新型复合煤尘抑制剂的制备及特性研究

第51卷第3期

doi：10.11799/ce201903025

炭工程

Vol.51，No.3

COALENGINEEＲING

新型复合煤尘抑制剂的制备及特性研究

王天乐，张

亚，杨满征

266590）

（山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛

摘要：为解决煤炭在堆存以及运输过程中产生大量粉尘不仅污染环境还会威胁人体健康的问

题，进行了化学抑尘方面的研究。研究以海藻酸钠为接枝底物，通过对海藻酸铵进行多重改性，以及在阴离子表面活性剂共同作用下，制备了新型环境友好型抑尘剂。通过对抑尘剂的相关性能进行研究发现，该抑尘剂性能优良、抑尘效果好。

关键词：海藻酸钠；丙烯酰胺；过硫酸铵；分子改性；抑尘中图分类号：TD713

文献标识码：A

文章编号：1671－0959（2019）03－0113－04

PreparationandCharacteristicsofNewCompoundCoalDustInhibitor

WANGTian－le1，ZHANGYa1，YANGMan－zheng1

（1.CollegeofMiningandSafetyEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao，266590，China；2.StateKeyLaboratoryofMiningDisasterPreventionandControlCo－foundedbyShandongProvinceandtheMinistryofScienceand

Technology，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China））

Abstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology，China＇sdemandforcoalhasalsobeenincreasing．Intheprocessofstorageandtransportation，itwillinevitablyproducealotofdust，notonlypollutingtheenvironmentbutalsothreateninghumanhealth．Inthisstudy，sodiumalginatewasusedasthegraftingmatrix．Throughthemultiplemodificationofammoniumalginateandtheinteractionofanionicsurfactants，anewenvironment－friendlydustsuppressionagentwasprepared．Throughthestudyoftherelevantpropertiesofdustsuppressionagent，itwasfoundthatthedustsuppressionagenthasexcellentperformanceandgooddustsuppressioneffect．

Keywords：sodiumalginate；acrylamide；ammoniumpersulfate；molecularmodification；dustsuppression

我国是煤炭大国，更是煤炭消耗大国，我国的消耗的煤炭几乎相当于全世界其他国家的总和。随着生产力的飞速发展，大量的煤被开采出来，运往我国需要煤的地方。但是，在对煤运输和堆存的过程中，受风力以及颠簸等外界因素的影响，大量碎煤以及煤尘随风飘扬，不仅造成能源的极大浪费，飘扬的煤尘还是进入大气和河流当中，严重污染环境

［1－3］

尘抑制剂；Talamoni等以聚乙烯醇、丙烯酸乳胶和聚硅氧烷树脂复配得到一种润湿型抑尘剂。虽然润湿型抑尘剂对煤的润湿效果较好，但对煤的作用时间短，抗外界能力较差，不适合用于露天、运输情况下的抑尘。DarronWilliamDixon－Hardy通过利用炼油场的废物制成一种高效抑尘剂，虽然与煤尘作用时间长，抑尘效果明显，但是会造成二次污染。从上述文献中可以发现，一种环保、无污染且对煤作用时间长的抑尘剂有待于进一步的开发和应用。

目前，自然界中存在很多环保、无污染的材料，但由于其分子的特殊结构以及性能的单一，很少为人们所直接使用。例如，海藻酸钠广泛存在于生长在海洋的褐藻当中，由于其性能单一，很少为人们所直接使用。分子改性是使一种材料具备多种性能的常用方法，可以使被改性的物质具有多种不同的

。

化学抑尘是在抑尘方面方便、有效的方法之一，自20世纪30年代以来，很多学者对抑尘剂进行了系统性的研究，但多数学者主要针对煤矿井下的产尘进行研究，对露天、运输方面的抑尘剂研究较少

［4，5］

。杨静等通过对抑尘剂的复配，得到润湿剂的

最佳润湿效果应用于井下工作面的煤尘；时春红等利用MgCl2、CaCl2及少量辅助剂研制出新型煤矿粉

收稿日期：2018－11－12

作者简介：王天乐（1993—），男，河北石家庄人，硕士，研究方向：矿井防尘和矿井通风，E－mail：670274875@qq.com。引用格式：王天乐，张

J］．煤炭工程，2019，51（3）：113－116．亚，杨满征．新型复合煤尘抑制剂的制备及特性研究［

113

研究探讨煤炭性能。目前分子改性技术广泛应用于医学、防火材料等多个领域。

本文介绍一种以海藻酸钠为接枝底物，丙烯酰胺、丙烯酸为接枝聚合体，以N－N亚甲基双丙烯酰胺和氯化钙为交联剂制备一种高效环保的复合型抑尘剂

［8，9］

，并加入表面活性剂增强对煤尘的润湿性，

分析测试其润湿、固化层力学性能以及抑尘性能。实验证明，所制备的抑尘剂效果好、性能优良。

1

实验部分

1.1

原

料

实验试剂：海藻酸钠，N－N亚甲基双丙烯酰

胺，丙烯酸，丙烯酰胺，过硫酸铵，氢氧化钠，氯化钙（以上物质均采购于天津科密欧化学试剂有限公司；以上物质均为分析纯）。1.2

仪器

电热恒温水浴搅拌锅，电子天平，万能材料试验机，喷雾器，培养皿，风机，直尺。1.3抑尘剂的制备

本抑尘剂由两种组分构成。溶液A的制备过

程为：

1）将2g海藻酸钠与2g丙烯酰胺在溶液中混合均匀，然后向其加入0.2g过硫酸铵在70℃下搅拌反应2小时，即得到第一溶液。

2）向第一溶液中逐步加入3ml中丙烯酸和0.2g交联剂，将恒温搅拌仪的温度继续保持60℃搅拌反应2小时，得到最终的溶液。

3）向最终溶液中加入表面活性剂，调节PH并充分搅拌均匀，得到最终产物溶液A。

溶液B的制备过程为：将氯化钙溶解在水中，并充分搅拌，得到溶液B。1.4

抑尘剂的使用

首先用喷雾器将溶液A喷洒在煤堆上面，随后喷洒上溶液B。实验室实验的喷洒量为6mL/kg。当抑尘剂喷洒到煤堆后，溶液A会对煤尘充分的润湿、粘结；喷洒溶液B后，两者之间会进一步发生交联反应，在含水的情况时的状态为凝胶，失水后固化成壳，具有良好的抑尘性能。

2

抑尘剂溶液的评价方法

2.1

抑尘剂润湿性能实验

为取得抑尘剂的最佳润湿性，本实验将气煤经

颚式破碎机破碎后，再放入球磨机研磨1h磨成煤114

工程

2019年第3期

粉。取出粉碎后的煤粉称取0.5g煤粉放在台式压片机极其配套模具中在8MPa的压力下压成直径5cm，厚度为1cm的煤饼，在抑尘剂中分别加入十二烷基磺酸钠，十二烷基甜菜碱，木质素磺酸钠三种具有代表性的表面活性剂，利用DSA1000型光学接触角测量仪对润抑尘剂溶液A与试片间的接触角进行测定，由此来选出润湿性最佳的配比。其中，气煤的各项数据见表1。

表1

煤样润湿性数据表

煤样接触角/（°）

蒸馏水自来水气煤

72.3

78.2

2.2固化层力学性能实验

将一定量粒径在0～3mm的煤料装入直径为

10cm的培养皿中（培养皿的底部铺一层薄膜，方便

固化层取出），煤料表面铺平。将抑尘剂溶液2L/m

2

的喷洒量按照使用顺序均匀地喷洒在表面上，将培养皿放置在室外3d后，从培养皿中取出固化层。在培养皿放置的过程中，抑尘剂的溶液A会逐渐渗透，并粘结培养皿内部粉尘，渗透值约为2～3cm；加入的溶液B在表面形成半互穿复合凝胶，起到加强固化层力学性能的作用，取出的固化层为圆柱形煤块，表面直径d=10cm，厚度为2cm。喷洒抑尘剂的质量为3.23g。2.3

抑尘剂抑尘性能测试

在实验台上，将10kg粒径为1～3cm的煤堆成直径为75cm，高为30cm的圆锥形煤堆，用以模拟露天煤堆。按照2kg/m2

的喷洒量将抑尘剂溶液按照使用顺序均匀地喷洒在煤堆上，进行抑尘剂抗风实验。实验风速为五级风力（6～10m/s），每组实验测量三次，测试时间为2h，实验结束后测量煤堆的质量，计算损失率，即可得到抑尘剂的抑尘率β，将三次实验的β求平均数。β可由下列公式得到：β=

（风吹之前的煤堆质量－风吹之后的煤堆质量）

风吹之前的煤堆质量

×100%

2.4

抑尘剂作用性能测试

将不同粒径的煤粒（1～2cm）放入培养皿中，喷洒一定量的抑尘剂，在高倍显微镜下分别观察碎煤和碎煤接触产物的后的形态，将培养皿放置在室外干燥一定的时间后，继续用高倍显微镜观察碎煤与产物的接触情况。将得到的结果进行分析并探究产

2019年第3期

煤炭物与粉尘的作用机理以及两者的作用方式。

3

结果与分析

3.1

抑尘剂润湿性能实验

按照2.1节进行润湿性能实验，实验测试结果

如图1所示。

图1抑尘剂润湿性能测试

图1（a）为水对煤样的接触角测试结果，图1（b）为添加阳离子表面活性剂木质素磺酸钠的接触角测试结果，图1（c）为添加十二烷基甜菜碱的接触角测试结果，图1（d）为添加十二烷基磺酸钠后的接触角测试结果。水的接触角测试结果为76.5°，添加木质素磺酸钠的测试结果为70.2°，添加十二烷基甜菜碱的测试结果为43.2°，添加十二烷基磺酸钠的测试结果为39.5°。添加一定量的表面活性剂，可以大大减小抑尘剂的表面张力，增加溶液对煤的接触面积，提高抑尘剂对煤的接触效果，增强润湿性。从实验的结果来看，采用十二烷基磺酸钠与抑尘剂溶液进行复配得到的润湿效果更佳。3.2

固化层抗压情况测定

按照2.2节对固化层进行抗压性能实验，由于影响性能的主要因素为交联剂和氯化钙的用量，所以主要对交联剂和氯化钙的用量进行了探究，实验结果如图2所示。

从图2（a）中可以看出，随着交联剂用量的增加，固化层的抗剪切力先增加后减小。这是因为，交联剂在反应过程中起着“桥”的作用，用于各个聚合体的连接，当交联剂逐渐增加时，聚合体之间的联系增加，作用于煤的力学性能增强。当交联剂的用量过多时，交联剂影响了产物的聚合结构，使得产物的结构不规则交联影响了力学性能，还会影响产物在煤中作用效果，使得固化层抗剪切能力逐渐下降。从图2（b）可以看出，随着氯化钙浓度的增加，所制煤样的力学性能先增加后减小，这是因为

工程研究探讨

图2固化层抗压测试图

随着钙离子浓度的增加，接枝共聚的基体－海藻酸钠之间的交联更密集，力学性能更好

［10－14］

。当钙离子

的浓度进一步增加，溶液的盐离子浓度进一步升高，就会对凝胶的交联结构产生影响，使得固化层的抗剪切能力下降。从实验测定来看，在300ml的溶液当中，交联剂的最佳用量为0.2g，氯化钙的最佳使用浓度为0.2g/mL。3.3

抑尘剂抑尘结果测定

按照2.3节所述进行抑尘剂抑尘结果测试结果见表2。

从表2中可以发现，在没有任何防护措施的情况下，在实验室模拟风速为6.3m/s、8.3m/s时经过多次测量发现煤的质量损失率高达23.4%、32.4%，且随着风流速度的增加煤的质量损失率仍会进一步加大，从测量结果可以发现如果不采取任何防护措施，在自然风力作用下煤堆不仅会对环境造成污染也会造成严重的资源浪费。以6.3m/s、8.3m/s的风速下用凝聚剂进行对比测试可知：在一定的风力作用下，虽然高分子凝聚剂剂会大量粘结粉尘，但其抗风性能较差，在风力作用下容易使煤粉流失，其质量损失率达15.3%、18.4%，而对复合型抑尘剂煤堆的质量损失率进行测量可以发现，煤的质量损失率下降到4.1%～9.3%，随着风速的进一步增加，其煤的质量损失率会有小幅度的变化，但整体抑制粉尘效果比较明显。由此可见该抑尘剂覆盖在煤堆表面对煤尘的扩散有着良好的抑制效果，降低了在自然风力作用下煤尘的飞扬，减少了粉尘的扩散和

115

研究探讨

煤炭资源的浪费。

表2

抑尘剂抑尘结果测试结果

风流煤堆剩煤的质质量损失速度/防护煤堆原始质量余质量量损失率的平均（m·s－1）

措施/kg/kg率/%值/%

无防护10.087.5824.8措施

10.037.9520.723.410.077.5624.910.058.5215.26.3喷凝聚剂

10.108.4516.315.310.128.6514.5喷复合10.119.654.5抑尘剂10.049.970.74.110.149.427.1无防护10.036.5334.8措施

10.026.8431.732.410.076.9530.910.018.2317.88.3喷凝聚剂

10.088.2118.518.410.058.1518.9喷复合10.139.238.8抑尘剂

10.089.129.59.310.04

9.08

9.6

3.4抑尘剂作用性能结果分析

根据2.4节的测试要求，高倍显微镜的观察结

果如图3所示。

图3高倍显微镜下抑尘剂与煤尘作用性能测试图

从实验测试图中可以得出抑尘剂的抑尘机理，抑尘剂作用在煤堆上通过产物中的水分与煤尘接触来阻止煤粉的扩散和飞扬，在这个过程中主要是润湿性其作用，随着作用时间的增加，抑尘剂的凝胶对煤粉进行吸附和聚集，水分流失之后会在煤堆表面形成一个稳定的保护膜，而且在作用过程中以抑尘剂为中介将煤粉聚集和粘结成一块，降低了其扩散的可能性。可以得出凝聚剂是通过润湿性和吸附性的双重作用力对煤粉进行有效的抑制。116

工程2019年第3期

4

结

论

本研究以海藻酸钠为接枝底物，丙烯酰胺和丙烯酸为接枝聚合体进行接枝共聚反应，生成一种可以用与煤矿粉尘防治的粘结剂，并加入氯化钙进一步提高抑尘剂的力学性能。经过一系列的实验测定得知，本抑尘剂抑尘抑尘效果好，性能优良。于此同时，本研究在抑尘剂的溶液当中加入表面活性剂进行复配，提高抑尘剂对粉尘的润湿能力，且本抑尘剂主要由海藻酸钠制成，绿色环保，可以自行降解，对人体无伤害。参考文献：

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（责任编辑赵巧芝）