張迎新, 唐 露, 王佳偉, 楊 康

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著煤炭開(kāi)采機(jī)械化率的提高,井下各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)塵量大幅增加。井下煤塵濃度過(guò)高易導(dǎo)致煤塵發(fā)生爆炸,且煤塵漂浮在空氣中,人體長(zhǎng)期吸入會(huì)對(duì)健康造成損害[1]。添加化學(xué)抑塵劑的噴霧降塵是目前各個(gè)礦井采用較多的降塵方法[2]。按照化學(xué)抑塵劑的抑塵機(jī)理分類,化學(xué)抑塵劑可以分為粉塵濕潤(rùn)劑、粘結(jié)劑和凝聚劑三大類。濕潤(rùn)劑用于提高水對(duì)粉塵的濕潤(rùn)能力和抑塵效果,它特別適合于疏水性的呼吸性粉塵。郭王勇等[3]研究發(fā)現(xiàn)抑塵劑的潤(rùn)濕性與煤塵的灰分,液固之間的表面張力以及抑塵劑的電動(dòng)電位有關(guān)。李仲文等[4]利用懸滴法和座滴法分別測(cè)定了多種濕潤(rùn)劑溶液的表面張力以及與無(wú)煙煤的接觸角,優(yōu)選出了一種抑塵效果較好的潤(rùn)濕劑溶液。以上這些研究可以有效降低大粒徑煤塵濃度,但對(duì)75 μm及以下粒徑煤塵作用效果有限。75 μm及以下粒徑煤塵是煤塵爆炸的主要參與成分,這部分煤塵不易沉降,長(zhǎng)期漂浮在空氣中。

團(tuán)聚技術(shù)是提高細(xì)顆粒物清除效率的有效方法,團(tuán)聚技術(shù)主要有聲團(tuán)聚[5]、電團(tuán)聚[6]、磁團(tuán)聚[7]、化學(xué)團(tuán)聚[8-9]等幾種方式。其中化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)是通過(guò)化學(xué)團(tuán)聚劑將細(xì)微顆粒團(tuán)聚,化學(xué)團(tuán)聚劑是粉塵粘結(jié)劑,它不同于濕潤(rùn)劑通過(guò)改變水和粉塵表面的極性從而加速潤(rùn)濕粉塵,也不同于凝聚劑通過(guò)吸收大量水分使粉塵保持較高的含濕量從而防止揚(yáng)塵。化學(xué)團(tuán)聚劑是通過(guò)高分子鏈的吸附搭橋作用使粉塵團(tuán)聚長(zhǎng)大,增大粒徑[10]。化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)在電廠降低燃煤飛灰濃度中應(yīng)用廣泛,能有效團(tuán)聚常規(guī)除塵器難以捕捉的細(xì)微粒徑飛灰。

傳統(tǒng)的純水噴霧降塵對(duì)75 μm及以下粒徑煤塵除塵率較低,化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)可將這部分煤塵團(tuán)聚長(zhǎng)大,加速沉降。煤礦使用化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)無(wú)需改變正常生產(chǎn)條件及現(xiàn)有除塵設(shè)備,通過(guò)在噴霧降塵的水中添加適量團(tuán)聚劑,可以有效降低井下煤塵濃度。筆者根據(jù)團(tuán)聚劑合成方法及分子鏈所帶電荷性質(zhì)不同,選取了5種化學(xué)團(tuán)聚劑,通過(guò)對(duì)團(tuán)聚前后煤塵粒徑變化的分析,研究團(tuán)聚劑種類,濃度以及溫度對(duì)團(tuán)聚效果的影響,探究煤塵的團(tuán)聚行為。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品與試劑

實(shí)驗(yàn)煤樣取自七臺(tái)河礦業(yè)集團(tuán)公司建設(shè)煤礦。在參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)降塵用團(tuán)聚劑配方、專利及相關(guān)學(xué)術(shù)論文的基礎(chǔ)上,本著無(wú)毒無(wú)害、保存時(shí)間長(zhǎng)且理化性質(zhì)不變、不可燃、對(duì)金屬和橡膠無(wú)腐蝕、成本低且運(yùn)輸方便的原則,從現(xiàn)有的團(tuán)聚劑中優(yōu)選了用途較廣的陰離子、非離子、陽(yáng)離子3類團(tuán)聚劑,5種試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[11-12]。其中,羧甲基纖維素鈉(簡(jiǎn)稱CMC),為陰離子,分子式為C6H7O2(OH)2OCH2COONa,黃單胞多糖(簡(jiǎn)稱XTG),為陰離子,分子式為C8H14Cl2N2O2,離子聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱PAM),為非離子,分子式為CH2CHCONH2,陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱CPAM),為陽(yáng)離子,結(jié)構(gòu)式為[CH2CH(CONH2)]-[(CH2CH)COO-CH2CH2N+(CH3)3CL],陰離子聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱APAM),為陰離子,結(jié)構(gòu)式為[CH2CH(CONH2)]-[CH2CH(COONa)]。試劑均購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備主要包括水浴鍋、粒徑分析儀、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、恒溫加熱箱、電子天平、燒杯。其中,溶液溫度控制與攪拌轉(zhuǎn)速控制采用HH-J2型數(shù)顯攪拌水浴鍋,轉(zhuǎn)速可控范圍0～2 000 r/min,溫度可控范圍0～80 ℃。煤塵粒徑分布使用馬爾文Mastersizer3000E激光粒度分析儀測(cè)量,該儀器采用激光衍射技術(shù)測(cè)量粒度,當(dāng)激光束穿過(guò)分散的顆粒樣品時(shí),通過(guò)測(cè)量散射光的強(qiáng)度來(lái)完成粒度測(cè)量,數(shù)據(jù)用于分析計(jì)算形成該散射圖譜的粒度,可測(cè)量粒度范圍為0.1～1 000 μm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

煤樣取自七臺(tái)河礦業(yè)集團(tuán)公司建設(shè)煤礦,將其放入密封袋內(nèi)保存送至實(shí)驗(yàn)室,利用破碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行破碎處理,使用200目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩篩選后保存。實(shí)驗(yàn)時(shí)稱取煤塵樣品1 g,將其加入不同溫度的500 mL團(tuán)聚劑溶液(團(tuán)聚劑與去離子水配制)中,使用電磁攪拌儀(700 r/min)攪拌3 min,使液面上產(chǎn)生紊流條件,煤塵均勻分布于溶液中,從而促進(jìn)煤塵發(fā)生團(tuán)聚。常溫靜置沉降24 h,使用恒溫加熱箱保持與團(tuán)聚劑溶液相同溫度,對(duì)其烘干后取團(tuán)聚煤塵樣品,使用激光粒度分析儀測(cè)試團(tuán)聚后煤塵粒徑分布,取累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑D10、累計(jì)粒度分布數(shù)達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑D50等具有代表性的參數(shù),每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚劑種類

煤塵團(tuán)聚是通過(guò)團(tuán)聚劑的分子鏈將兩個(gè)或更多的煤塵吸附,再通過(guò)分子鏈自身的“架橋”方式將其連接,從而使得被吸附的煤塵之間相互接觸,團(tuán)聚長(zhǎng)大。不同團(tuán)聚劑的分子量與分子結(jié)構(gòu)存在差異,故其對(duì)煤塵的團(tuán)聚效果也不盡相同。

圖1為團(tuán)聚劑溶液溫度t=25 ℃,攪拌轉(zhuǎn)速700 r/min,團(tuán)聚劑濃度0.1 g/L時(shí),不同種類團(tuán)聚劑溶液對(duì)煤塵團(tuán)聚作用的影響。主要表征為D10及D50參數(shù)的變化。

圖1 不同種類團(tuán)聚劑的團(tuán)聚效果Fig.1 Agglomeration effect of different agglomeration agents

從圖1可以看出,未添加任何團(tuán)聚劑的去離子水中,D10為6.16 μm,D50為26.9 μm,使用XTG團(tuán)聚后,D10與D50分別增至15.2 μm及82.9 μm,煤塵的粒徑分布有明顯增長(zhǎng),表明煤塵與團(tuán)聚劑分子鏈之間產(chǎn)生了吸附反應(yīng)。因?yàn)椴煌膱F(tuán)聚劑所含分子量不同,對(duì)煤塵的團(tuán)聚促進(jìn)作用有所差異,其中,XTG的分子量適中,分子鏈為線性結(jié)構(gòu),伸展度較好[13],促進(jìn)效果最好。APAM團(tuán)聚效果略優(yōu)于PAM和CPAM,這是因?yàn)閷?duì)于疏水性固體粒子在水中分散時(shí),使用陰離子高分子表面活性劑做分散劑最有效,團(tuán)聚劑分子在煤塵上定向吸附后,煤塵帶有電荷,形成雙電層,使分散體趨于穩(wěn)定[14]。CPAM團(tuán)聚效果不如PAM和APAM,這與吳超[14]的研究結(jié)果一致,陽(yáng)離子型團(tuán)聚劑在水中能夠電離出陽(yáng)離子,且CPAM作為有機(jī)高分子化合物會(huì)電離出較多有機(jī)胺衍生物,不易與煤塵吸附。非離子型團(tuán)聚劑PAM不會(huì)在水中發(fā)生電離,溶劑穩(wěn)定性高[15]。

2.2 團(tuán)聚劑濃度

團(tuán)聚劑溶液濃度也是影響煤塵團(tuán)聚長(zhǎng)大效果的重要因素,文中選取XTG和APAM這2種團(tuán)聚劑,在溫度t=25 ℃,團(tuán)聚劑溶液濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.30 g/L時(shí),探究濃度對(duì)團(tuán)聚效果的影響。圖2為上述實(shí)驗(yàn)條件下煤塵的累計(jì)粒度分布粒徑D50結(jié)果。

圖2 團(tuán)聚劑濃度對(duì)團(tuán)聚效果的影響Fig.2 Effect of agglomeration agent concentration on agglomeration

由圖2可知,在XTG溶液濃度低于0.10 g/L時(shí),隨著團(tuán)聚劑溶液濃度增加,煤塵累計(jì)粒度分布粒徑顯著增加。在溶液濃度由0.05 g/L增加至0.10 g/L時(shí),D50由62.7 μm增長(zhǎng)至82.9 μm,粒徑分布增長(zhǎng)32%。但當(dāng)濃度超過(guò)0.10 g/L時(shí),隨著濃度逐漸增大,煤塵累計(jì)粒度分布粒徑呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。APAM團(tuán)聚劑溶液濃度由低增高,煤塵累計(jì)粒度分布粒徑也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。濃度為0.20 g/L時(shí),較濃度為0.05 g/L時(shí)粒徑分布增長(zhǎng)50%,但當(dāng)濃度超過(guò)0.2 g/L時(shí),D50逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于溶液濃度逐漸增大過(guò)程中團(tuán)聚劑分子數(shù)量增多,分子鏈吸附煤塵能力加強(qiáng),可以團(tuán)聚更多煤塵。但濃度過(guò)大時(shí),溶液中過(guò)量的團(tuán)聚劑分子相互擠壓,分子鏈不易伸展,對(duì)煤塵的吸附架橋作用難以實(shí)現(xiàn)[16],并且煤塵比表面積較小,煤塵表面被過(guò)量團(tuán)聚劑分子飽和吸附,沒(méi)有足夠多的空余吸附位置,因此團(tuán)聚效果較之前有所降低。綜上,團(tuán)聚劑濃度存在一個(gè)最佳區(qū)間,過(guò)高或過(guò)低均會(huì)影響團(tuán)聚效果,XTG與APAM最佳團(tuán)聚濃度存在差別,這是因?yàn)閄TG的分子量比APAM高,濃度相同時(shí),XTG的分子數(shù)量更多。

2.3 團(tuán)聚劑溫度

團(tuán)聚劑溶液溫度對(duì)煤塵團(tuán)聚效果也有較大影響,不同團(tuán)聚劑在不同溫度下的物性表現(xiàn)不同。選用XTG、CPAM、CMC 3種團(tuán)聚劑,保持濃度、給塵量等條件均相同的情況下,改變?nèi)芤簻囟?圖3為溶液溫度對(duì)團(tuán)聚效果的影響。

圖3 溶液溫度對(duì)團(tuán)聚效果的影響Fig.3 Effect of solution temperature on agglomeration

由圖3可知,團(tuán)聚效果與團(tuán)聚劑溶液溫度呈正相關(guān)。在溫度,濃度相同的情況下,XTG的團(tuán)聚效果最好,CPAM次之,CMC最差,這與團(tuán)聚劑的分子量有關(guān),XTG的分子量高于CPAM與CMC。隨著團(tuán)聚劑溶液溫度的增加,團(tuán)聚效果均逐漸增強(qiáng)。溫度由25 ℃上升至40 ℃時(shí),CPAM與CMC團(tuán)聚效果顯著提升,經(jīng)CPAM團(tuán)聚后的煤塵累計(jì)粒度分布粒徑D50由66.1 μm升至73.5 μm,增長(zhǎng)了11%,與此同時(shí),CMC增長(zhǎng)了17%,XTG增長(zhǎng)2%。這是由于溫度升高,溶液中分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,且升溫導(dǎo)致團(tuán)聚劑分子鏈進(jìn)一步伸展,煤塵與團(tuán)聚劑分子鏈碰撞吸附概率增大,因此能夠團(tuán)聚更多煤塵[17]。但溫度由40 ℃升至60 ℃時(shí),三種團(tuán)聚劑溶液團(tuán)聚效果增強(qiáng)趨勢(shì)放緩,CPAM溶液煤塵累計(jì)粒度分布粒徑D50由73.5 μm升至77.8 μm,僅增長(zhǎng)5%。這可能是因?yàn)槿芤褐忻簤m與團(tuán)聚劑分子吸附已經(jīng)較為完全,無(wú)法發(fā)生更多團(tuán)聚。

3 煤塵團(tuán)聚過(guò)程分析

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)團(tuán)聚前后煤塵的微觀形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4a可知,未進(jìn)行團(tuán)聚的煤塵獨(dú)立分散,主要以不規(guī)則顆粒存在。圖4b是煤塵與團(tuán)聚劑溶液團(tuán)聚作用后的微觀形貌,從圖4b中可以看出,煤塵經(jīng)團(tuán)聚劑后形成了穩(wěn)定的鏈狀結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體。

圖4 煤塵團(tuán)聚前SEM圖Fig.4 SEM images before and after coal dust agglomeration

化學(xué)團(tuán)聚劑分子在黏性力作用下將單個(gè)煤塵吸附后,又通過(guò)分子自身的長(zhǎng)鏈繼續(xù)吸附其他一個(gè)或多個(gè)煤塵,這樣煤塵之間通過(guò)分子鏈“架橋”方式連接在一起,形成“煤塵-高分子鏈-煤塵”鏈狀絮凝體[18]。當(dāng)煤塵表面有足夠多的空余吸附位置并且有相對(duì)多的團(tuán)聚劑分子鏈向外伸展時(shí),不同鏈狀絮凝體之間可以互相吸附構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。溶液中不斷發(fā)生的這種現(xiàn)象使得分子鏈更易于捕獲并吸附煤塵,進(jìn)一步起到增大團(tuán)聚體體積的作用。

4 結(jié) 論

(1)化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)可有效促進(jìn)煤塵團(tuán)聚長(zhǎng)大,加入團(tuán)聚劑后煤塵累計(jì)粒度分布粒徑D10與D50與純水相比均提高約2倍,其中,經(jīng)XTG團(tuán)聚后煤塵D50提高了3倍。

(2)在一定濃度范圍內(nèi),團(tuán)聚劑促進(jìn)煤塵團(tuán)聚的效果隨著團(tuán)聚劑溶液濃度增加而提高。XTG濃度小于0.10 g/L時(shí),增大其濃度可以增強(qiáng)團(tuán)聚效果,當(dāng)XTG濃度大于0.10 g/L時(shí),繼續(xù)增大團(tuán)聚劑濃度,團(tuán)聚效果有所減弱?？紤]到環(huán)境適用性以及經(jīng)濟(jì)性,使用XTG作為團(tuán)聚劑時(shí),濃度以0.10 g/L為宜。

(3)低溫環(huán)境不利于團(tuán)聚劑作用。適當(dāng)升高團(tuán)聚劑溶液溫度,溶液中煤塵和團(tuán)聚劑分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,碰撞并吸附在一起的概率增大,并且溫度升高,團(tuán)聚劑分子鏈伸展度較好,更易于吸附煤塵。