磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制_周群.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：周群，张文豪，查舰，等 磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制周 群讲师，张文豪高级工程师，查 舰高级工程师，李会桢，侯 晋（中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州；西山煤电（集团）有限责任公司 技术中心，山西 太原）中图分类号：文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金资助（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为进一步提高磁化与表面活性剂协同改善水湿润性能的能力，基于红外光谱、表面张力、接触角、粉尘沉降时间及降尘效率等试验，研究磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制，并经西铭矿 综采面现场应用验证两者间协同降尘性能。结果表明：磁化对水湿润性能的改变主要通过破坏水分子间氢键结构，使得大分子团簇结构变为小分子集团来增加溶液降尘性能；活性剂通过所具有的亲水基及亲油基在溶液表面形成隔离层降低水溶液表面张力，同时，磁化还能通过改变活性剂在溶液表面的吸附方式，进一步增强活性剂溶液湿润性能及降低活性剂使用量，在磁化作用下，阴非离子复配活性剂 临界胶束浓度比原有未磁化溶液降低。经现场应用，磁化与表面活性剂协同增效明显优于单一活性剂溶液。【关键词】磁化；表面活性剂；协同作用；水湿润性能；煤尘 ，（，；，）：，中国安全科学学报第卷年 ，：；引 言 煤炭行业是我国国民经济发展的基础性产业，其中，以上的煤矿采用地下开采形式进行煤炭生产。随着采掘面机械化开采水平的不断提高，煤体破碎程度大幅增加，导致工作空间粉尘量显著增多，其中，呼吸性粉尘在采掘过程中质量浓度可达 以上，对井下职工身心健康构成严重威胁。由粉尘引起的尘肺病已成为煤炭行业最主要的职业疾病，截止到 年底，煤炭行业尘肺病人数已超过 万。我国十分注重职业疾病的防治工作，先后颁布的“健康中国”规划纲要与“十四五”能源领域科技创新规划明确提出，要重点攻关煤矿粉尘防治技术。此外，我国 以上煤矿的煤尘具有爆炸危险性，一旦发生煤尘爆炸事故，往往导致群死群伤的重大灾难。因此，粉尘高效防治已成为煤炭行业亟需解决的重大需求。目前，水喷雾降尘因易操作、经济的特点，在矿井采掘工作面应用最为广泛，但降尘效果不佳，尤其是对粒径小、疏水性强的呼吸性粉尘降尘效率更低，难以满足矿井粉尘防治需求。为有效改善水润湿煤尘的能力，表面活性剂被广泛采用，但由于其添加浓度偏高致使溶液雾化降尘性能变弱，仍不能达到煤矿井下低成本高效捕捉煤尘的要求。此外，磁化作为物理方法虽然能一定程度上改善水湿润性能，但降尘效率相对于水喷雾，提高的幅度仅仅在 左右，无法有效降低井下粉尘浓度。因此，为高效防治矿井粉尘尤其是呼吸尘，针对磁化水、表面活性剂在矿井降尘应用过程中所展现的优缺点，提出一种基于磁化与表面活性剂协同增效作用改善水湿润性能的降尘技术，虽然该技术已在煤矿采掘工作面进行了初步的工程应用，但对磁化与表面活性剂协同改善水湿润性能的作用机制还缺乏系统研究，无法为高效制备强湿润性降尘水基介质提供相应的理论支撑，限制了该新型降尘技术的工业化应用。鉴于此，笔者拟从磁化、表面活性剂改善水湿润性能的角度出发，试验研究磁化与表面活性剂协同作用对溶液临界胶束浓度、表面张力及降尘效率的影响；并结合现场应用试验，分析讨论磁化与表面活性剂协同改善水湿润性能的作用机制，以期为实现强湿润性降尘水基介质的高效制备提供理论指导。试验方法.试验材料与设备 试验用煤样取自山西西山煤电公司西铭矿 综采工作面，煤质为贫煤。经破碎机和星球式球磨机研磨制备得到试验用煤样（.）。单体活性剂、复合型活性剂均为分析纯。此外，所采用的试验设备还包括傅里叶变换红外光谱仪、高速摄像机、喷雾降尘综合测试系统（自建）、界面张力仪、接触角测定仪等。.试验方法 ）为探究磁化对溶液微观分子结构的影响，采用红外光谱仪对不同磁感应强度条件下所制备得到的磁化水进行红外光谱测试。首先，溶液穿过不同磁感应强度环境制备得到试验用磁化水；其次，采用移液枪取少量待测液体放入液体池；最后，将液体池放入红外光谱仪中，激光透过视窗测得待测溶液的红外光谱。为更好地分析对比磁感应强度对水分子结构的作用，构建 个不同磁感应强度的磁化环境进行试验测试，分别为、。）为分析表面活性剂对水降尘性能的影响机制，采用高速摄像机捕捉雾滴与粉尘间接触过程中的形态变化，定性分析影响雾滴与粉尘结合的关键因素。同时采用高级扩展表面张力仪、接触角测试仪、粉尘沉降时间测试装置研究磁化前后单体及复配表面活性剂对水湿润性能的影响，进而分析表面活性剂对水湿润性能的作用机制。所用煤片是压片机在 压力条件下将.煤粉压制 制备得到。）为更加直观地探究磁化与表面活性剂协同作用对溶液降尘效率的影响，构建一套喷雾降尘综合测试系统，如图 所示。该系统能营造不同粉尘浓度的试验环境。通过该系统并结合湿润性能测试第 期周群等：磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制设备研究单一磁化、表面活性剂及两者间相互作用对水湿润性能的影响，进而分析磁化与表面活性剂协同改善水湿润性能的作用机制。图 喷雾降尘综合测试系统 试验结果与分析.磁化对水湿润性能的影响机制 为研究磁化对水分子结构的影响，测试并分析不同磁感应强度条件下所得磁化水的红外光谱，如图 所示。溶液在不同磁感应强度作用下红外光谱波峰的位置并没有发生改变，主要集中于 附近，经相关资料证实，该波峰代表的官能团为氢键结构。这证明溶液中水分子并不是以单一分子的形式存在，它们之间主要通过氢键来组成分子团簇结构，分子团簇的大小直接影响水物理化学性质。从图 可以看出，在 磁感应强度范围内，处红外光谱波峰随着磁感应强度的增加不断降低，说明磁化破坏了水分子团簇结构，使得氢键结构生成的速度小于破裂的速度，破坏了氢键的动态平衡。相关研究表明：随着温度的增加，水分子运动加剧导致水分子间氢键断裂，大分子团簇结构破碎成小分子集团，使得水表面张力逐渐减小，证实由氢键断裂引起的分子团簇结构变小能改善水湿润性能。为进一步验证磁化对氢键结构的影响，对不同磁感应强度下的溶液红外光谱进行图 不同磁感应强度下溶液红外光谱的变化 分峰面积拟合，如图 阴影部分所示。随着磁感应强度的增加，代表氢键的波峰峰面积逐渐变小。为能定量表征氢键结构的变化，计算分析不同磁感应强度下溶液氢键面积的占比，如图 所示。在 磁感应强度范围内，随着磁感应强度的增加红外光谱中氢键面积占比逐步减少，如在 磁化作用下，溶液氢键占比相对于未处理水减少.，证实磁化确实能破坏水分子间氢键结中国安全科学学报第卷年构，并随着磁感应强度的增加，水分子团簇结构破坏程度越大。然而，水分子间氢键结构并不是随着磁感应强度的增加一直破裂。从图 可以看出，当磁感应强度大于 后，随着磁感应强度的增加分子间氢键占比降低的幅度很小，这也说明水磁化存在着磁饱和效应，即在改善水湿润性能的过程中存在一个最优的磁感应强度。图 氢键占比随磁感应强度的变化 为更好地证明磁化在破坏水分子氢键结构后水湿润性能有一定的改善，通过溶液表面张力、接触角 种参数进行验证，如图 所示。随着磁感应强度的增加水湿润性能不断改善。同时，在 磁化作用下，水表面张力及接触角趋于最小化，相对于未 磁 化 的 水，表 面 张 力 及 接 触 角 分 别 减 少.、.，降低到.、.。然而，磁感应强度超过 后，水湿润性能变化趋于平缓，以上湿润性能测试结果与红外光谱试验所呈现的特征具有相似性。进一步证明磁化在改善水湿润性能方面，主要是通过破坏水分子间的氢键结构，降低溶液黏聚力来实现，同时，磁化对水湿润性能的影响具有磁饱和效应。.活性剂对水湿润性能的改善机制 雾滴与煤尘接触后并不能瞬间对其包裹沉降，而是通过黏附、变形、包裹 个过程实现，如图 所示。因此，液滴在与尘粒碰撞后是否易于发生变形对捕捉粉尘具有重要作用，而影响液滴变形的一个关键因素是溶液所具有的表面张力。即随着溶液表面张力的减小，在碰撞粉尘过程中液滴维持原有形态的能力越小，越易于发生变形，更利于包裹沉降粉尘。为能大幅降低水表面张力，进而改善雾滴对煤尘捕捉的能力，表面活性剂被大量应用于煤矿井下图 磁感应强度对水表面张力及接触角的影响 喷雾降尘过程。据相关研究表明：煤体在截割破碎作用下所形成的粉尘一般带有负电荷，为便于活性剂亲油基捕捉粉尘，降尘用活性剂不应选用带有阳离子亲水基的活性剂。图 液滴粉尘凝并过程 降尘用表面活性剂一方面利用所具有的亲水基及亲油基在水溶液表面形成隔离层，大幅降低气液表面张力；另一方面活性剂亲油基团为非极性基团，与芳香烃、脂肪烃等疏水性基团展现较强亲和力，伸向空气中的亲油基会黏附煤尘，在亲水基的作用下煤尘会被卷带进水溶液中使其湿润沉降，如图 所示。然而，阴离子活性剂亲水基带有负电荷，在溶液表面排布过程中由于受同电荷相斥的作用，导致活性剂在溶液表面所形成的隔离层并不紧密，减弱了活性剂改善水表面张力的能力，如图 所示。为能形成更加紧密的隔离层，采用阴非离子活性剂复配的形式进行协同增效，通过将少量非离子活性剂亲水基插入阴离子活性剂亲水基因斥力所形成的间隙中，来形成更加致密的隔离层，进一步降低溶液表面张力，大幅提高雾滴变形能力；同时，更多的疏水基伸向空气中形成粉尘抓手，来实现雾滴黏附包裹粉尘的目的，如图 所示。为进一步验证阴非离子活性剂复配对水湿润第 期周群等：磁化与活性剂协同改善水湿润性能的作用机制图 活性剂捕尘机制 性能的协同作用，采用静态试验（表面张力、接触角、沉降时间）与动态试验（降尘效率）相结合的方式进行对比试验。活性剂 是由阴离子活性剂 与非离子活性剂 复配得到，质量分数全部为.，纯水表面张力、接触角、沉降时间及降尘效率分别为.、.、.，不同活性剂溶液试验结果如图 所示。从图 可以看出，表面活性剂能大幅改善水湿润性能，表面张力、接触角相对于纯水都呈现出显著的减小；同时，对比活性剂 所展现的降尘性能，可以得出，阴离子活性剂在加入少量非离子活性剂 后所得到的复配活性剂 湿润性能有明显的降低，接触角、沉降时间分别比原有活性剂 降低.、.，达到.、.；降尘效率增加.，说明阴离子活性剂与非离子活性剂在改善水湿润性能方面具有协同效应。图 表面活性剂对溶液湿润性能的影响 .磁化对表面活性剂溶液湿润性能的影响 为进一步分析磁化与表面活性剂协同作用对水湿润性能的作用机制，系统研究磁化对不同类型活性剂湿润性能的影响，如图 所示。正如前期研究得出，溶液湿润性能在磁感应强度 、穿过磁场的速度 时降低幅度最大，因此，采用该磁化参数进行试验研究。磁化对活性剂溶液表面张力及接触角的影响如图 所示。阴离子活性剂（、）在磁化作用下表面张力及接触角都得到明显的降低，如阴离子表面活性剂 在质量分数为.时磁化作用使其接触角降低.，从.降低到.。这可能因为在适当磁化作用下阴离子活性剂亲水基头更易于在溶液表面进行吸附，隔离气液的接触，进而大幅改善水湿润性能。但非离子活性剂溶液湿润性能受磁化影响的程度较小，甚至在磁化作用下降尘性能反而减弱，如非离子活性剂 在质量分数.时磁化作用使其表面张力增大。分析原因可能是在磁化作用下非离子活性剂亲水基与水分子间所形成的氢键结构发生断裂，导致气液界面的隔离层松动。但在阴非离子活性剂复配研究中证实非离子活性剂的添加可以与阴离子活性剂间产生良好的协同效应，增强水湿润性能。因此，为保证磁化对活性剂溶液降尘性能的改善作用，同时也为使阴非离子活性剂以最低的复配成本达到最好的协同效应，磁化用活性剂应采用阴离子活性剂为主非离子活性剂为辅的复配体系。此外，从图 可以看出，在磁化作用下，阴离子活性剂（、）及复配活性剂 的临界胶束浓度都呈现出减少的趋势，如采用阴离子活性剂 为中国安全科学学报第卷年图 磁化对活性剂溶液表面张力及接触角的影响 主非离子活性剂 为辅复配得到的活性剂 临界胶束浓度降低，从.降低到.，有效减少降尘过程中的使用量。分析原因可能是由于带有负电荷的阴离子活性剂亲水基头在一定磁化作用下受到洛伦兹力的影响，更易于在水溶液表面形成隔离层。与之形成鲜明对比，非离子