通过粉尘沉降试验对比分析生物型表面活性剂溶液磁化前后润湿性能的变化。在25℃的条件下，取200ml质量分数为0.1％的槐糖脂溶液和鼠李糖脂溶液在400mT的磁场强度下以4.13m/s的流速磁化30min得到鼠李糖脂磁化水溶液和槐糖脂磁化水溶液，测量煤粉在不同溶液中的沉降时间。磁场磁化使2种生物型表面活性剂溶液中的煤粉沉降速度均变快，沉降时间分别缩短了20.25％和21.02%，其中，鼠李糖脂磁化水溶液的降尘效果最优。煤样的红外光谱分析：为了进一步对比分析生物型表面活性剂磁化前后对煤表面官能团的作用，取2g粒径在0.18mm以下的煤样，将煤样分别浸泡在200mL槐糖功／(mN)、粘附功／(mN)、脂溶液、槐糖脂磁化水溶液、鼠李糖脂溶液和鼠李糖脂磁化水溶液中24h，然后把过滤出的煤样置于40℃的烘箱中干燥24h。可以发现，经过不同溶液处理的煤样的红外光谱图依然有相似的吸收带和特征峰，而峰的吸收强度发生了变化，说明煤的结构没有发生变化，但其中官能团的相对含量发生了变化。表面活性剂在煤尘表面吸附使得煤尘表面的疏水位点转化为亲水位点，从而改变煤样表面的脂肪结构，使2920cm-1附近的脂肪族吸收峰变强，而槐糖脂和鼠李糖脂中都不含苯环，因此它们在3047cm-1附近的芳香族吸收峰较弱。用Peakfit对不同煤样的红外光谱的3100~2750cm-1波段进行分峰拟合。3050cm-1附近的峰来源于C-H的伸缩振动，2956cm-1附近的峰来源于﹣CH3﹣，不对称伸缩振动，2920cm-1附近的峰来源于﹣CH2﹣不对称伸缩振动，2856cm-1附近的峰来源于-CH2﹣伸缩振动。通过计算2920cm-1和3047cm-1处的峰强度比值来表征表面活性剂在煤尘表面的不同吸附密度，比值越高，表面活性剂的吸附密度越大。槐糖脂磁化水溶液中的煤样吸附密度为9.12，比磁化之前高33.53%。鼠李糖脂磁化水溶液中的煤样吸附密度为12.27，比磁化之前高10.54%。说明磁化使两种生物型表面活性剂在煤尘表面的吸附密度都变大了。这是因为水分子存在分子磁矩，外加的磁场使分子磁距或多或少受到影响，使溶液分子之间较弱的氢键容易发生畸变从而断裂，使得溶液分子具有更强的极性，更容易与煤表面的悬键结合，加强煤尘吸附溶液的能力，使官能团的相对含量发生了变化。此外，磁场可以在一定程度上影响表面活性剂在溶液表面的排布，使溶液表面的表面活性剂亲水基团排列得更加致密，从而提高溶液的润湿能力。对比磁化前后吸附密度的提高幅度，可以发现槐糖脂溶液比鼠李糖脂溶液提高得更多，即槐糖脂与磁场的协同增效作用比鼠李糖脂明显。这是因为阴离子表面活性剂会在溶液中电离并产生阳离子，这促使了氢键产生并与水分子缔合，阳离子产生氢键的能力削弱了磁场磁化使氢键断裂的趋势，而非离子表面活性剂没有这一过程，因此非离子表面活性剂槐糖脂与磁场的协同作用比阴离子表面活性剂鼠李糖脂明显。综合来看，鼠李糖脂磁化水溶液的吸附密度最大，这与前文的结论一致，即鼠李糖脂磁化水溶液的润湿能力最强。3结论：（1）4种生物型表面活性剂均能降低溶液的表张力和接触角。表面张力和接触角在表面活性剂质量分数0.1%之后下降速度均放缓。质量分数0.1%的槐糖脂溶液、鼠李糖脂溶液与煤尘表面的接触角会随着时间明显下降，而茶皂素溶液和海藻糖脂溶液与煤尘表面的接触角变化不明显。（2）表面活性剂质量分数为0.1％时，4种生物型表面活性剂中茶皂素溶液的粘附功降低幅度最小，鼠李糖脂溶液的铺展功和浸湿功提升最大。4种生物型表面活性剂的润湿性能排序为，鼠李糖脂溶液＞槐糖脂溶液＞茶皂素溶液＞海藻糖脂溶液。（3）磁化使鼠李糖脂磁化水溶液和槐糖脂磁化水溶液中的煤粉沉降速度均变快，沉降时间分别缩短了20.25％和21.02%，其中，鼠李糖脂磁化水溶液的降尘效果最优。（4）磁化后，槐糖脂溶液中的煤样吸附密度提高了33.53%，鼠李糖脂溶液中的煤样吸附密度提高了10.54%。说明磁化进一步提高了生物型表面活性剂溶液的润湿能力。（5）对生物型表面活性剂溶液进行磁化能进一步提高溶液的润湿能力，而磁化与槐糖脂的协同增效能力优于鼠李糖脂。但综合来看在鼠李糖脂磁化水溶液中煤样吸附密度最高，润湿性能最好。
基金资助：安徽理工大学研究生创新基金(2021CX2018)；
