Study on the optimization formula and performance of high efficiency dust suppressant in mine
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摘要:
以某煤矿掘进工作面粉尘为研究对象，开展矿井高效抑尘剂优化配方及性能研究。通过沉降实验，确定高效抑尘剂优化配方的润湿剂组分为2%的TX-100和0.5%的SDBS混合溶液；通过黏度测定实验，确定优化配方的黏结剂组分为E412；通过保水性实验，确定优化配方的保水抑尘剂组分为PAAS；通过抑尘剂溶液的酸碱度测定实验，确定选用PHOS调节溶液的pH值为6.8；最终研究得到矿井高效抑尘剂GHY-1配方组分及比例。性能测定实验结果表明：高效抑尘剂优化配方表面张力为68.15 mN/m，左、右接触角分别为11.25°和10.85°，黏度值为0.4 mPa·s，保水率为80.5%，降尘效率可达95.3%。
Abstract:Taking the dust of a coal mine driving face as the research object, the optimization formulation and performance of highly effective dust suppressant were studied. Through sedimentation experiments, the wetting agent components for optimizing the formula of high-efficiency dust suppressants were determined to be a mixture of 2% TX-100 and 0.5% SDBS solution; by conducting viscosity measurement experiments, the adhesive component for optimizing the formula was determined to be E412; by conducting water retention experiments, the water retention agent component for the optimized formula was determined to be PAAS; through the experiment of measuring the acidity and alkalinity of the dust suppressant solution, it was determined that the pH value of the solution adjusted by PHOS was 6.8; the final research obtained the composition and proportion of the high-efficiency dust suppressant GHY-1 formula for mines. The performance measurement experiment results show that the optimized formula of high-efficiency dust suppressant has a surface tension of 68.15 mN/m, the left and right contact angles are 11.25 ° and 10.85 °, respectively, viscosity value is 0.4 mPa·s, water retention rate is 80.5%, and dust reduction efficiency is 95.3%.
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煤炭资源作为我国主体能源之一[1]，对国民经济发展具有重要意义。但是，煤矿开采过程中会产生大量煤尘，严重威胁工人的身体健康和井下作业安全[2]。因此，开展井下降尘技术研究是极其必要的。常用的降尘技术主要包括矿井通风、煤层注水、湿式打眼、泡沫凝胶、水幕、喷雾等。目前，抑尘剂喷雾降尘[3-5]作为一种新型降尘技术，在矿井领域得以广泛应用。
国内外相关学者针对抑尘剂研究已经取得了一定成果[6]。梁文俊等[7]以秸秆酶解液为主要原料，配制出可以有效抑制风力扬尘的化学抑尘剂；李振等[8]针对露天煤堆造成的扬尘污染，以改性淀粉高分子为原料研发出新型环保抑尘剂；BAO等[9]将亚甲基丁二酸-丙烯酸和膨润土进行化学合成，研制成一种新型的内黏结型抑尘剂；ZHOU等[10]将SDBS表面活性剂和NaAc化合物混合后加入喷雾系统，分析了抑尘剂对巷道内爆破后的粉尘颗粒抑制作用；YAN等[11]研究提出利用改性海藻酸钠作为抑尘剂，其抑尘效率可达90%，且具有较好的润湿性和保水性；ZHOU等[12]利用丙烯酸和丙烯酰胺制备了合成抑尘剂。
现有研究结论主要通过改变抑尘剂配方种类实现高效除尘效果[13-15]，但是对于配方中各组分比例对抑尘剂性能影响研究有待进一步加强。为此，以某煤矿掘进工作面粉尘为研究对象，根据药剂物化特性进行单组分初选，通过开展各组分药剂复配实验，确定优化配方组分及比例，并测定抑尘剂优化配方物化性能；通过降尘实验，验证高效抑尘剂优化配方的抑尘效果。
1. 实验准备
1）实验原料。主要原料包括：某煤矿井下掘进工作面粉尘；十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）、曲拉通（TX-100）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）；红薯淀粉、瓜尔豆胶（E412）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）；MgCl2、聚丙烯酸钠（PAAS）、吸水树脂颗粒（SPA）、羟丙基化纤维素（HPC）；磷酸盐（PHOS），Ca（OH）2。
2）实验设备。实验设备包括：电热恒温鼓风干燥箱（天津市中环实验电炉有限公司，DH-101）；旋转黏度计（上海力辰邦西仪器科技有限公司，NDJ-85）；电子天平（奥豪斯仪器有限公司，AX224ZH）；pH计（上海康仪仪器有限公司，pHS-25）；电动搅拌器（常州苏瑞仪器有限公司，JJ-1）；表面张力仪（上海衡平仪器仪表厂，BZY-1）；接触角测定仪（Biolin Scientific，ThetaLite101）；电动压片机（中世沃克，769YP-24B）；流量计；高压清洗机（上海熊猫清洁机械有限公司，QL-380A）；水泵；空压机；喷嘴。
2. 实验测定
本次研究共开展8个实验，分别为：①单组分润湿剂性能测定实验；②多组分润湿剂性能测定实验；③黏结剂性能测定实验；④保水剂性能测定实验；⑤高效抑尘剂组分比例测定实验；⑥高效抑尘剂有效喷射实验；⑦高效抑尘剂性能测定实验；⑧高效抑尘剂降尘效率测定实验。
2.1 单组分润湿剂性能测定
利用分析天平分别称量4组各6份0.5 g的150 μm煤粉；将选定的SDS、DTAC、TX-100、SDBS试剂分别配制成质量分数为0.1%、0.5%、1%、2%、5%、10%的溶液；将每组配制出的溶液分别倒入6支试管中并确保其处于同一水平线；分别将煤粉倾斜倒入不同质量分数的表面活性剂溶液所在的试管中，并记录煤样从开始沉降到沉降至距液面同一高度所用的时间。
2.2 多组分润湿剂性能测定
用分析天平分别称量6份0.5 g的150 μm煤粉；分别将2%的TX-100和2%的DTAC溶液混合，将2%TX-100和0.5%SDBS溶液混合，将1%DTAC和1%SDBS溶液混合，将2%DTAC和0.5%SDBS混合；将配制出的溶液分别倒入4支试管中并确保其处于同一水平线；分别将煤样倾斜倒入不同质量分数的表面活性剂溶液所在的试管中，并记录煤样从开始沉降到沉降至距液面同一高度所用的时间。
2.3 黏结剂性能测定
根据每种黏结剂（马铃薯淀粉、E412和CMC-Na）的不同质量分数梯度称取一定质量的水溶性聚合物，缓慢倒入已量取好的水中，匀速搅拌，直到完全溶解。将装有完全溶解水溶性聚合物溶液的烧杯放在恒温水箱中进行恒温处理，当温度达到25 ℃时，采用数字型黏度计，测定质量分数不同的水溶性聚合物溶液的黏度值。对于数字型黏度计本实验采用1号转子，设定转速为60 r/min，每个实验数据均测定6次以上，最终结果取测定平均值。
2.4 保水剂性能测定
分别对3种保水剂（PAAS、SPA、HPC）进行称重，并将其质量记为m1，将称后试剂浸泡在500 mL水中，试剂吸水达到完全饱和状态后，缓慢地将固液混合物倒在150 μm的筛子上，过滤并称凝胶质量记为m2，根据式（1）计算其吸水倍率：
$$ Q=\frac{{m}_{2}-{m}_{1}}{{m}_{1}} $$ (1) 式中：Q为吸水倍率；m1为吸水前保水剂质量，g；m2为吸水后保水剂质量，g。
把充分吸水后的试剂盛放在蒸发皿中，称量其质量记为m2，然后将其置于恒温环境为40 ℃的干燥箱内，每隔0.5 h取出1次并称量记录，则保水率R计算如式（2）：
$$ R=\frac{{m}_{3}-{m}_{1}}{{m}_{2}-{m}_{1}} $$ (2) 式中：R为保水倍率；m3为失水一定时间后保水剂质量，g。
2.5 高效抑尘剂组分比例测定
基于上述实验选定高效抑尘剂配方组成，选取4种不同比例配方复配出12个待测样品，根据比例配制溶液，测定复合溶液的黏度和pH值。抑尘剂配方复配组分与比例见表1。
表 1 抑尘剂配方复配组分与比例Table 1. Compound components of dust suppressant序号 药剂
组分含量/g 比例/% 样品数量 GHY-1 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.03 0.015 PAAS 0.01 0.005 GHY-2 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.05 0.025 PAAS 0.02 0.010 GHY-3 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.03 0.015 PAAS 0.02 0.010 GHY-4 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.50 0.250 PAAS 0.05 0.025 小计 12 2.6 高效抑尘剂有效喷射实验
根据前文所述，按照优化配方配制抑尘剂进行有效喷射实验，通过观察和测定不同组分抑尘剂溶液的喷射形态和喷射量，计算平均有效喷射效率，确定最终配方。
将4种高效抑尘剂配方按比例配制约200～300 g的溶液各3份，共12份，并分别准确称取质量记为mp1；将溶液装到药剂箱中，使用搅拌器进行搅拌，将黏稠的液体配制为流动性较高的药剂，同时用流量计控制抑尘剂的流出；使用流量计控制水泵供水，与装药箱中的抑尘剂混合；使用空压机对药剂箱中的抑尘剂溶液进行加压；通过喷头进行喷射；控制每组试剂喷出时长20 s，称量喷出后剩余的质量记为mp2，计算抑尘剂喷出前后的质量差；则有效喷射效率计算如式（3）：
$$ \mathrm{\phi }=\frac{{m}_{{\mathrm{p}}1}-{m}_{{\mathrm{p}}2}}{t} $$ (3) 式中：ϕ为有效喷出效率，%；mp1为喷射前药剂质量，g；mp2为喷射后药剂质量，g； t为喷射时间，s。
计算得出ϕ越大，说明有效喷射效率越高。基于组分比例测定实验及有效喷射实验所得结论，最终确定高效抑尘剂配方。
2.7 高效抑尘剂性能测定
1）高效抑尘剂黏度测定。使用旋转黏度计，选择1号转子，设定转速为60 r/min；用直径大于7 cm的烧杯盛装样液并保持恒温，调整高度使转子浸入液体直至液面标志为止；接通电源，转子转动，直至数值趋于稳定；将操纵杆压下，关闭电源，读取指针所指示的数值，记录数据，测量3组数据，取平均值。
2）高效抑尘剂表面张力测定。使用全自动界面张力仪，用吊环法测定溶液的表面张力。首先将表面张力仪置于表面水平的、没有振动的实验台上，并且与电脑进行连接；待探针灼烧完后，将探针挂在表面张力仪的微量天平上；按照说明书进入表面张力仪软件的操作界面进行参数设置，设置完成后，将装有纯水的样品杯置于测量盘中进行校正；校正完成后，将所需要测试的样品放入测量盘中进行测试即可，测量4组数据，计算平均值并记录。
3）高效抑尘剂保水性测定。使用分析天平，利用质量差减法测量药剂的保水性。首先称取2组20 g煤样，分别倒入陶瓷蒸发皿中，将蒸发皿编号为1#和2#；然后向1#蒸发皿中喷洒20 g水使其与煤样充分混合，向2#蒸发皿中喷洒20 g抑尘剂使其与煤样充分混合；其次将2组蒸发皿放入40 ℃的恒温干燥箱中，每小时称取其质量，共测量10 h，记录其质量为mb0~mb10。计算干燥前后的质量差，根据式（4）计算保水率：
$$ Z=\frac{{m}_{{\mathrm{b}}10}-20}{{m}_{{\mathrm{b}}0}-20} $$ (4) 式中：Z为保水率，%；mb0为高效抑尘剂干燥前煤样与水质量，g；mb10为高效抑尘剂干燥后煤样与水质量，g。
4）高效抑尘剂pH值测定。使用pHS-25酸度计，利用电极感应法测定溶液的pH。先校准pH酸度计，使用去离子水冲洗pH电极，再将电极头擦干；将不同质量分数配比的抑尘剂溶液分别搅拌均匀并按照序号进行编号，边搅拌边依次将电极插入待测溶液；待读数稳定读取待测溶液的pH值，并做好记录。
5）高效抑尘剂动态接触角测定。使用769YP-24B粉末压片机和TL101型接触角测定仪进行接触角测量。首先称取0.7 g煤粉，将其倒入压片模具中，然后将模具放入769YP-24B粉末压片机，制备得到6个煤片试样；再利用接触角测定仪测定其接触角度，对每个样品进行3次测量，最终确定水与煤试样表面接触角度。
2.8 高效抑尘剂降尘效率测定
构建降尘模拟实验室，在5 m×3 m×2 m空间内，利用气溶胶发生器持续喷射煤尘5 min后停止；利用粉尘浓度测定仪测定喷雾前实验空间粉尘浓度为C0；将本次研究所得高效抑尘剂置于喷雾降尘装置中持续喷雾降尘20 min；每间隔5~10 min测定实验空间内粉尘浓度变化并依次记为C1～Cn，根据式（5）计算研究所得高效抑尘剂降尘效率：
$$ \eta =\frac{{C}_{0}-{C}_{n}}{{C}_{0}}\times 100 $$ (5) 式中：η为降尘效率，%；C0为初始粉尘浓度，mg/m3；Cn为降尘完成后粉尘浓度相对稳定时的粉尘浓度值，mg/m3。
3. 实验结果
3.1 单组分润湿剂性能
实验所得4种试剂的沉降速度随试剂质量分数的变化如图1所示。
由图1可知：4种试剂的沉降效率在试剂质量分数为0～1%时发生骤减；SDBS和TX-100在试剂质量分数达到1%后，沉降时间会随质量分数的增大而缓慢增大，SDS和DTAC的沉降时间在质量分数为1%～2%时继续下降；在试剂质量分数为2%～5%时，SDBS和SDS的沉降时间与质量分数成正比，DTAC和TX-100的沉降时间与质量分数成反比；4种试剂均在质量分数为1%～5%范围内效果较好，质量分数大于或等于10%时，会出现大量泡沫，溶液黏稠，沉降速度会随溶液质量分数增加而减慢。
从沉降时间和澄清效果2个方面对4种试剂进行比较可知：4种相同比例的单组分润湿剂对煤尘的沉降时间从快到慢依次排序为DTAC>TX-100>SDBS>SDS，其中SDS沉降所需时间最长；而在相同沉降时间内，SDBS能使煤尘结成团块状后缓慢沉降，沉降后溶液恢复澄清，说明SDBS对煤尘具有较好沉降效果，其中，5%的SDBS溶液沉底效果最佳。
由此可见，单组分润湿剂难以满足煤尘高效、快速沉降需求，因此需要进一步开展多组分润湿剂研究。
3.2 多组分润湿剂性能
根据单组分润湿剂性能，SDS沉降时间较长，沉降效果不佳，故在多组分润湿剂的选择中将其淘汰。取沉降时间较快的2%TX-100和5%DTAC与质量分数分别为1%、2%、5%的SDBS配制成多组分润湿剂，测定溶液对煤尘的沉降时间。2%TX-100润湿剂混合溶液沉降速度如图2所示，5%DTAC润湿剂混合溶液沉降速度如图3所示。
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图 2 2%TX-100润湿剂混合溶液沉降速度Figure 2. Settling rate of 2% TX-100 wetting agent mixed solution由图2和图3可知：SDBS分别与2%TX-100和5%DTAC 2种润湿剂混合后沉降时间都有所增加，且随着SDBS浓度增加，沉降时间明显增长。因此，应选用低质量分数的SDBS与其他润湿剂进行混合。
为满足在较短时间内提高沉降效果的需求，最终选定用0.5%SDBS和1%SDBS分别与2%的TX-100和2%的DTAC进行混合，通过测定多组分润湿剂混合液的黏度及沉降时间，确定润湿剂最终组分及比例。多组分混合润湿剂性能测定见表2。
表 2 多组分混合润湿剂性能测定Table 2. Performance measurement of multi-component mixed wetting agent混合配方 黏度/（mPa·s） 沉降
时间/s0.5%SDBS+2%TX-100 0.5 6.42 1.0%SDBS+2%DTAC 12.0 >60 0.5%SDBS+2%DTAC 6.5 2.83 根据表2数据，最终选取2%TX-100与0.5%SDBS混合溶液作为多组分润湿剂，其黏度为0.5 mPa·s、沉降时间为6.42 s。
3.3 黏结剂性能
通过参考现有研究成果，选用马铃薯淀粉、E412和CMC-Na作为黏结剂，对不同质量分数的马铃薯淀粉、E412和CMC-Na溶液进行黏度测试实验，根据实验数据得到的黏结剂质量分数-黏度曲线如图4所示。
实验表明：马铃薯淀粉在常温下不溶于水，因此不考虑其作为本次研究的黏结剂；E412和CMC-Na均具有较好的黏结效果。但是，实现黏度约为200 mPa·s所需E412质量分数（0.5%）远低于CMC-Na质量分数（2.0%），因此选用E412作为黏结剂。
抑尘剂的黏度大小决定了其喷洒到煤尘表面上时与颗粒物的结合牢固度以及黏聚能力，但实现喷雾要求抑尘剂黏度不能过大，因此选用质量分数为0.25%的E412溶液作为黏结剂，在保证最大凝聚能力同时降低溶液黏度。
3.4 保水剂性能
分别测定PAAS、SPA、HPC 3种保水剂吸水倍率和保水率。保水剂吸水倍率变化曲线（图5）显示，PAAS的整体吸湿性能变化较为稳定保；水剂保水率变化曲线（图6）显示，在相同干燥时间内，PAAS的保水率明显优于SPA和HPC。因此，选择PAAS作为高效抑尘剂的保水剂。
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图 6 保水剂保水率变化曲线Figure 6. Change curvesof water retention rate of water retaining agent3.5 高效抑尘剂优化配方
通过测定4种不同比例配方得到12个复合溶液样品的黏度和pH值，高效抑尘剂优化配方黏度及pH值测定见表3。
表 3 高效抑尘剂优化配方黏度及pH值测定Table 3. Viscosity and pH determination of optimized formula of high-efficiency dust suppressant序号 高效抑尘剂优化配方 黏度/(mPa·s) pH值 1 GHY-1 0.4 8.6 2 GHY-2 1.0 9.0 3 GHY-3 0.5 8.7 4 GHY-4 44.5 10.0 由表3数据可知，GHY-4溶液黏度高达44.50 mPa·s，黏度过高不能满足喷雾需求，据此淘汰。
对GHY-1、GHY-2、GHY-3 3种高效抑尘剂配方实施有效喷射实验，测定三者有效喷射效率，取平均值得到的抑尘剂配方平均有效喷出效率如图7所示。
根据图7中平均有效喷雾效率可知，配方GHY-1平均有效喷射率最佳。
因此，最终确定GHY-1作为高效抑尘剂优化配方，选取2%TX-100、0.5%SDBS混合作为多组分润湿剂，选取E412作为黏结剂，选取PAAS作为保水剂，基础配方选定之后，选取PHOS作为pH中和试剂调节抑尘剂整体pH值，最终得出最佳药剂配比为TX-100∶SDBS∶E412∶PAAS∶PHOS∶水=2∶0.5∶0.015∶0.005∶0.02∶97.46。
3.6 高效抑尘剂性能分析
1）高效抑尘剂黏度。通过实验测定高效抑尘剂GHY-1溶液的黏度为0.4 mPa·s，实验证明，该溶液黏度较小，易于喷洒，选用直径小的喷嘴设备，能喷洒出较为细密的喷雾，从而增加与煤尘接触面积，提高降尘效果。
2）高效抑尘剂表面张力。通过实验测定，高效抑尘剂的表面张力为68.15 mN/m，小于常温下水的表面张力，说明该溶液更易与煤尘接触，在接触煤尘后包裹性能更强。
3）高效抑尘剂保水性。高效抑尘剂保水性实验煤样质量变化曲线如图8所示。由图8可知，高效抑尘剂作用下，煤尘单位时间平均蒸发量为 0.389 5 g/h，计算得本高效抑尘剂保水率为80.5%。说明该抑尘剂保水效果较好，在喷洒后与煤尘接触，能够有效防止二次扬尘。
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图 8 高效抑尘剂保水性实验煤样质量变化曲线Figure 8. Quality change curves of coal samples in water retention test of dust suppressor4）高效抑尘剂pH值。通过加入PHOS试剂调节高效抑尘剂酸碱浓度，最后测定高效抑尘剂的pH值为6.8，溶液接近中性，说明在喷洒后不会对井下工人、设备及环境造成产生腐蚀。
5）高效抑尘剂动态接触角。实验测定的3组共6个试样接触角数据见表4。分析表4数据可以得出抑尘剂与煤尘表面接触角更小，说明相比于水，抑尘剂溶液与煤尘粒子接触的难度更小，速度更快。
表 4 接触角测试结果Table 4. Contact angle test results序号 水接触角/（°） 抑尘剂接触角/（°） 左 右 左 右 1 91.20 91.53 7.92 9.92 2 81.94 77.86 9.05 7.21 3 78.20 75.47 16.79 15.42 平均值 83.78 81.62 11.25 10.85 6）高效抑尘剂降尘效率。通过分析降尘模拟实验室所得粉尘浓度变化过程可得，初始状态下空间粉尘浓度为408 mg/m3，粉尘浓度随着时间推移而逐渐减小，在20 min时粉尘浓度降至19.2 mg/m3。高效抑尘剂的降尘效率为95.3%。
4. 结 语
1）研究所得高效抑尘剂优化配方GHY-1组分为：2%TX-100、0.5%SDBS混合作为多组分润湿剂，E412作为黏结剂，PAAS作为保水剂，最终得出最佳药剂配比为TX-100∶SDBS∶E412∶PAAS∶PHOS∶水=2∶0.5∶0.015∶0.005∶0.02∶97.46。
2）测定高效抑尘剂优化配方GHY-1的黏度为0.4 mPa·s、表面张力为68.15 mN/m、保水率为80.5%、pH值为6.8，该抑尘剂具有较好的喷雾黏度、煤尘包裹性和保水性。
3）降尘实验证明该高效抑尘剂优化配方的降尘效率可达95.3%，较传统抑尘剂降尘效果有明显提升。
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图 2 2%TX-100润湿剂混合溶液沉降速度
Figure 2. Settling rate of 2% TX-100 wetting agent mixed solution
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图 6 保水剂保水率变化曲线
Figure 6. Change curvesof water retention rate of water retaining agent
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图 8 高效抑尘剂保水性实验煤样质量变化曲线
Figure 8. Quality change curves of coal samples in water retention test of dust suppressor
表 1 抑尘剂配方复配组分与比例
Table 1 Compound components of dust suppressant
序号 药剂
组分含量/g 比例/% 样品数量 GHY-1 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.03 0.015 PAAS 0.01 0.005 GHY-2 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.05 0.025 PAAS 0.02 0.010 GHY-3 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.03 0.015 PAAS 0.02 0.010 GHY-4 TX-100 4.00 2.000 3 SDBS 1.00 0.500 E412 0.50 0.250 PAAS 0.05 0.025 小计 12 
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表 2 多组分混合润湿剂性能测定
Table 2 Performance measurement of multi-component mixed wetting agent
混合配方 黏度/（mPa·s） 沉降
时间/s0.5%SDBS+2%TX-100 0.5 6.42 1.0%SDBS+2%DTAC 12.0 >60 0.5%SDBS+2%DTAC 6.5 2.83
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表 3 高效抑尘剂优化配方黏度及pH值测定
Table 3 Viscosity and pH determination of optimized formula of high-efficiency dust suppressant
序号 高效抑尘剂优化配方 黏度/(mPa·s) pH值 1 GHY-1 0.4 8.6 2 GHY-2 1.0 9.0 3 GHY-3 0.5 8.7 4 GHY-4 44.5 10.0
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表 4 接触角测试结果
Table 4 Contact angle test results
序号 水接触角/（°） 抑尘剂接触角/（°） 左 右 左 右 1 91.20 91.53 7.92 9.92 2 81.94 77.86 9.05 7.21 3 78.20 75.47 16.79 15.42 平均值 83.78 81.62 11.25 10.85
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1. 王银辉. SDS与AEO_3复配对褐煤润湿性的影响分子动力学模拟研究. 煤矿安全. 2024(09): 78-84 . 
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