煤粉粒徑及含量對納米流體潤濕強化效果的影響

吳光先,趙管柱,杜佩劍,賈雪祺,秦興林

(1.山西保利合盛煤業有限公司,山西 晉中 031300;2.重慶大學 資源與安全學院,重慶 400044;3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;4.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

深部煤層具有高地應力、高瓦斯、低透氣性的特點,加大了瓦斯治理難度,嚴重制約了煤礦的安全生產[1-3]。目前高突礦井在煤層瓦斯治理過程中主要通過地面井[4]、開采保護層[5]、井下鉆孔[6]等方式進行抽采。其中,施工井下鉆孔進行煤層瓦斯抽采最為常用,而鉆孔施工常面臨巷道粉塵嚴重、鉆孔排渣慢等問題,不僅給作業人員的身體健康造成嚴重威脅,也會導致鉆孔抽采效率不穩定,使用壽命縮短,嚴重的甚至影響礦井采-掘-抽平衡[7];同時,大直徑鉆孔、定向鉆孔工程施工周期長、造價高,如果在抽采時間和效率上無法有效發揮作用,也會給礦方造成巨大的經濟損失。

針對以上問題,國內外諸多學者通過實驗室與現場研究等手段開展了大量的工作[8-9]。經研究發現,氟碳表面活性劑[10]、十二烷基苯磺酸鈉[11]等表面活性劑能改變煤體潤濕性,將煤體表面由親油性轉化為親水性,增加液體潤濕煤體的效率,為作業現場水力降塵提供思路,但由于井下作業周期較長,需要大量的潤濕劑來保障工作面降塵及煤層注水的效果,成本較高,無法實現現場的廣泛應用。SiO2納米流體作為一種新型流體,能夠改變煤體表面張力與潤濕性[12],且價格低廉、環境友好。

本文使用不同質量分數的SiO2納米流體對煤粉進行潤濕處理,并測量煤粉處理前后的表面接觸角,對比不同粒徑和不同質量煤粉受納米流體改性的效果,分析影響納米流體潤濕效果的因素,微觀觀察納米顆粒在煤體表面的賦存狀態,探究納米流體對煤粉潤濕強化的機理。

1 實驗方法與表征

1.1 實驗材料

實驗所用煤塵取自陜西省神木市四門溝煤礦。為了保證實驗的準確性,在取樣完成后,將取得的一整塊煤樣進行粉碎、干燥和篩分,從而獲得了3種不同粒徑范圍(60～80目、80～100目、100～150目)的煤塵。在潤濕性研究中,接觸角是衡量材料表面潤濕性的關鍵參數之一,接觸角越小,被測材料的潤濕性就越好。對3種粒徑范圍的煤塵進行了初始接觸角測試,3種煤塵的初始接觸角分別為89.37°、89.42°和87.56°,都接近90°,表明其表面親水性不佳。

實驗選用平均粒徑為20 nm的親水性SiO2納米顆粒,納米顆粒的真實密度為2.1 g/cm3,其形狀為近球形,顏色為白色。在此使用的水基SiO2納米流體均采用兩步法進行制備:超聲時間為20 min,超聲功率為200 W,最終得到顆粒質量分數為0.1%、0.5%、1.0%和1.5%的水基SiO2納米流體。

實驗中采用落置液滴法(落滴法)進行接觸角測量,圖1為落滴法示意圖。首先調整接觸角測量儀底座保證儀器水平,將壓片后的煤粉放置在測量臺上,調整測量臺高度和角度,保證攝像頭能拍到完整液滴,使用注射器擠出一滴去離子水滴落到被測壓實煤粉表面,旋轉旋鈕升起注射器,操作計算機使攝像頭拍照記錄液滴在被測壓片煤粉表面的形態,計算左、右接觸角及平均接觸角。

圖1 落滴法測量煤粉表面接觸角Fig.1 Measurement of contact angle of coal powder surface by dropping method

實驗設計對照組與實驗組,對照組用去離子水潤濕煤粉,實驗組用不同質量分數的水基SiO2納米流體潤濕煤粉。首先將不同粒徑、不同質量的煤粉放置在分裝瓶中,注入不同質量分數的納米流體,具體分組如表1所示。擰緊分裝瓶后晃動均勻,常溫常壓放置24 h,使煤粉在納米流體中被完全浸潤。對照組取3個分裝瓶,編號為W-11、W-12、W-13,分別稱量3種粒徑范圍的煤粉各0.5 g,分別注入20 ml去離子水中,重復實驗組操作。

表1 煤粉樣品分組Table 1 Grouping of coal powder samples

1.2 表征與測試

通過接觸角測試量化表征SiO2納米流體對煤粉表面潤濕性的影響。煤粉經潤濕處理24 h后,使用200目漏斗分別過濾分裝瓶內液體,留下潤濕后的煤粉,將煤粉轉移到干燥的分裝瓶中并均勻擺放至干燥箱中,調節溫度為60℃,干燥12 h后測量其質量,后續間隔12 h多次測量質量,直至相鄰兩次數據差值小于0.01 g,表明煤粉質量不再發生變化,停止干燥。將干燥完成的潤濕后煤粉從分裝瓶中取出,進行壓片處理,使用接觸角測量儀對壓實煤粉進行接觸角測量并記錄數據。為了觀察納米流體潤濕煤粉的微觀形態,將去離子水潤濕后的煤粉和納米流體潤濕后的煤粉分別進行掃描電鏡(SEM)測試。

2 結果與討論

2.1 煤粉粒徑對納米流體潤濕強化效果的影響

如圖2所示,通過對粒徑60～80目、80～100目和100～150目的煤粉進行潤濕實驗和接觸角測量,比較納米流體對不同粒徑煤粉的潤濕強化效果。從圖2(b)中可以看出,用質量分數為0.1%的納米流體處理后的樣品,其接觸角隨煤粉粒徑的增加呈現“V”字型,最大值和最小值可相差15.51°,且質量分數為0.1%的納米流體對80～100目的煤粉潤濕效果最好。從圖2(c)中可以看出,質量分數為0.5%的納米流體對60～80目的煤粉潤濕效果最好;當煤粉量增加,煤粉接觸角受目數增加產生的變化減小,接觸角數值趨于穩定。從圖2(d)中可以看出,質量分數為1.0%的納米流體對粒徑小、細密的煤粉潤濕強化能力差。從圖2(e)中可以看出,隨著煤粉目數增加,經質量分數為1.5%的納米流體潤濕后的煤粉接觸角整體呈先上升后平緩的趨勢,潤濕強化效果先降低后維持穩定。說明質量分數為1.5%的納米流體對較大粒徑煤粉有更好的潤濕強化能力,而對于目數大于80目的細小煤粉潤濕效果大幅下降,并且當煤粉目數大于80目時,接觸角穩定在36°～40°,不再隨煤粉粒徑減小而大幅變化。

圖2 不同粒徑煤粉經不同質量分數納米流體潤濕后接觸角變化曲線Fig.2 Contact angle variation curves of coal powder with different particle sizes after wetting of nanofluids with different mass fractions

綜合比較發現,納米流體與去離子水對煤粉的潤濕效果隨粒徑的變化有很大不同。如圖2(a)所示,去離子水潤濕后的煤粉隨煤粉粒徑減小,接觸角減小,潤濕強化效果提升;而經質量分數大于0.5%的納米流體潤濕的煤粉隨粒徑減小,接觸角增加,潤濕強化效果降低。但整體來看,納米流體的潤濕強化能力仍遠高于去離子水,將親油性煤粉轉化為親水性,煤粉表面接觸角將降低至20°～30°。

2.2 煤粉含量對納米流體潤濕強化效果的影響

保持SiO2納米流體含量一定,通過增加煤粉含量改變納米流體與煤粉配比,分析煤粉配比對納米流體潤濕強化效果的影響。如圖3(a)所示,對于60～80目的煤粉,隨著煤粉含量增大,煤粉接觸角并未發生明顯變化,波動相對穩定。如圖3(b)所示,80～100目煤粉的接觸角會隨煤粉質量增加而降低,潤濕性增強;當納米流體質量分數達到1.5%時,隨煤粉質量變化,接觸角未發生較大改變,維持在40°左右。而對于100～150目的煤粉而言(圖3(c)),除質量分數為0.1%的納米流體潤濕后煤粉接觸角隨煤粉質量增加而增加外,其余質量分數的煤粉接觸角均隨煤粉質量增加而減小,并且當SiO2納米流體質量分數大于1.0%后,隨煤粉質量變化,煤粉接觸角變化程度較小。

(a) 60～80目煤粉

(b) 80～100目煤粉

(c) 100～150目煤粉圖3 不同含量煤粉經不同質量分數納米流體潤濕后接觸角變化曲線Fig.3 Contact angle variation curves of coal powder with different contents after wetting of nanofluids with different mass fractions

綜上所述,當潤濕實驗中納米流體質量分數較小時,煤粉潤濕性易受煤粉質量變化產生部分變化;當納米流體質量分數較大時,煤粉潤濕性在煤粉質量發生變化時維持在一個相對穩定的狀態,并未產生較大波動,接觸角維持在40°左右,具有較好的潤濕性。

2.3 煤粉表面形貌分析

為了觀察納米流體潤濕煤粉的微觀形態,將去離子水潤濕后的煤粉和納米流體潤濕后的煤粉干燥處理后,分別進行掃描電鏡測試。圖4為去離子水潤濕后煤粉在干燥處理后進行SEM掃描的圖像。圖4(a)中,去離子水潤濕后煤粉表面比較平整,除存在一些雜質外,整體較光滑;圖4(c)和4(d)中,畫面聚焦在細小褶皺處,可以看到煤粉表面比較平整光滑但吸附了一些顏色較淺的雜質顆粒。整體來看,去離子水潤濕后的煤粉在干燥處理后表面相對平整,存在少量雜質附著。

圖4 去離子水潤濕后的煤粉表面形貌Fig.4 Surface morphology of coal powder after deionized water wetting

圖5為不同質量分數納米流體潤濕的煤粉經干燥處理后的SEM圖像。對比發現質量分數為0.1%納米流體潤濕后的煤粉表面納米顆粒比較分散,能觀察到單獨存在的納米顆粒,并且納米顆粒分布相對較少,而經質量分數為0.5%、1.0%、1.5%的納米流體潤濕后的煤粉,其表面的納米顆粒呈團聚狀,且相互連接聚集,分布廣泛。尤其是圖5(d)中的納米顆粒堆積層數多且廣泛覆蓋于煤粉表面。

對比去離子水潤濕后煤粉與納米流體潤濕后煤粉的表面形貌,可以明顯發現納米流體對煤粉表面原始形態改變顯著,煤粉表面多處被納米顆粒覆蓋,煤粉原本平整、光滑的表面由于納米顆粒的存在變得粗糙。納米顆粒在煤粉表面的聚集狀態隨著納米流體質量分數的增加由分散轉變為聚集,覆蓋程度逐漸增加,但顆粒間連接并不緊密。

圖5 不同質量分數納米流體潤濕后煤粉表面形貌Fig.5 Surface morphology of coal powder after wetting of nanofluids with different mass fractions

2.4 表面元素分析

電鏡掃描測試后,又對煤粉表面進行EDS能譜分析,分析煤粉表面各元素的分布情況。由圖6可以發現,原始圖片左邊部分為“云朵狀”聚集顆粒,通過EDS成像后元素分析發現,此部分大量賦存的元素為Si和O,可以說明吸附聚集在煤粉表面的顆粒為SiO2納米顆粒,同時賦存少量C,說明SiO2納米顆粒雖然覆蓋在煤粉表面,但也留有一部分空隙。對比右下角,可以發現在沒有納米顆粒明顯團狀聚集的部分,C的表觀含量并不高,粉色顆粒密度不大,且同時也存在綠色和紅色顆粒,說明部分煤粉表面雖然沒有形成納米顆粒團聚形態但也有少量納米顆粒均勻分布。

表2為納米流體潤濕后煤粉表面EDS能譜分析數據,可以看到,Si和O元素的表觀濃度較大,分別為53.30和36.22,而C的表觀濃度較小,說明煤粉表面未被SiO2納米顆粒附著的部分占少數。

圖6 納米流體潤濕后煤粉表面元素分布Fig.6 Surface element distribution of coal powder after nanofluid wetting

表2 煤粉表面EDS能譜分析Table 2 Energy dispersive spectrometer analysis of coal powder surface

3 結論

1)改變被潤濕煤粉的目數發現,隨著粒徑增大納米流體強化效果也逐漸增大,但整體而言,納米流體潤濕強化效果仍優于去離子水,最高將煤樣接觸角降低63°,使煤粉表面由親油性轉化為親水性。

2)通過SEM掃描去離子水和納米流體潤濕后的煤粉表面,發現水潤濕后的煤粉表面相對平整光滑,而納米流體潤濕后的煤粉表面多處被納米顆粒覆蓋且分布不均勻。隨著納米流體質量分數的增加,納米顆粒在煤粉表面的聚集狀態由分散轉變為聚集,覆蓋程度逐漸增加。

3)通過對納米流體潤濕后的煤粉表面進行EDS能譜分析,發現煤粉表面的大量團聚狀顆粒的元素組成為Si和O,表觀濃度分別為53.30和36.22,說明團聚狀顆粒為二氧化硅納米顆粒。同時,在無明顯團聚狀顆粒的煤粉表面,也可以檢測到Si和O的分布,說明未形成納米顆粒團聚狀態的煤粉表面存在少量納米顆粒均勻分布。