赵晓亮，岳阳霞，宋子岭，韩方伟，邹佳霖

（1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；3.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

随着煤矿开采机械化程度的不断提高，生产中存在的大量煤粉尘对职工身体健康、采煤设备及井下环境均构成极大安全隐患，引起广泛关注[1－4]。目前我国大多数煤矿常采用喷雾降尘技术进行除尘，但对于油性较大的难润湿性类煤尘颗粒，传统的湿式除尘效率并不理想[5]。润湿性是煤重要的理化特性指标之一，在煤层注水降尘、选煤及煤矿开采中，由于国内煤炭资源具有不同程度的疏水性，很难被单一水体润湿[6－7]。通过添加表面活性剂，活性剂分子会在水溶液表面上定向排列，利用表面活性剂的亲水基、亲油基所组成的特殊结构，使得水的表面性质得以较大的改善，对降尘效果会有明显改善[8－11]。有研究表明，无机盐能够不同程度地改善表面活性剂的润湿效果[12]。为此主要研究无机盐离子对表面活性剂的影响。表面活性剂包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂及非离子表面活性剂，表面活性剂2 大基本性质是在界面形成吸附单分子层和在溶液中形成胶束。对于表面活性剂混合体系来说，其特征现象是在界面形成混合吸附单层和在溶液中形成混合胶束。无机盐对表面活性剂性质的影响主要体现在临界胶束浓度和胶束聚集结构2 个方面[13]。当煤尘被润湿剂润湿沉降后，煤尘表面的水分会慢慢挥发，水分挥发后会使煤尘容易随着井下活动而产生二次飞扬，而无机盐由于本身具有一定的吸湿性，会持续性地从周围环境中吸收水分，因此可以在长时间内使煤尘保持被润湿的状态，使煤尘不至于在短时间内失水干燥，发生二次飞扬[14]。无机盐种类与浓度梯度是影响润湿性的2个重要因素，通过煤尘润湿沉降实验与最佳添加量确定实验，分别确定最佳无机盐以及最佳无机盐的最佳添加量。

1 实验样品与实验方法

1.1 样品制备

实验所用样品取自辽宁红阳二矿，煤种为肥煤，将原煤样用锤子进行初步破碎，采用实验用微型球磨机对初步破碎后的煤样进行研磨，研磨后的煤粉过100 目（φ150 μm）筛，在空气中自然风干后即制备成实验自制煤尘。同时在该矿开采工作面布置采样器采取开采过程中产生的煤尘，用以与实验煤尘进行分析比对。采用LA－300 型激光粒度分析仪对开采面煤尘和实验自制的煤尘进行粒度分析，煤样的特征粒度参数表见表1。

表1 煤样的特征粒度参数表

由表1 可知采面煤尘的D50＝14.897 μm，实验自制煤尘的D50＝10.017 μm，实验自制煤尘的中值粒径略小于开采面煤尘。而由于粒径越小，煤尘的润湿性越差，实验自制煤尘相较于开采面煤尘更难被润湿，因此可以使用实验自制煤尘进行实验。

经实验[15]筛选，选出4 种表面活性剂分别为快渗T、SAS－60、OA－12、Lutensol XP－90，将优选出的无机盐NaCl、Na2SO4、CaCl2、MgCl2分别配置成溶液，再与4 种表面活性剂单体溶液进行复配。

1.2 实验方法

测定方法依据MT506—1996 矿用降尘剂性能测定。将NaCl、Na2SO4、CaCl2、MgCl24 种常见的无机盐按照质量分数0.1%分别与质量分数为0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、0.60%、0.80%、1.00%的4 种表面活性剂单体溶液进行复配。取100 mL 配置好的溶液转移至100 mL 烧杯，称取500 mg 自然风干后的实验自制煤尘进行煤尘沉降实验。每个浓度的表面活性剂和无机盐复配溶液重复3 次沉降实验，计算3 次实验结果的平均值作为最终结果，要求每次测定值与平均值之间的偏差≤7%，根据实验煤尘的质量和沉降时间计算出煤尘在溶液中的沉降速度。绘制煤尘在不同表面活性剂单体和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线。

2 实验结果

2.1 无机盐对表面活性剂的影响

2.1.1 盐溶液对表面活性剂快渗T 的影响

快渗T 是阴离子表面活性剂，煤尘在快渗T 和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线如图1。

图1 煤尘在快渗T 和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线

对于快渗T 来说，在质量分数较低时，添加无机盐能够有效改善溶液对煤尘的润湿性，但随着复配溶液质量分数的增加，煤尘的沉降速度上升的趋势逐渐趋于平缓，这是无机盐降低了表面活性剂的临界胶束浓度，使复配溶液中更容易出现胶束，对煤尘的润湿性能也到达了临界值。在4 种无机盐中，NaCl对快渗T 的增效作用最强，而CaCl2对快渗T 的增效作用最弱，在复配溶液质量分数较高时，甚至抑制了复配溶液对煤尘的润湿性，这主要是由于CaCl2中的二价钙离子容易和溶液中的弱酸根相结合形成难溶于水的物质，降低了表面活性剂的活性，因此对煤尘的润湿起到了反作用。

2.1.2 盐溶液对表面活性剂SAS－60 的影响

SAS－60 是阴离子表面活性剂，煤尘在SAS－60和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线如图2。

图2 煤尘在SAS－60 和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线

对SAS－60 来说，同样在质量分数较低时，无机盐的添加对溶液润湿煤尘的能力有着明显的改善作用，但随着溶液质量分数的增加，这种增效作用不再明显，四种无机盐中，在溶液质量分数小于0.2%时，MgCl2的增效作用最为明显，而CaCl2会对SAS－60 润湿煤尘产生不利的影响。有研究表明[16]CaCl2及MgCl2对体系有明显的沉淀在溶解过程，其中Ca2＋更加明显，这与其水化半径相关，水化半径较小更容易与亲水基头作用，因此Ca2＋的加入对沉降速度的影响要小于其他无机盐溶液。

2.1.3 盐溶液对表面活性剂OA－12 的影响

OA－12 为两性离子表面活性剂，煤尘在OA－12和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线如图3。

图3 煤尘在OA－12 和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线

对OA－12 来说，添加无机盐对溶液润湿煤尘的能力有着明显的改善，这是由于添加无机盐后，电离出的阴阳离子有效中和了两性离子表面活性剂亲水基电离出的阴阳离子，降低了电性斥力，提高了界面吸附层的饱和吸附量，有效降低了溶液的表面张力，提高了对煤尘的润湿性，4 种无机盐中，NaCl 对OA－12 的增效作用最明显。

2.1.4 盐溶液对表面活性剂Lutensol XP－90 的影响

煤尘在Lutensol XP－90 和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线如图4。

图4 煤尘在Lutensol XP－90 和无机盐的复配溶液中的沉降速度曲线

对Lutensol XP－90 来说Lutensol XP－90 为非离子表面活性剂，无机盐的加入对其溶液润湿煤尘的能力影响不大，主要是由于非离子表面活性剂在水中呈电中性，无法电离出阴阳离子，在煤尘上的吸附方式主要是色散力吸附。有研究表明，无机盐对非离子表面活性剂的相行为影响的原因是无机盐改变的溶剂的性质，使溶剂对表面活性剂疏水基团产生“盐析”或“盐溶”作用[17]。因此添加无机盐并不能有效改善非离子表面活性剂对煤尘的润湿作用。

无机盐会在溶液中电离出阴阳离子，对非离子表面活性剂来说，由于其在水中呈电中性，因此无机盐的对其影响较小，但对于离子型表面活性剂，无机盐的加入对其有存在着显著的影响，这主要是因为离子键的静电作用使无机盐能够压缩离子头双电层的厚度，降低双电层之间的斥力[18]，从而使表面活性剂更容易在溶液表面聚集，增加了溶液表面单分子吸附层中表面活性剂分子的数量。因此在表面活性剂体系中加入适量的无机盐可以增加其活性，使表面活性剂降低溶液表面张力的能力和效率得到一定的提高。在4 种无机盐中，NaCl 可以有效提高低质量分数离子型表面活性剂溶液对煤尘的润湿能力，因此通过煤尘沉降实验进一步确定NaCl 的最佳添加量。

2.2 无机盐添加量

煤尘在不同浓度的NaCl 和不同表面活性剂复配溶液中的沉降速度曲线如图5。

图5 煤尘在不同浓度的NaCl 和不同表面活性剂复配溶液中的沉降速度曲线

对离子型表面活性剂来说，当无机盐浓度增加时，复配溶液对煤尘的润湿速度会出现先上升后下降的趋势，对非离子型表面活性剂来说，添加无机盐后溶液的润湿速度会出现小幅上升，随着无机盐浓度的升高，溶液对煤尘的润湿速度基本不发生变化。在离子型表面活性剂中，当NaCl 添加量在0.02%时，快渗T 复配溶液对煤尘的润湿性最好，当NaCl添加量大于0.15%时，开始逐渐出现了抑制作用；当NaCl 添加量在0.15%时，OA－12 复配溶液对煤尘的润湿性最好；当NaCl 添加量在0.20%时，SAS－60 复配溶液对煤尘的润湿性最好。对非离子型表面活性剂Lutensol XP－90 来说，当NaCl 添加量在0.02%时，复配溶液对煤尘的润湿能力有了小幅提升，但随着NaCl 添加量的增大，复配溶液对煤尘的润湿性影响不大。由此可见，对快渗T 和SAS－60 复配体系，NaCl 的添加量应在0.02%～0.15%；对OA－12 和Lutensol XP－90复配体系，NaCl的添加量应在0.02%～0.15%。

3 结论

在一定浓度范围内，添加无机盐有助于提高表面活性剂对煤尘的润湿性能。所选的NaCl、Na2SO4、CaCl2、MgCl24 种无机盐中，NaCl 对表面活性剂润湿性的改善效果最为显著。对于快渗T 和SAS－60 复配体系，无机盐NaCl 的最佳添加范围为0.02%～0.2%；对于OA－12 和Lutensol XP－90 复配体系，最佳添加范围为0.02%～0.15%。