复合表面活性剂处理气煤颗粒扫描电镜研究

时间：2024-07-28

张凯萌杨后勤胡鹏

（1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛 266590；3.枣庄矿业集团济宁七五煤业有限公司，山东济宁 277523）

中国是一个煤炭生产及消费大国，较长一段时间里，煤炭在我国的能源消费结构仍会占据主导地位。其中，低阶煤在我国可利用煤炭资源中的占比接近50%，是重要的工业原材料。随着我国能源需求不断加大，开采深度的加深以及机械化程度的提高，开采过程中地应力显著增大，导致煤与瓦斯突出、冲击地压等矿井灾害日益严重。同时，煤层开采过程中产生的粉尘量逐渐增多，严重危害煤矿工人职业健康。针对矿井粉尘问题，利用煤层注水技术可以改变煤体结构，增大煤体孔隙率，更利于水进入到煤体内部，提高煤层含水率，从而在煤层开采过程中减少粉尘排放，达到减尘防灾的目的[1]。但是，由于水表面张力较大的特性，并且煤表面疏水性较强，单纯注水达不到理想的预湿减尘效果。在现场进行煤层注水过程中，由于随着地层深度的变化注水的温度环境也会发生改变，煤体增润需要考虑温度的影响。

为此，许多研究人员对注液性质和煤表面改性的方法进行了一系列的研究，而扫描电镜分析是研究煤颗粒表面形貌变化的主要手段之一[2-5]。目前，由于针对温度影响低阶煤体润湿效果的研究成果较少，难以在注水过程中根据煤层温度有针对性的选取润湿剂。为此，本文在前人研究的基础上，首先分别配制特定浓度的SDS溶液、浓度比为3:1的SDS与阴离子、非离子表面活性剂的复配溶液，并采用气煤作为实验煤样，进行不同温度条件下的复配溶液处理以及进一步的扫描电镜实验，分析煤颗粒表面经复合表面活性剂处理后的形貌变化。

1 样品制备及实验过程

1.1 煤样准备及溶液配制

本文选择山东省兴隆庄矿气煤作为实验煤样，通过锤式破碎机及多功能粉碎机将块状煤样破碎为粉末状，筛分得到粒径为180～200目的煤粉。煤样工业分析结果见表1。

表1 煤样的工业分析

试剂选取阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS），非离子表面活性剂tween80。配制质量浓度为0.3%的SDS溶液，再配制总质量浓度为0.3%，SDS与SDBS、SDS与tween80质量比为3:1的混合溶液，溶液编号为#1、#2、#3。

将上述180～200目气煤粉末与#1、#2、#3溶液充分混合，置入25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45℃温度条件下水浴锅中处理1 h，得到共计8组处理后的煤样。将处理过的煤样从溶液中分离出来，用蒸馏水反复冲洗煤样直至pH值测试为中性，然后将煤样置于干燥箱中在80 ℃条件下干燥5 h。

1.2 扫描电镜实验

实验采用热场发射扫描电镜（型号：FEI APREO）对样品进行测试。先将处理好的煤颗粒样品用导电胶固定在样品托盘上，再用吹扫器清洁样品表面，将样品托盘固定并喷金300 s，增加煤颗粒表面的导电性能，放入样品仓，抽真空至10-3Pa。试验中开高压扫描目标，选择5000倍的放大倍数观测煤表面形貌结构，并拍摄电镜图像。

2 不同表面活性剂对煤颗粒表面形貌影响分析

在25℃温度条件下使用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）溶液、十二烷基硫酸钠与十二烷基苯磺酸钠（SDBS）复合溶液、十二烷基硫酸钠与tween80复合溶液处理过的煤颗粒扫描电镜图像如图1。

从图1（a）中可以看出，在本次实验中，经单一表面活性剂SDS处理后的煤颗粒表面产生的孔隙结构较少，具有一定的裂隙结构。裂隙大致呈横向平行分布，宽度较窄且宽度变化范围小。各裂隙间的连通性较弱，独立且不均匀的分布于煤表面各处。煤颗粒表面经处理后有较多碎粒，颗粒与颗粒堆叠分布。煤颗粒表面整体较为平整，堆积有大量矿物质颗粒。

图1（b）为SDS与SDBS复合溶液处理过的煤颗粒表面扫描电镜图像，可以看出处理后煤颗粒表面孔隙结构较多，且孔径差异较大。孔隙与孔隙间的排列在部分区域较为紧密，而在孔隙较少的区域煤颗粒表面较为光滑平整且矿物质碎粒较少。在孔隙结构较多的区域中，孔隙结构被碎粒堵塞严重，不利于表面活性剂溶液在煤颗粒表面的铺展润湿，可能对煤颗粒的润湿性能产生一定影响。

图1（c）为SDS与tween80复合溶液处理过的煤颗粒表面扫描电镜图像，可以看出处理后的煤颗粒表面孔隙结构和裂隙结构都有较多分布。孔隙结构的空间分布层次感较强，增加了与表面活性剂接触的面积。裂隙结构的宽度分布不均，且裂隙中充填有大量的矿物质碎粒，煤颗粒表面的整体破碎程度较高。

图1 多种表面活性剂处理后煤颗粒扫描电镜图像

3种不同溶液处理后的煤颗粒表面形态各有差异，其中经单一表面活性剂SDS处理后的煤颗粒表面形貌较为平整，经复合表面活性剂处理后的煤颗粒表面破碎程度较高，孔隙结构和裂隙结构发育较多，与表面活性剂接触的面积较大，可能在注水过程中更容易被润湿。

3 温度对煤颗粒表面形貌影响分析

使用单一类型表面活性剂十二烷基硫酸钠在不同温度下对煤颗粒进行处理，并进行扫描电镜实验，得到的图像如图2。

图2 不同温度下煤颗粒电镜图像

从图2中可以看出，在25 ℃下经SDS处理后的煤颗粒表面较为光滑平整，产生的孔隙结构与裂隙结构较少，表面有少量的碎粒，少量的裂隙结构走向不规则，裂隙与裂隙间连通性较差。在30 ℃处理后的煤颗粒表面的破碎程度上升，破碎颗粒的数目升高，碎粒的形状多呈长条状、薄片状，棱角较为分明，孔隙结构数目明显增多，孔径普遍偏小。裂隙结构相较图2（a）中的数目略有上升，碎粒多堆积于孔隙的孔口处。从图2（c）、（d）中可以看出，在35 ℃、40 ℃SDS处理后的煤颗粒表面孔隙结构和裂隙结构数量均有一定程度的上升，孔径大小变化较大且碎粒在孔口处的堆积现象严重，裂隙的发育较为杂乱，没有方向性。在该温度下拍摄的电镜图像中的煤颗粒表面形貌十分复杂，表面分布更为立体。在45 ℃处理后的煤颗粒表面裂隙结构数量明显上升，裂隙在煤颗粒表面平行且集中分布，并伴随有较多矿物颗粒分布。可以看出在表面活性剂SDS的处理下，随着温度的上升，溶液对孔隙结构与裂隙结构的发育促进效果更好，增大溶液与煤颗粒表面的接触面积，提高煤体的润湿性能。