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应用 | 矿井水中阳离子对烟煤润湿性的影响

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分享： 2024/10/18 13:06:05

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

制备Cl^- 浓度分别为0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol/L的无机盐溶液，装取相同体积（100 mL）的无机盐溶液以及去离子水放置于K100（KRÜSS）表面张力仪进行测定。每组溶液测量3次，取平均值作为实验数据，并记录实验环境温度为19.6 ℃。

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。

结果与讨论

1.不同浓度无机盐溶液表面张力测试结果分析

图1不同Cl^- 浓度下各无机盐溶液表面张力的变化

从图1得知，环境温度为19.6 ℃时，去离子水的表面张力为73.20 mN/m。随着Cl^- 浓度从0.01mol/L上升到0.05mol/L，添加Na⁺和Ca²⁺使得溶液的表面张力普遍增大。这是由于水-空气表面排斥离子，导致离子负吸附和无机盐溶液表面张力增加（少数例外，例如大多数酸）。但是可以明显发现Cl^-浓度处于0.04mol/L时，CaCl2的表面张力降低，此时Cl^- 使得溶液的表面张力低于了含Mg²⁺和Na⁺的溶液。相反，添加Mg²⁺使得溶液表面张力普遍低于去离子水。并且Cl^- 浓度处于0.02mol/L时，MgCl2的表面张力更低。结合各种无机盐溶液表面张力的变化，可以推测出大多数无机盐随着浓度增大，表面张力呈现增大趋势。在Na⁺和Cl^- 浓度很低时，最远距离的排斥相互作用是成像力，无机盐溶液在低浓度时的表面张力变化很小。

2.不同浓度无机盐溶液与煤之间的接触角结果分析

图2 不同Cl^- 浓度下各无机盐溶液对煤接触角的变化

选取液滴接触煤表面后的第10帧数据进行记录，结果如图2所示。图中虚线表示去离子水对煤SGT的接触角为92.6°，可以得知该煤的润湿性很差，难以被去离子水润湿。在去离子水中添加与Cl^-浓度相同的无机盐后，含有Na⁺、Ca²⁺溶液的接触角大多高于去离子水，可以得知Na⁺、Ca²⁺会使得溶液的润湿性变差。相反的是含有Mg²⁺溶液的接触角在当前浓度范围内，都小于去离子水，所以Mg²⁺可以改善溶液的润湿性。进一步发现，随着Cl^–浓度增大，不同无机盐的接触角有下降的趋势，并且在Cl^–浓度为0.04mol/L时，各溶液的接触角都相对较低。因此，该浓度下各种溶液对煤的润湿性强弱关系为Mg²⁺＞Na⁺＞Ca²⁺。

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。

3.液滴与煤的接触时间对接触角的影响分析

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

图4 液滴与煤接触时间对接触角的影响

图3是截取Cl^- 浓度为0.04mol/L的3种无机盐溶液对煤SGT的接触角，截取时间为0.2、1.0和6.0s。从图3中可以明显看到三种无机盐溶液与去离子水的接触角都在降低。其中，三种阳离子在不同时间段（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、2.0、4.0和6.0s）对煤的接触角的变化在图4中得以体现。通过分析含不同阳离子的液滴接触煤的短时间内接触角的大小关系，可以推测出液滴对煤的润湿性主要与溶液性质有关，受表面张力的影响较大。因此溶液的表面张力越小，对煤的接触角也越小，溶液对于煤的润湿性越好。随着接触时间变长，溶液中不同阳离子与煤的相互作用影响了液滴润湿煤的能力。如含Na⁺的液滴在0.4s以后对于煤的接触角变得比去离子水小，而含Mg²⁺的液滴在0.4s以后对于煤的接触角却变得比去离子水大。这是因为NaCl溶液的密度大于去离子水，所以接触角比去离子水更小。而Ca²⁺、Mg²⁺容易与煤中的矿物成分发生反应，形成沉淀物，附着在煤表面，使得它对溶液的亲和力变弱，抑制了溶液对煤的润湿性。结果导致MgCl2和CaCl2的接触角在不同时间段基本都大于去离子水的接触角。

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。