ABSTRACT

Four different types of dust suppressant products were selected to study the process of addition of inorganic salt on the wettability of coal dust by chemical dust suppressant. The results showed that the addition of inorganic salts improved the wetting properties of dust suppressants on coal dust. The lower the anion valence state of the inorganic salt, the better the wettability of the dust suppressant on the surface of the coal dust. As the content of inorganic salts increased, the wetting ability of the dust suppressant on coal dust increased and then decreased. Different types of dust suppressants had different sensitivities to NaCl. The higher the anionic surfactant component of the dust suppressant, the stronger the wetting ability on the surface of the coal dust by adding an inorganic salt to the dust suppressant. By adding NaCl, the wetting performance of the dust suppressant on the surface of the coal dust can be increased up to 3.8 times.

Keywords:Chemical Dust Suppressant, Coal Dust, Inorganic Salt, Wetting Mechanism

无机盐对化学抑尘剂在煤尘表面润湿性能的 影响

李鹏^*，郭王勇，鞠振福，靳昕，徐泽强，杜玉剑，吴刘锁，张建成^#

北京南瑞怡和环保科技有限公司，北京

收稿日期：2019年11月26日；录用日期：2019年12月12日；发布日期：2019年12月19日

摘 要

选用了四种不同种类的抑尘剂产品，研究了两种无机盐NaCl和Na₂SO₄对抑尘剂在煤尘表面润湿性能的影响。结果表明，无机盐的加入提高了抑尘剂对煤尘的润湿性能；无机盐的阴离子价态越低，抑尘剂在煤尘表面的润湿性能提升越明显；随着无机盐含量的增加，抑尘剂对煤尘的润湿能力呈现出先增加后降低的趋势；NaCl对不同类型抑尘剂的润湿性提高程度不同，抑尘剂中阴离子表面活性剂含量越高，NaCl对抑尘剂的润湿能力提升越明显，其润湿性能最高提升3.8倍左右。

关键词 :化学抑尘剂，煤尘，无机盐，润湿机理

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1. 引言

随着煤矿资源的大量开采和使用，煤尘扬尘现象所带来的问题日益严重。煤尘污染使空气中的粉尘浓度大幅增加，对大气环境的影响较为突出。同时煤粉的扬尘现象影响了作业环境，容易对人体产生危害、对设备造成损坏 [1] [2] [3]。针对这些问题，国内外学者针对煤粉的抑尘作用进行了大量研究工作，化学抑尘剂在煤场中的应用也在日益增加 [4] [5] [6] [7]。

大量研究表明，表面活性剂的加入能够增加抑尘剂在煤尘表面的润湿能力 [8] [9] [10] [11] [12]。刘伟 [13] 等人研究了不同表面活性剂及复配试剂对煤尘的抑制作用，研究发现复配溶液的湿润性与表面活性剂的物理化学性质有较大关系。常婷 [14] 等人对表面活性剂在化学抑尘剂中的作用机理、主要应用情况等进行了研究，结果表明阴离子型、非离子型表面活性剂以及高分子型表面活性剂由于其良好的润湿、渗透、乳化等功能被广泛应用于化学抑尘剂中。但是，无机盐在抑尘剂的性能提升方面研究较少。吴超等人对无机盐改善表面活性剂润湿性能进行了系统研究，相比非离子表面活性剂，阴离子表面活性剂中添加Na₂SO₄能够较大程度上改善抑尘剂的润湿能力 [15]。孙鑫等人阴离子表面活性剂溶液中添加少量钙盐能够有效达到润湿增效的作用 [16]。

本文在前人研究的基础上，选用了四种不同配方的抑尘剂产品，通过正向渗透实验分析了添加不同种类以及浓度无机盐的抑尘剂对于煤尘润湿性能的影响，为开发高性能的抑尘剂提供实验依据。

2. 实验部分

2.1. 实验原料

煤尘NR：榆林某煤矿，经研磨后经2 mm的筛子过筛后待用。氯化钠NaCl、硫酸钠Na₂SO₄、十二烷基硫酸钠SDS、十六烷基三甲基溴化铵CTAB，国药集团。编号为A、B、C、D的抑尘剂均由客户提供。

2.2. 测试仪器

Sension^TM 5型电导仪，美国HACH公司；L-530型多管架自动平衡离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司；DF-101T集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；BSA124S-CW型电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司。

2.3. 实验方法

采用正向渗透实验法研究含有无机盐的抑尘剂溶液对煤尘浸润性的影响，如图1所示。具体步骤为先取1.9克煤粉放入直径为1 cm、长度为9 cm的无色透明玻璃管中，并用不锈钢棒将煤尘夯实。配制浓度为0.2 wt.%的抑尘剂溶液，取2毫升该溶液滴入装好煤尘的玻璃管中，记录抑尘剂浸润煤尘高度4 cm时所需要的渗透时间，并且使用下述公式(1)对抑尘剂的润湿性能进行评价 [17]。

$润湿性能=1-\frac{{\text{t}}_1}{{\text{t}}_0}$ (1)

其中，t₀、t₁分别代表纯水、抑尘剂渗透煤尘高度为4 cm的平均时间。

图1. 正向渗透实验法示意图

将抑尘剂A、B、C、D分别配制成0.2 wt.%的水溶液，在煤粉NR表面进行正向渗透试验，研究不同抑尘剂渗透煤尘距离1 cm、2 cm、3 cm、4 cm的润湿能力。

将NaCl、Na₂SO₄加入0.2 wt.%抑尘剂溶液中，配制含有0.1 wt.%无机盐的混合溶液，进行正向渗透试验，渗透距离为4 cm，研究抑尘剂溶液中加入不同无机盐对煤尘润湿能力的影响。

将NaCl加入至0.2 wt.%的抑尘剂溶液中，分别配制成NaCl浓度为0 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.2 wt.%、0.3 wt.%、0.4 wt.%的溶液，进行正向渗透实验，渗透距离为4 cm，研究含有不同浓度无机盐的抑尘剂对煤尘浸润性的影响。

3. 结果与讨论

3.1. 抑尘剂对煤粉润湿性的影响

分别选用了四种抑尘剂A、B、C、D，使用正向渗透法研究了抑尘剂对于煤尘NR的润湿能力的影响。如图2所示，在水中加入抑尘剂可以增加在煤尘NR表面的润湿能力，渗透时间大幅降低。四种抑尘剂的润湿能力数据如表1所示，纯水在煤尘表面4 cm的渗透时间为489 s。相比之下，抑尘剂C、B和D均能够较大程度提高对煤尘的润湿能力，渗透时间分别降低至291 s、317 s和337 s，润湿能力相比纯水分别提高了40.5%、35.2%和31.1%。抑尘剂A的润湿能力相对较差，渗透相同煤尘距离所需要的时间为412 s，润湿能力比纯水仅提高了15.7%。

图2. 四种抑尘剂溶液在煤尘表面的渗透性能

表1. 四种抑尘剂的润湿能力数据

3.2. 无机盐种类对抑尘剂润湿性的影响

含0.1 wt.% NaCl和0.1 wt.% Na₂SO₄的抑尘剂对煤尘润湿性能的影响如图3所示。图3分别为不同抑尘剂渗透煤尘距离为4 cm所需要的渗透时间。使用不加无机盐的抑尘剂在煤尘中进行润湿性能对比，如图3所示，加入无机盐能够明显降低抑尘剂在煤尘表面的渗透时间，增加了对煤尘的润湿能力。

抑尘剂主要由阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂以及其他助剂组成。其中，表面活性剂是一种具有两亲性的物质，加入少量能使其溶液体系的界面状态发生明显变化，是抑尘剂的重要组成部分。如图4所示，煤尘表面暴露着大量的极性有机基团，水在煤尘表面很难发生润湿行为；抑尘剂中的表面活性剂亲油端与煤尘表面的有机基团具有较好的相容性，能够在煤尘表面定向排列并且将亲水基团引入煤尘表面，增加了水与煤尘之间的润湿能力。无机盐的引入对于阴离子表面活性剂具有增效作用。根据双电层理论，双电层可以分为紧密层和扩散层，当溶液中加入无机盐后，无机盐中的离子会压缩扩散层，使得扩散层厚度减小，从而降低了界面能；同时其无机盐离子还能减小双电层中的静电力作用，促进了抑尘剂在煤尘表面的吸附，提高了润湿性能。

如图3所示，0.1 wt.%无机盐NaCl、Na₂SO₄对于抑尘剂A、D的润湿性能具有较强的提升效果。加入Na₂SO₄、NaCl可以使抑尘剂A在煤粉表面的渗透时间由412 s分别降低到336 s、231 s，润湿性能从15.7%分别提高至31.3%、52.8%。而两种无机盐对于抑尘剂B、C的润湿性并没有体现出明显效果。通过表2可以看出，抑尘剂B、C的ζ电势相对较低，配方中以非离子表面活性剂为主要成分，无机盐对于非离子表面活性剂的影响程度较低，对抑尘剂B、C的润湿能力提高不明显。抑尘剂A、D中ζ电势相对较大，阴离子表面活性剂的相对含量较高，少量的无机盐能够降低阴离子表面活性剂之间的静电排斥，压缩双电层厚度，从而较大程度上增强抑尘剂A、D在煤尘表面的润湿能力。

图3. 加入不同无机盐的抑尘剂对煤尘润湿性能的影响

图4. 加入无机盐组分的抑尘剂溶液在煤尘表面的吸附机理示意图

表2. 四种抑尘剂的ζ电势

对于4种抑尘剂，含有0.1 wt.% NaCl的抑尘剂溶液渗透时间均明显小于含有0.1 wt.% Na₂SO₄的抑尘剂溶液渗透相同距离所需时间。因此，可以得知NaCl对于提高抑尘剂润湿性能的作用比Na₂SO₄更为显著。与Na₂SO₄相比，在水溶液中加入NaCl，负离子的价态相对较低，对于金属正离子的吸引能力较弱，因此电离出的Na⁺，能够有效的吸附在阴离子表面活性剂的亲水端表面，降低了表面电势，从而有效改善了溶液–煤尘界面性能。外加无机盐的阴离子价态越高，吸引无机反离子的能力越强，双电层结构比较松散，从而导致润湿能力下降。

3.3. 无机盐浓度对抑尘剂润湿性的影响

从图4可知，NaCl对于提高抑尘剂润湿性能的作用更为显著。因此，在抑尘剂中加入不同浓度的NaCl，研究无机盐浓度对煤尘NR的润湿性能的影响。如图5所示，少量的NaCl的引入，能够降低抑尘剂在煤尘表面的渗透时间。NaCl的引入能够降低抑尘剂溶液的表面张力，使抑尘剂在煤尘表面的接触角不断降低 [18]。另外，无机盐能够增强表面活性物质在煤尘表面的吸附能力，降低煤尘与抑尘剂之间的界面能，提高了抑尘剂对煤尘的润湿性能；煤尘中含有大量的酚羟基、羧基等有机基团，因此煤尘表面呈现电负性 [19]。当NaCl含量持续增加时，抑尘剂A、B、C在煤尘表面的渗透时间趋于平稳，而抑尘剂D出现渗透时间增加后平缓的趋势。相比之下，抑尘剂B、C对于NaCl的敏感程度较低，随着NaCl含量增加其润湿能力变化不大；NaCl对抑尘剂A、D在煤尘表面的润湿能力影响程度较大。

图5. 不同浓度NaCl对0.2 wt.%不同类型抑尘剂的渗透性影响

同样根据渗透实验结果进行润湿性能计算，具体见表3。由表3可以看到，抑尘剂A对NaCl最为敏感，随着无机盐含量的增加，抑尘剂在煤尘表面的润湿能力持续提高。当加入0.3% NaCl时，抑尘剂润湿相同煤尘高度所需要的时间降低至194 s，其润湿性能由15.7%提升至60.3%，在煤尘表面的润湿程度最高提升3.8倍左右；抑尘剂C对NaCl最不敏感，随着NaCl浓度的增加，C溶液的润湿性能变化均比较小，润湿性提高程度不超过1%。对于四种抑尘剂A，B，C和D，它们对应最佳提高润湿性能的NaCl浓度分别为0.3%、0.2%、0.1%和0.1%。

结合四种抑尘剂的配方、ζ电势等性能，对NaCl改善不同抑尘剂在煤尘表面的润湿性进行进一步分析。如表2所示，四种抑尘剂的ζ电势相差较大，C具有最低的ζ电势，其主要组成为非离子型表面活性剂，阴离子表面活性剂含量较低，无机盐对于非离子型表面活性剂的促进作用非常微弱。因此加入无机盐对于抑尘剂C的润湿性能影响较低，随着NaCl含量增加，渗透时间几乎没有发生任何变化。相比于抑尘剂C，抑尘剂B中的阴离子表面活性剂的含量稍高，加入无机盐能够增强阴离子表面活性剂亲水端的作用力，提高抑尘剂在煤尘表面的润湿能力。

表3. 含有不同浓度NaCl的抑尘剂与煤尘NR的润湿性能

A的ζ电势较大，成分中主要含量为阴离子表面活性剂，在煤尘NR表面排布时亲水端阴离子排斥力较大，导致电层排列松散，界面性能相对较差。无机盐的加入能够降低阴离子表面活性剂间的排斥力，促进阴离子表面活性剂在煤尘表面形成紧密的双电层结构，改善了煤尘表面的亲水能力。随着无机盐含量的持续增加，其润湿能力得到不断增强，而后趋于平缓。

抑尘剂D具有最高的ζ电势，其中阴离子表面活性剂的含量最高，且含有少量的Na₂SO₄杂质。少量NaCl的加入较大程度上增加抑尘剂在煤尘表面的润湿能力，当加入量持续增加时，过多的无机盐离子增加了双电层的静电作用力距离，破坏了稳定的双电层结构，导致润湿性能下降。同时，当无机盐含量持续增加时，Na⁺含量不断增加，导致金属正离子被吸附于煤尘表面，改变了煤尘表面的电荷性质，吸引了部分阴离子表面活性剂的阴离子亲水端与煤尘表面的Na⁺结合，使表面活性剂疏水端裸露在外侧，从而降低了润湿能力。

4. 结论

1) 采用正向渗透实验法研究抑尘剂与纯水对煤尘浸润性的影响，抑尘剂的加入提高了纯水的润湿性能，与纯水相比，抑尘剂水溶液的润湿性能最大提高了40.5%。

2) 无机盐能够明显提高抑尘剂对煤尘的润湿性能，使抑尘剂对煤粉的渗透时间大幅减小。无机盐的阴离子价态越低，对抑尘剂在煤尘表面的润湿性能提升越明显。NaCl对于提高抑尘剂润湿性能的作用比Na₂SO₄更为显著，其润湿性能由15.7%分别提高至52.8%和31.3%。

3) 抑尘剂A、B和C的润湿性能随NaCl含量呈现出现增加后趋于平稳。NaCl的加入促进阴离子表面活性剂形成稳定的电层结构，改善煤尘表面性质，提高抑尘剂的润湿性能。NaCl对抑尘剂A在煤尘表面的润湿性提升最大，其润湿性能由15.7%最高可提升至60.3%。

4) 抑尘剂D的润湿性能随NaCl含量的增加表现出先增加后降低的趋势。这是由于过量的无机盐离子增加了双电层的静电作用力距离，使双电层稳定性降低，因而抑尘剂D对煤尘的润湿性能呈现出降低趋势。

文章引用

李 鹏,郭王勇,鞠振福,靳 昕,徐泽强,杜玉剑,吴刘锁,张建成. 无机盐对化学抑尘剂在煤尘表面润湿性能的影响
The Improvement of Addition of Inorganic Salt on the Wettability of Coal Dust by Chemical Dust Suppressant[J]. 环境保护前沿, 2019, 09(06): 870-877. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.96114

参考文献