新型煤尘抑尘剂的研制与性能测试

新型煤尘抑尘剂的研制与性能测试杨静王琨房孝敏（山东科技大学化学与环境工程学院，山东青岛266510）摘要：以聚乙烯醇(PVA)、脂肪醇聚氧乙烯醚（JFC）和少量成膜助剂为原料，利用单因素试验和正交试验方法研究了一种新型煤尘抑尘剂的配方，并对其性能进行了测试。试验结果表明，该抑尘剂粘度为19.10mpa/s，表面张力为37.6mN/m，喷洒后在较短时间内可在煤炭表面形成一层柔韧、致密的连续高分子微膜，50天后抑尘率仍可达到95.3%，与洒水抑尘相比，其抑尘效果和抑尘时间都得到大幅提高。该抑尘剂同时具有较好的抗风、抗雨淋性能，特别适宜在煤炭储运过程中使用。关键词：煤尘；抑尘剂；制备；性能中图分类号:文献标志码:ThepreparationandperformancetestofanewcoaldustdepressorYANGJing,WANGKun,FANGXiaomin(CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineering，SUST，Qingdao，Shandong266510，China)Abstract:Inthispaper,aformulaofanewtypeofcoaldustdepressorisstudiedbymakingwithPolyvinylalcohol(PVA)、fattyalcoholpolyoxyethyleneether(JFC)andasmallamountoffilmadditivesasrawmaterials.Weapplythesinglefactortestandtheorthogonaltesttostudyingtheformula,andatthesametime,itsperformanceistested.Itturnsoutthatthiscoaldustdepressorviscosityis19.10mpa/s,surfacetensionis37.6mN/m,anditcanformalayerofflexibility,compactandcontinuouspolymermembranebysprayingitoncoalsurfaceinshortertime.50dayslater,dustsuppressionratestillcanachieve95.3%.Comparedwithsprinklingwater,thiscoaldustdepressorhaslong-termefficiency.Italsohasgoodperformancetoresistwindandrain;especiallyitissuitableforusingincoaltransportationprocesses.Ketwords:coaldust;depressor;preparation;performance引言煤炭在港口煤码头、电厂、储煤场等的储存和铁路、公路及轮船运输的过程中，常常会产生大量的扬尘，不但直接威胁生产的安全，还会对周围的环境产生极大的污染[1]。因此煤炭抑尘技术的研究一直是人们研究的热点[2-6]。抑制煤炭扬尘最常用的是洒水的方法。洒水抑尘的主要作用在于润湿颗粒细小的干燥煤尘，使其相对密度增大，并粘结成较大的颗粒，使之在外力作用下不能飞扬。这种方法虽然简便易行，但由于煤尘与水分之间的结合力很弱，水分很容易蒸发，满足不了长期有效抑尘需求，必须定期洒水才能有效抑尘，水资源耗费量很大。因此开发新型廉价优质长效的煤炭抑尘剂是非常必要的。早在20世纪初，英国等国家就已经将一些润湿剂应用于井下煤矿开采的抑尘中。近二十年来，抑尘剂的研究在国外发展迅速，几乎每年都有新的专利发表，其中比较著名的有：美国Cohex粘尘剂[41]，南非的ANTI型疏水防尘剂，日本粉尘抑制剂，前苏联的己内胺型粘尘剂，前苏联CIT学院的地表防尘剂，波兰的抑尘煤尘危险药剂。我国在抑尘剂方面的研究和应用起步比较晚，但发展迅速。在20世纪70年代末，我国一些科研院校的研究人员就已经开始了相关的研究，到20世纪末，不少成果已经申请专利，涉及的领域也不断深入和拓宽。其中比较有代表性的有：孙三祥等人针对大秦线上运煤列车的粉尘飞扬研制的一种粘结型抑尘剂[32]，金龙哲等人研制的一种以氯化钙、氯化镁等为基料研制的润湿型抑尘剂[33]，李伟等针对铁路煤炭运输研制的以木质磺酸盐味用料，通过聚合物单体进行接枝改性得到的一种抑尘剂[34]。本文系统介绍了一种新型煤尘抑尘剂的制备方法，该抑尘剂具有较好的渗透性和粘附煤体的特性，通过喷淋的方式施加于煤炭表面，能够扩散、渗透到煤炭表面及缝隙中，并在表面形成一层柔韧、致密的连续高分子微膜，与洒水抑尘相比，不但抑尘效果大大改善，而且抑尘的有效时间大幅提高。该抑尘剂同时具有较好的抗风、抗雨淋性能，特别适宜在煤炭储运过程中使用。1.实验部分基金项目：山东省教育厅科技计划项目（J08LC12）1.1煤尘样品的制备实验用煤样取自山东南屯煤矿,研磨后过40目标准筛子作为实验样品。样品按照国家标准(GB/T212-2001、GB/T476-2001、GB/T213-2003、ISO/TS12902:2001)进行化验,见表1。表1：试验煤尘的工业分析和元素分析检测结果Table1Theindustrialanalysisresultofcoalsample样品名称Mad%Ad%Vdaf%Wd(FC)%Cdaf%Hdaf%Sdaf%Ndaf%Odaf%南屯煤样3.126.8439.6056.2781.485.1080.851.5411.021.2主要试剂与仪器主要试剂:脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，非离子表面活性剂,化学纯；聚乙烯醇（PVA）,天津红岩化学试剂厂，化学纯；助剂A，天津红岩化学试剂厂，化学纯。主要仪器：NDJ-7旋转粘度计;Krüss-k12程序界面张力仪等。1.3抑尘剂的制备准确称取一定量的PVA，加入10ml蒸馏水溶胀10分钟，在恒温水浴85-90℃下不断搅拌，使其完全溶解；控温80℃，在继续搅拌下依次加入一定量的体积分数0.2%的JFC和助剂A，继续加热10分钟，既得本实验的产品。1.4实验方法1.4.1粘度的测定取5ml制备好的试剂，在25℃下用NDJ-7型旋转粘度计进行测定。1.4.2成膜时间的测定按照GBT13477.5-2002进行测试，并记录成膜时间。1.4.3表面张力的测定采用瑞士Krüss公司生产的Krüss-k12程序界面张力仪，用吊片法恒温25℃测试各种溶液的表面张力。1.4.4抑尘率的测定先称出玻璃板的重量m1，取4ml溶液均匀涂抹到玻璃板上，测定重量m2，待溶液完全成膜后，测定重量m3，按下式求出水分的含量M：1232mmmmM称取Ng的煤粉放入玻璃皿中，均匀喷洒一定量的抑尘剂，测定重量n1，待完全成膜后，每隔一段时间测出重量n2，按下式求出抑尘效率：NMNnn)1)((122.结果与分析2.1单因素分析分别控制PVA、JFC(质量分数0.2%)及助剂的加入量，采用单因素分析法，研究PVA的加入量对粘度的影响，JFC的加入量对表面张力的影响以及助剂A加入量对成膜时间的影响，实验结果如下:024681012141618202g2.5g3g3.5g4gPVC加入量(g)粘度（mpa/s）图1PVA加入量对粘度的影响图20.2%JFC加入量对表面张力的影响Fig1TheinfluenceofPVAontheviscosityFig2Theinfluenceof0.2%JFConthesurfacetension0204060801001201401605ml10ml15ml20ml25ml助剂加入量(ml)成膜时间(s)图3成膜助剂A加入量对成膜时间的影响Fig3TheinfluenceoffilmadditivesAonthefilmtimePVA的加入量是影响抑尘剂粘度的主要因素，同时对成膜后膜强度有着重要的影响，从图1可以看出，随着PVA用量的加大，粘度呈线性增加，在加入量达到3g时，粘度达到10mpa/s，基本符合实际需要，即PVA用量的加大有利于粘度和膜强度的提高。但从实际情况分析，粘度过大不利于喷洒，在不影响膜强度的情况下，选择3-4g是较为合适的用量。由于煤的表面属于低能表面，临界表面张力γc约为45mN/m。抑尘剂的表面张力需小于γc，才能较好地润湿煤尘。从图2可以看出，随着JFC用量的增加，表面张力呈线性减小，10mlJFC加入量即可满足实际需要，同时可以看出加入10ml与25ml0.2%JFC，溶液的05101520253035405101520250.2%JFC加入量(ml)表面张力(mN/m)表面张力并未有太大差距，考虑到成本问题，选择0.2%JFC加入量在10-20ml之间较为合适。实际生产中常常需要抑尘剂能够快速固化，在较短时间内成膜。而影响成膜时间的主要因素是水分的蒸发速率，助剂A具有蒸发速率快、价格低、无污染、无毒副等特点。从图3可以看出，随着助剂A用量的增加，成膜时间呈线性减小，即助剂加入量的增加有利于缩短成膜时间，但成膜过快不利于形成连续性较好的膜，故选择10-20ml较为合适。2.2正交试验结果及分析根据上文单因素分析的结果，本实验选择一定量的PVA、JFC和助剂A进行正交试验，筛选出最佳配方，试验方案及结果如下：表2正交试验结果Table2TheresultofOrthogonaltestPVA(g)助剂A(ml)0.2%JFC(ml)粘度（mN/m）成膜时间(min)表面张力(mPa/s)1310101311538.723151513.99135.4533202012.57831.8743.5102016.310330.7453.5151015.98134.6663.5201514.912236.8774101516.29534.9984152021.27331.0194201023.212335.62K113.13315.16717.400K215.70017.00015.000K320.23316.90016.667极差7.1001.8332.400K194.667104.333106.333K2102.00081.667102.667K397.000107.66784.667极差7.33326.00021.666K13.87334.71036.627K234.09033.70735.770K3335.34034.78731.207极差1.4671.0805.1202.2.1正交试验的粘度分析从表2对粘度的极差分析可以看出，对粘度的影响从大到小依次是PVAJFC助剂A，最佳试验方案是A3B2C1,即PVA4g，0.2%JFC10ml，助剂A15ml。PVA的加入可以使溶液的粘度有较大的提高，同时使成膜后膜的强度有不同程度的提高，而膜的强度直接影响到抑尘剂的抗风、抗雨淋等的强度，故在不影响实际喷洒的前提下，可以选择较大的PVA加入量。2.2.2正交试验表面张力分析从表2对表面张力的分析可以看出，对表面张力的影响从大到小依次是JFCPVA助剂，最佳试验方案是A3B3C1，即聚乙烯醇4g，0.2%JFC10ml，助剂20ml。JFC的加入可以将抑尘剂的表面张力降低到40mN/m以下，同时JFC是很好的渗透剂，可以使抑尘剂渗透到煤层以下，使膜有较好的附着力[7]。2.2.3正交试验成膜时间分析从上表对成膜时间的分析可以看出，对成膜时间的影响从大到小依次是助剂AJFCPVA，最佳试验方案是A2B3C1，即PVA3.5g，0.2%JFC10ml，助剂A20ml。抑尘剂成膜时间是评价抑尘剂性能的指标之一，在实际应用中快速固化可以更大程度上减少煤尘的飞扬，对于煤场堆放及火车运输而言，2个小时的成膜时间已经可以满足需要。助剂加入量的增大可以很好的提高水分的蒸发速率，从而加快成膜时间，根据实际情况的不同，也可以进行进一步调整。2.3抑尘率结果