磁化复配表面活性剂对难浸润煤尘润湿改性的量化研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(,);山西省基础研究计划项目()作者简介:张鹏莉,硕士研究生,主要研究方向为粉尘防治理论与技术。通信作者:葛少成,博士,教授,主要研究方向为粉尘防治理论与技术。:磁化复配表面活性剂对难浸润煤尘润湿改性的量化研究张鹏莉,葛少成,庞星宇,孙丽英,姚文军,陈曦,年军(太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 )摘要:为提高矿井湿式降尘效率,以典型难浸润的阳泉无烟煤和灵石焦煤为研究对象,通过逐步回归方法对表面张力及接触角进行定量化研究,优选复配单体溶液;通过将复配实验与磁化实验相结合,得到
2、 种煤的优选降尘配方,并通过降尘模拟实验验证磁化复配表面活性剂的降尘效果。研究结果表明:种煤尘的润湿结果均为磁化复配表面活性剂 未磁化复配溶液 单体活性剂溶液 水溶液;逐步回归模型结果表明,溶液质量分数、亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量均与表面张力呈负相关,亲水基总分子量 总分子量与表面张力呈正相关;溶液质量分数和总分子量与接触角呈负相关,疏水基碳链长度、总碳相对原子质量 总分子量、亲水基分子量 总分子量与接触角呈正相关;磁化复配表面活性剂的降尘效率最优。研究结果可为矿井降尘提供技术支撑。关键词:表面活性剂结构;复配;磁化实验;逐步回归中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,
3、:;引言煤炭是我国重要能源资源,其开采过程中产生的粉尘容易造成环境污染并危害煤矿从业人员的健康 。目前,湿式降尘是矿井除尘的主要方法,但由于水的表面张力较大且煤尘具有疏水特性,传统的水雾降尘效率极低且容易造成资源浪费。在现有技术基础上,通过添加一定质量分数的表面活性剂或将水进行磁化,可有效提高水的表面张力,从而提高水滴对煤尘颗粒的润湿效率,进而起到降尘效果 。目前,国内外学者对煤尘润湿性开展研究。蒋海波等 通过沉降实验和表面张力测试,研究不同表面活性剂复配对煤尘润湿速度的影响。张丽颖 通过煤尘改性实验对 种表面活性剂进行优选复配,发现不同种类表面活性剂对同种煤尘的润湿能力存在差异,合适的复配表
4、面活性剂比单体表面活性剂润湿效果更优。刘志超等 研究发现一定条件下水被磁化后,可有效提高煤尘的润湿效果。等 研究亲水元素和疏水元素对煤 水接触角的影响,发现煤中的芳香烃甲基、羟基含量是表面活性剂活性的主要影响因素。综上,现有煤尘润湿性研究主要以分析煤尘自身性质为主,针对表面活性剂结构对接触角和表面张力的定量化研究较少。鉴于此,本文实验选取中等变质程度煤尘(灵石焦煤)和高等变质程度煤尘(阳泉无烟煤),采用逐步回归模型对 种表面活性剂溶液的接触角及表面张力进行定量化研究 ,并优选出一定质量分数的单体溶液进行复配,通过对优选复配溶液进行磁化,基于降尘实验验证本文磁化复配表面活性剂溶液的降尘效果。研究
5、结果可用于抑尘剂的快速优选,为不同变质程度煤尘降尘效果预测提供依据。实验材料与方法 实验材料煤尘的润湿性与其组成成分和化学结构相关。通过分析灵石焦煤和阳泉无烟煤煤尘的红外谱图发现,种煤尘的出峰位置基本相同,但出峰强度存在差异且各个基团的含量不同,特别是阳泉无烟煤的羟基和灰分含量更少,这说明阳泉无烟煤比灵石焦煤更难润湿。实验用水为自来水,表面活性剂为 种阴离子表面活性剂(快速渗透剂 、)和 种非离子表面活性剂(、),如表 所示。实验方法不同表面活性剂对煤尘的润湿效果不同 ,润湿效果可通过表面张力、接触角进行表征。优选单体进行复表 实验用表面活性剂 表面活性剂化学名称分子量 壬基酚聚氧乙烯醚 烷基
6、糖苷 脂肪醇聚氧乙烯醚 快速渗透剂 (快 )磺化玻拍酸二辛酷钠盐 失水山梨糖醇脂肪酸酯 十二烷基硫酸钠 配,然后针对优选复配溶液进行磁化耦合,并重新测量表面张力及接触角。具体实验步骤如下:)表面张力 接触角测量。种表面活性剂均配置成质量分数为 ,的溶液,每种表面活性剂各 组,共 组;采用悬滴法并利用 自动接触角 表面张力仪测量溶液接触角,取 次测量数据的平均值 。)外加磁场磁化参数确定。确定灵石焦煤和阳泉无烟煤的复配溶液后,启动多极磁化循环水装置,固定水流流速为 ,水流量为 ,分别在 ,的循环磁化处理下对水样进行 ,的磁场强度处理,测量不同磁化强度、磁化时间下的溶液表面张力及接触角。实验结果分
7、析 表面活性剂单体优选结果分析表面活性剂对煤尘的润湿性取决于气 液表面张力以及溶液与煤尘接触角 个方面,表面张力和接触角越小,润湿性能越好 。单体表面活性剂测量结果如图 所示。随质量分数增加,种单体表面活性剂下,种煤尘的接触角均逐渐减小且减小幅度逐渐变缓。其中,快速渗透剂 与 的接触角均较小,润湿性较好,因此本文最终选择 的快速渗透剂 溶液和 的 溶液,种单体溶液对灵石焦煤的接触角分别为 ,对阳泉无烟煤的接触角分别为 ,。逐步回归分析)表面活性剂分子结构表面活性剂分子结构如图 所示,种表面活性剂结构、亲水基(图中方框内为亲水基)的亲水官能团以及疏水基中的碳链长度均不同 。)表面张力定量化研究第
8、 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术图 单体表面活性剂测试结果 图 种表面活性剂分子结构 采用 软件中的逐步线性回归分析方法,以表面张力为因变量,逐步剔除多重共线性因素,以溶液质量分数、亲水基总分子量 总分子量、亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量为自变量,分析表面活性剂结构与表面张力之间的关系,并对此线性假设进行验证。针对表面张力定量研究的逐步回归法分析结果见表 。经数据分析得到结果相关性系数 为 ,判定系数 为 ,校正后的判定系数为 。模型通过 检验(,),说明模型有效。模型公式如式()所示:()式中:为 表 面 张 力,;为 溶 液 质 量 分数,;为亲水基总分子量 总分子量
9、,;为亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量,。综上,对表面张力影响程度由大到小依次为亲水基总分子量 总分子量 亲水基中总氧相对原子质量 亲表 针对表面张力定量的逐步回归法分析结果 项目回归系数标准误差标准系数 共线性统计量容差 常量 质量分数 亲水基总分子量 总分子量 亲水基中总氧相对原子质量 亲水基总分子量 水基总分子量 质量分数。从标准系数正负可知,亲水基总分子量 总分子量与表面张力呈正相关,其余自变量与表面张力呈负相关。这说明表面活性剂亲水能力取决于不同种类亲水基团内可与水中氢原子形成氢键的氧原子数目。相比表面活性剂中亲水基团种类,分子上亲水基团含量对活性剂亲水能力的影响更加显著,这
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