張 洋，崔豫楠，閆晶晶，李治剛，郭紅光，李雨成

(太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

粉塵危害是煤炭開采與運(yùn)輸過程中的主要危害之一，嚴(yán)重影響煤礦的高效生產(chǎn)，同時威脅到工人的身體健康[1]。實(shí)測結(jié)果表明，即使采取了防塵措施，在綜掘工作面司機(jī)處的最大粉塵濃度依舊能達(dá)到400～900 mg/m3，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。根據(jù)2020年公布的《2019年我國衛(wèi)生健康事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2019年塵肺病患者數(shù)量約占全國職業(yè)病病例總數(shù)的82%，其中有58.66%的塵肺病患者分布在煤炭和有色金屬開采行業(yè)，塵肺病等職業(yè)病防治形勢仍然十分嚴(yán)峻[4-5]。因此，采取有效的粉塵防治措施，降低煤炭開采現(xiàn)場粉塵濃度迫在眉睫。

近年來國內(nèi)外學(xué)者通過研究提出了諸多降塵技術(shù)，其中噴霧降塵技術(shù)由于裝置簡單和成本較低而被廣泛應(yīng)用[6-8]。為提高噴霧降塵效果，有關(guān)科研人員對煤塵潤濕性開展了大量研究。董平等利用接觸角自動測量儀測量了5種不同變質(zhì)程度的超細(xì)煤粉的接觸角，發(fā)現(xiàn)超細(xì)煤粉的表面具有極強(qiáng)的疏水性[9-10]；楊靜等通過NMR和XPS實(shí)驗(yàn)對6種不同變質(zhì)程度的煤塵表面碳(氧)基團(tuán)的分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)芳香基團(tuán)和羥基分別是碳基團(tuán)和氧基團(tuán)的主要影響因子，對煤塵潤濕性的影響較大[11-12]。

相關(guān)研究人員基于不同煤種的物理化學(xué)特性及表面活性劑對煤塵潤濕性的影響進(jìn)行了大量的研究并取得了較大進(jìn)展，研究表明同一煤種因其粒徑變化也會對煤塵潤濕性及潤濕速率產(chǎn)生較大的影響[13-14]。為了研究粒徑對煤塵潤濕性的影響，筆者選取內(nèi)蒙古雁南煤礦的4組不同粒徑的褐煤煤粉，通過接觸角實(shí)驗(yàn)、紅外光譜測試、沉降實(shí)驗(yàn)和潤濕熱實(shí)驗(yàn)，從微觀和宏觀2個方面對煤塵潤濕性進(jìn)行研究，探討不同粒徑煤塵對潤濕效率的影響規(guī)律。該研究對優(yōu)化噴霧降塵中霧滴特性，提高礦井煤塵潤濕效率具有一定的參考價值。

1 實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品制備

將內(nèi)蒙古雁南煤礦褐煤煤樣放入球磨機(jī)中研磨一段時間后取出，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分得到4組粒徑：①1～74 μm(200目)、②75～95 μm(160目)、③96～119 μm(120目)、④120～180 μm(80目)樣品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)根據(jù)GB/T 30732—2014《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 31391—2015《煤的元素分析方法》標(biāo)準(zhǔn)，對煤塵樣品進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 煤粉的工業(yè)分析、元素分析結(jié)果 單位：%

2)采用SDC-350接觸角測量儀對煤粉樣品表面潤濕性進(jìn)行測定。利用成型煤粉法，將200 mg煤粉用壓片機(jī)在10 MPa壓力下壓制成直徑13 mm、厚度2 mm且具有光滑平面的圓柱煤片，用洗耳球吹掉煤片上的煤粉，利用測量儀測定接觸角[15]。

3)采用WKL-722粉塵分散度測試儀對不同粒徑煤粉樣品進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)研究。首先進(jìn)行煤粉樣品分散度測定，然后使用天平稱取100 mg實(shí)驗(yàn)煤粉，分別放入裝有200 mL不同溫度清水的量筒中，使其在靜置狀態(tài)下自然沉降12 h，12 h后抽取量筒中的懸浮液，最后用分散度測試儀對懸浮液中的煤粉進(jìn)行分散度測定。

4)為探究不同粒徑煤塵表面微觀結(jié)構(gòu)的差異，采用FTIR-1500傅里葉變換紅外光譜儀對煤塵進(jìn)行FTIR光譜測定。先將烤箱內(nèi)在恒溫105 ℃條件下干燥12 h的實(shí)驗(yàn)煤粉樣品放置于瑪瑙研缽中，再加入干燥的光譜純溴化鉀(溴化鉀的質(zhì)量是樣品的200倍)，充分混合均勻后取適量的混合樣品置于壓模中，使其分布均勻。把壓模水平放置于壓片機(jī)座上，將其加壓至10 MPa，等待2 min，確保其均勻、無殘缺、表面平滑且透光好。取出供試片并置于紅外光譜儀樣品室進(jìn)行測試[16]。

5)采用Staram C80微量熱儀對4組粒徑煤粉樣品進(jìn)行潤濕熱測定，溫度設(shè)定為30 ℃、恒溫。將提前篩分的4組粒徑干燥煤粉各稱取200 mg放置于膜混合池底部，用鋁箔膜將其密封，然后在膜混合池上部放入1.5 mL的蒸餾水，隨后將其放入微量熱儀中，待恒溫平衡之后，用膜混合池自帶的頂針刺破鋁箔膜，使水和煤粉樣品接觸。由軟件記錄4組粒徑煤塵潤濕過程的熱流線，待潤濕過程結(jié)束后，對熱流線進(jìn)行積分，得到潤濕熱值[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤濕接觸角分析

所謂接觸角是指在一固體水平平面上滴一液滴，在固體表面上的固—液—?dú)馊嘟唤琰c(diǎn)處，氣—液界面和固—液界面兩切線把液相夾在其中時所形成的角度。一般而言，接觸角越小，潤濕性越好，一般把接觸角θ=90°定義為潤濕與否的標(biāo)準(zhǔn)：θ>90°為不潤濕;θ<90°為潤濕[18]。

實(shí)驗(yàn)測得不同粒徑煤塵的接觸角數(shù)據(jù)如圖1 所示。

(a)測試圖片

由圖1可以明顯看出，褐煤的潤濕性較好，但是隨著煤塵粒徑增大，煤塵的接觸角呈下降趨勢，由最大59.183°減小到39.684°，說明煤塵粒徑的減小導(dǎo)致了煤塵潤濕性的降低。

2.2 煤塵的沉降分析

在清水沉降實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定4種恒定沉降溫度(20、25、30、40 ℃)，沉降時間為12 h，沉降后抽取量筒中部區(qū)域的懸浮液，并對其進(jìn)行分散度測定。選取占比較大且具有代表性的較小粒徑煤塵S1(1≤S1<2 μm)和S2(2≤S2<3 μm)，較大粒徑煤塵B1(120≤B1<140 μm)和B2(140≤B2<160 μm)進(jìn)行粒徑分布情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計。不同恒定沉降溫度下懸浮液煤塵粒徑分布曲線如圖2所示。

圖2 不同恒定沉降溫度下懸浮液煤塵粒徑分布曲線

由圖2可見，相較于對照組原始煤塵的分散度占比情況，小粒徑煤塵S1和S2隨著懸浮液溫度升高其占比逐漸增大；而大粒徑煤塵B1和B2隨著懸浮液溫度升高其占比逐漸降低。這一現(xiàn)象表明：小粒徑煤塵受高溫影響，熱膨脹導(dǎo)致小粒徑煤塵密度變小，導(dǎo)致煤塵上升(浮力大于重力)；大粒徑煤塵受高溫影響(熱動力)，加劇了煤塵沉降。

對煤塵沉降實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，懸浮液中的煤塵顆粒主要受到自身重力、浮力、靜電斥力，以及溶液對煤塵的潤濕能力等的影響[19]。通過研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤塵顆粒較大時，重力對煤塵沉降起主要作用，因此沉降速度較快，而且隨著溫度的增高會加速煤塵沉降;當(dāng)煤塵顆粒較小時，浮力作用突顯，同時煤塵間靜電斥力增強(qiáng)，煤塵顆粒更易懸浮于流體中，同時高溫強(qiáng)化了浮力作用，使其更不容易團(tuán)聚沉降。沉降效果在一定程度上反映了不同粒徑煤塵的潤濕性差異，并為噴霧降塵機(jī)理的闡述奠定了基礎(chǔ)。

此外，由樣品沉降實(shí)驗(yàn)可知，潤濕速率隨煤塵平均粒度的增大而增高，因?yàn)樵趫D2中大粒徑的初始煤粉樣品都在沉降12 h之后下降了。從25 ℃懸浮液的占比情況可以看出，大粒徑煤塵B1+B2占比由一開始的13.61%降至3.59%，而小粒徑煤塵S1+S2占比卻從開始的11.03%在沉降之后的懸浮液中增加至24.39%，這一結(jié)果表明大粒徑煤塵在沉降過程中潤濕比較好。其原因是粒徑越小的煤塵表面不飽和性越大，加之粒徑越小的煤塵表面粗糙程度越高，煤塵潤濕性越差[19]。

2.3 煤塵表面官能團(tuán)分析

煤是芳香大分子縮聚而成的高分子聚合物，這些大分子由許多不同特點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)單元組成，核心是縮合芳香環(huán)。已有研究表明，脂肪烴、芳香烴等基團(tuán)是煤塵表面的主要疏水基團(tuán)，是決定煤塵表面疏水性的主要因素；羧基、羥基等含氧官能團(tuán)及礦物類基團(tuán)，則是導(dǎo)致煤塵親水性的主要因素[20]。實(shí)驗(yàn)所測不同粒徑煤塵的紅外光譜如圖3所示。

圖3 不同粒徑煤塵的紅外光譜圖

由圖3可以看出，4組粒徑煤塵紅外光譜圖的吸光度的變化趨勢較相似，在796.176～804.542、1 094.568～1 102.934、1 614.662～1 623.028、2 919.777～2 928.143、3 421.744～3 430.111 cm-1附近都出現(xiàn)了吸收峰，這5處吸收峰分別對應(yīng)取代苯類的吸收帶、石英Si—O—Si的反對稱伸縮振動帶、芳香族環(huán)的伸縮振動峰、脂肪族系列的伸縮振動峰、羥基—OH形成的氫鍵吸收帶。雖然各組煤塵吸光度的變化趨勢較相似，但光譜的強(qiáng)度峰寬還是存在差異，說明煤塵粒徑的變化導(dǎo)致其官能團(tuán)占比也發(fā)生了變化。通過軟件對與煤塵潤濕性密切相關(guān)的含氧基團(tuán)占比進(jìn)行分析，利用基團(tuán)的峰面積比來表示其占比，得到不同粒徑煤塵的含氧官能團(tuán)占比如表2所示[15]。

表2 不同粒徑煤塵的含氧官能團(tuán)占比

由表2可以看出，羥基—OH由大粒徑煤塵的35.86%降至小粒徑煤塵的29.82%，羧基—COOH由大粒徑煤塵的14.25%降至小粒徑煤塵的5.26%，說明隨著煤塵粒徑的減小，含氧官能團(tuán)數(shù)量逐漸減少，煤塵親水性影響因子減小[7，12]。

2.4 潤濕熱分析

潤濕熱是指煤被液體潤濕時釋放出的熱量，通常用1 g煤被潤濕時釋放出的熱量作為煤的潤濕熱。在30 ℃的條件下測得不同粒徑煤塵的潤濕熱流線如圖4所示。通過對熱流線積分得到不同粒徑煤塵潤濕熱值見表3。

圖4 不同粒徑煤塵的潤濕熱流線圖

潤濕熱的產(chǎn)生是液體在煤的孔隙內(nèi)表面上發(fā)生吸附作用的結(jié)果，其大小受礦物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、比表面積等多種因素影響，一般來說，隨著煤階的降低，煤塵表面的潤濕熱越大，其潤濕性越好[21]。

由圖4和表3可以看出，在潤濕初期，由于水分子在煤塵表面充分鋪展，4組粒徑煤塵潤濕過程迅速發(fā)生，后期由于受到孔隙阻力的影響，潤濕放熱速率減小；與大粒徑煤塵相比，粒徑較小的煤塵熱流線峰值均上升且上升幅度較為明顯,粒徑120～180 μm煤塵的放熱速率在2.6 min達(dá)到了峰值，其潤濕熱值為10.015 J/g;而粒徑1～74 μm煤塵的放熱速率在3.2 min才達(dá)到峰值，其潤濕熱值為28.588 J/g，這說明同一種煤塵隨著粒徑的減小，潤濕熱逐漸增大。這有可能是煤粉在細(xì)化過程中，隨著煤塵粒徑的減小，煤塵內(nèi)部的一些微孔被打開，導(dǎo)致煤塵比表面積增大，吸附作用增強(qiáng)，潤濕熱受其主導(dǎo)也增高[15]。而本文前面的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明煤塵粒徑越小其潤濕性越差，為了更好地分析潤濕熱與潤濕性之間的相互關(guān)系，對圖1與表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析,得到煤塵潤濕熱與接觸角的擬合關(guān)系，如圖5所示。

圖5 煤塵潤濕熱與接觸角的擬合關(guān)系圖

由圖5擬合得到煤塵潤濕熱與接觸角的關(guān)系式為y=0.899x-24.219，相關(guān)性較高(R2=0.934)，可以發(fā)現(xiàn)同一種煤隨著煤塵粒徑的減小，潤濕熱與接觸角相繼增大，煤塵潤濕性變差。因此，潤濕熱在這里可以表征同一種煤(雁南煤礦褐煤)不同粒徑煤塵的潤濕性好壞。

3 結(jié)論

1)對于同一煤種，隨著煤塵粒徑的減小，煤塵與液體的接觸角逐漸增大(39.684°～59.183°)，疏水性增強(qiáng)，雁南煤礦煤塵隨著粒徑減小其潤濕性變差。

2)清水沉降實(shí)驗(yàn)中，較大粒徑煤塵B1+B2和較小粒徑煤塵S1+S2的占比由沉降前的13.61%、11.03%，在25 ℃懸浮液中沉降后分別變?yōu)?.59%、24.39%，表明大粒徑煤塵更容易親水沉降。

3)相同煤種不同煤塵粒徑紅外譜圖的吸光度變化趨勢非常相似，通過計算發(fā)現(xiàn)隨著煤塵粒徑的減小，煤塵所含的含氧官能團(tuán)逐漸減少，煤塵親水性影響因子減小。

4)對于同一煤種(雁南煤礦褐煤)，隨著煤塵粒徑的減小其潤濕熱與接觸角相繼增大，潤濕性變差，表明潤濕熱可以用于表征同一煤種不同粒徑煤塵潤濕性的好壞。