应用 | 矿井水中阳离子对烟煤润湿性的影响

背景

煤炭作为重要的化石能源，被许多国家作为战略能源。但是在煤炭开采过程中常常会污染地下作业环境，威胁工人的身体健康。为了控制井下的粉尘，通常会对煤层注水或者使用喷雾的方法，减少空气中的粉尘。由于大多数煤都表现出疏水特性，导致矿井水对于煤的润湿性很低难以捕获粉尘，使得粉尘的控制效率不高。为了改善水对煤的润湿性，大多学者研究了在水中加入不同的化学试剂，以降低水的表面张力，增强溶液对煤的润湿性。虽然使用表面活性剂等抑尘剂，提高了降尘效率，但是也会有增加生产成本，造成污染等限制。

通常来说，不同的矿井水中含有不同类型的盐离子，如Na⁺,Mg²⁺,Ca²⁺等离子，并且不同矿井水中各种离子的含量也有差异。因此，离子对煤的润湿性有一定的影响，这种影响可能与溶液的性质以及离子与煤之间的相互作用有关。一般认为，溶液的表面张力越低，液滴对煤的接触角越小，越容易润湿煤尘，却很少有人研究溶液中主要的阳离子对煤的润湿特性的影响。因此，需要开展实验探究矿井水中的Na⁺,Mg²⁺,Ca²⁺等离子与煤之间的相互作用。结合含不同阳离子的溶液的理化性质以及各阳离子与煤之间的相互作用关系，阐明了Na⁺,Mg²⁺,Ca²⁺等离子对煤润湿性影响的原理。

实验方法与仪器

1.表面张力测量法

2.接触角测试法

取制备好的煤样，在20 kPa压力下压成直径为13 mm，厚度2 mm的圆柱体煤片。用制备好的各种溶液滴定置于DSA30（KRÜSS）接触角测量仪上的煤片，测量出不同浓度下各无机盐溶液的接触角。并且每个样品测量3次，取其平均值作为测定值。

图1不同Cl^- 浓度下各无机盐溶液表面张力的变化

 

图2 不同Cl^- 浓度下各无机盐溶液对煤接触角的变化

结合表面张力实验综合分析，溶液里含有的Cl^-浓度处于0.01~0.05mol/L范围内时，可以发现不同阳离子对煤润湿性的影响的关系大致相同。然而，在Cl^-浓度为0.04mol/L时，我们发现此时MgCl2的接触角小于CaCl2的接触角，与表面张力的实验结果相反，这可能是因为Ca²⁺，Mg²⁺容易被煤表面吸附，导致他们的润湿性有差异。

 

图3 三种无机盐溶液与去离子水对煤接触角随时间的变化

 

总结

通过表面张力实验发现，溶液中添加不同阳离子对于溶液的理化性质有影响。在Cl^- 浓度相同且从0.01 mol/L增加到0.05 mol/L时，Na⁺、Ca²⁺会使得溶液的表面张力增加。Mg²⁺会降低溶液的表面张力。与表面张力结果类似，在Cl^- 浓度相同时，含不同阳离子的溶液对煤的润湿性强弱关系为Mg²⁺>Na⁺＞Ca²⁺。随着液滴接触煤的时间变长，Mg²⁺和Ca²⁺影响下的溶液对于该煤的润湿性变得更差。

结合表面张力与接触角实验，三种阳离子对于高挥发分的烟煤的润湿性的影响，不仅是影响溶液理化性质的而导致的，也可能是因为溶液中的Ca²⁺、Mg²⁺容易与煤表面的某些矿物质发生反应生成沉淀物，影响溶液对于煤的润湿性。

[1]郝臻浩.矿井水中阳离子对烟煤润湿特性的影响[J].清洗世界,2024,40(03):56-59.