CN110305629A

CN110305629A - 一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂及其使用方法

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Publication number: CN110305629A
Application number: CN201910587344.XA
Authority: CN
Inventors: 胡相明; 张茜; 程卫民; 吴明跃; 赵艳云; 薛迪; 聂文; 周刚
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2019-10-08
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: CN110305629B

Abstract

本发明提供了一种煤矿用表面活性剂‑微生物复合抑尘剂的制备及其使用方法，该复合抑尘剂由表面活性剂、矿化底物和菌液组成，表面活性剂、矿化底物和菌液的体积比为0.5～1.0:1.5～3.5:2～3.5。将所配制的表面活性剂、矿化底物和菌液依次喷洒向煤尘中，每次喷洒量为5‑10L/m³，喷洒1～5次。结果显示，本发明的表面活性剂‑微生物复合抑尘剂与化学抑尘剂、生物抑尘剂相比具有渗透性强、制备简单、施工方便、绿色无污染的特点，本发明制备的表面活性剂‑微生物复合抑尘剂对煤矿开采中的煤尘具有良好的抑尘效果，其固结煤尘样品测试效果显示：本发明的表面活性剂‑微生物复合抑尘剂处理后的煤尘比化学抑尘剂、生物抑尘剂处理后的煤尘的耐风蚀性分别提高70.4％和75.4％。

Description

一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及生物学领域和煤矿防尘、抑尘领域的交叉学科技术领域，具体涉及一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂及其使用方法。

背景技术

煤炭作为当今世界经济中与石油、天然气并存的三大支柱能源之一，在未来相当长的时期内，以煤炭为主的能源供应格局难以改变。煤炭是我国能源供应的主要渠道之一，我国的煤炭生产规模和消费水平在世界各国中均排在第1位，在煤炭生产中，露天煤矿生产占主要地位。由于煤炭储运、粉碎以及燃烧的不完全，导致在使用过程中产生大量的粉尘，粉尘也是煤矿整个露天开采过程中最严重的污染物。煤矿粉尘严重危害采矿地区生态和工作人员身体健康，主要表现在以下几个方面：一、在一定条件下可以发生自燃甚至爆炸，引发安全事故；二、随着呼吸性粉尘浓度的增大，严重威胁煤矿工人的身心健康，使其患尘肺病及其他肺部疾病的概率大大增加；三、煤矿粉尘会加剧设备零部件的磨损，致使仪器精度下降或失灵，进而导致人员伤亡的事故。

目前煤矿采用喷雾降尘、湿法采掘作业以及喷涂抑尘剂等综合防尘措施，然而由于煤体自身疏水的特性，水对煤尘的润湿性较差，难以达到理想的效果。

喷洒化学抑尘剂的方法存在着降尘效果差、成本高、毒性高等弊端，而且化学抑尘剂不易降解，大面积的应用还会造成二次环境污染。虽然目前对生物抑尘剂进行了一定的研究，如公开号为CN107033847A的专利公开了“一种微生物抑尘剂及其应用”、公开号为CN201410042688.X的专利公开了“一种微生物固沙抑尘剂及其制备方法”、公开号为CN201410015068.7的专利公开了“一种基于微生物制备的抑尘剂及其使用方法”和公开号为CN201810667674.5的专利公开了一种“采用极靓保姆菌微生物菌剂固结扬尘和沙土的方法以及喷洒设备”，但这些微生物抑尘剂均用于固结扬尘或沙土，在前期研究中发现，由于煤粉表面润湿性较差，喷洒上述生物抑尘剂后，生物抑尘剂仅能存留在煤尘表面，导致抑尘效果较差。虽然部分研究将微生物用于煤矿行业，如公开号为CN201510746738.7的专利公开了“一种基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂及其使用方法”，但此方法仅适用于煤矿运输过程中的煤炭损失及环境污染问题；公开号为CN201710331088.9的专利公开了“一种利用微生物及地下盐水防止露天煤矿粉尘散逸的方法”，采用此方法进行抑尘，发现生物抑尘剂流失严重，喷洒后煤尘中的微生物含量较少，亦不能达到理想的抑尘效果。

基于以上化学抑尘剂和生物抑尘剂存在的弊端，本行业迫切需要研制一种润湿性好、微生物流失少的表面活性剂-微生物复合抑尘剂及其使用方法。

发明内容

本发明的目的是以上技术背景中煤矿抑尘材料及方法的不足，采用一种充分利用微生物的矿化特性，提供一种润湿性好、微生物流失少、经济、绿色环保的煤矿生物抑尘剂。

本发明的另一目的是提供一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂的使用方法。

本发明采用以下的技术方案：

一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，包括：

表面活性剂，用以向煤尘中喷洒；

矿化底物，用以在所述表面活性剂之后向所述煤尘中喷洒；

菌液，用以在所述矿化底物之后向所述煤尘中喷洒。

进一步地，所述表面活性剂、矿化底物和菌液的体积比为0.5～1.0:1.5～3.5:2～3.5。

进一步地，所述表面活性剂为烷基糖苷、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯中的一种或多种，质量分数为0.1～5.0％。

进一步地，所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、表皮葡萄球菌、曲霉菌中的一种或多种，菌液中细菌的浓度为1×10⁷～1×10¹⁰cells/mL。

进一步地，所述矿化底物由尿素和钙源组成，尿素和钙源中钙离子的摩尔比为1:1，其浓度均为0.45～2.0mol/L。

进一步地，所述钙源为氯化钙、乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙、乙酸钙中的一种或多种。

上述技术方案中，由于矿化底物中的Ca²⁺呈正电性，细菌表面呈负电性，结合依次喷洒表面活性剂、矿化底物和菌液的喷洒方式，可以增大对细菌的吸附性，减少菌液的流失，进一步提高抑尘效果。

一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂的使用方法，该抑尘剂的使用方法包括以下步骤：

步骤一、向煤尘中喷洒表面活性剂；

步骤二、喷洒表面活性剂后，向煤尘中喷洒矿化底物；

步骤三、喷洒矿化底物后，向煤尘中喷洒菌液。

进一步地，重复进行步骤一、二、三，1～5次。

进一步地，每次的喷洒量为5～10L/m3。

与现有煤矿抑尘剂及抑尘方法相比，本发明所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂及其使用方法具有如下突出优点：

(1)在该表面活性剂-微生物复合生物抑尘剂中加入对微生物无毒害的表面活性剂，提高煤尘的润湿性，增大菌液和矿化底物的渗透，增加了煤尘固结层的厚度；

(2)不同于将菌液和矿化底物混合后喷洒的方式，本发明提供的表面活性剂-微生物复合生物抑尘剂使用方法为依次喷洒表面活性剂、矿化底物和菌液，可以减少菌液的流失，进一步提高抑尘效果；

(3)细菌矿化形成的碳酸钙，能有效胶结煤粉，绿色环保，无污染；

(4)利用细菌矿化作用进行煤粉表面固化，无二次污染，成本低，效果好，操纵简易，在露天煤矿具有很好的应用前景，值得大范围推广；

(5)本发明的表面活性剂-微生物复合生物抑尘剂与化学抑尘剂和普通生物抑尘剂相比具有渗透性强、制备简单、施工方便、绿色无污染的特点，对煤矿开采中的煤尘具有良好的抑尘效果；其固结煤尘样品测试效果显示：该表面活性剂-微生物复合生物抑尘剂处理后的煤尘可耐风速为7.9～13.8m/s。

附图说明

图1为各试剂不同添加方式对细菌吸附量的影响；

图2为不同处理方式对煤粉抗风蚀率的影响；

图3为表面活性剂-微生物复合抑尘剂胶结煤粉机理图；

图4为表面活性剂-微生物复合抑尘剂胶结前后煤粉的微观结构(a:胶结前；b:胶结后)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

为了考察不同处理方式对细菌吸附量的影响，首先测定煤尘对细菌的吸附性，以确定生物抑尘剂各成分的加入顺序。

按照以下四种方式注入煤粉：A：APG+矿化底物+菌液；B：APG和矿化底物的混合液+菌液；C：APG+矿化底物和菌液的混合液；D：将APG、矿化底物和菌液的混合液同时注入煤粉。将菌液注入煤粉，然后测定流出液的OD₆₀₀值，以注入前后OD₆₀₀的差值作为煤粉对菌液吸附性的指标。为防止流出液中含有煤粉影响OD值的结果，以相同方式注入煤粉的蒸馏水流出液作为测定OD值的标准液。煤粉对细菌吸附性结果见图1所示。

从附图1可以看出，在四种添加方式中，A种加入方式煤粉对细菌的吸附率最大，B种次之，其中A种加入方式(依次加入表面活性剂、矿化底物和菌液)比B(先将表面活性剂和矿化底物的混合液加入后再加菌液)、C(先加表面活性剂再加矿化底物和菌液的混合液)和D(将表面活性剂、矿化底物和菌液混合均匀后喷洒)加入煤粉时煤粉对细菌的吸附率分别提高了18.9％、66.2％和65.8％，这说明依次加入表面活性剂、矿化底物和菌液可以最大程度实现煤粉对细菌的吸附。

另外，为了考察不同方式处理对煤粉抗风蚀性的影响，对煤粉处理方式如下：a:不做任何处理；b:仅喷洒水；c:仅喷洒浓度为0.12％的表面活性剂溶液；d:喷洒菌液和矿化底物的混合液；e:喷化学抑尘剂；f:喷洒表面活性剂、菌液和矿化底物的混合液；g:依次喷洒表面活性剂、菌液和矿化底物。以上各处理方式中喷洒溶液的体积相同，处理一定时间后将煤粉烘干，对其进行抗风蚀性测试，测试结果如附图2所示。

从附图2可以看出，在7种不同的处理方式中，仅喷洒表面活性剂、菌液和矿化底物混合液处理在风蚀8h后，其风蚀率均在50％以上，结果表明这两种处理方式均不能达到很好的抑尘效果。将表面活性剂、菌液和矿化底物共同作用于煤粉时，从图中可以看出，在依次喷洒表面活性剂、菌液和矿化底物时的风蚀率分别比仅喷洒表面活性剂、菌液和矿化底物混合液、化学抑尘剂和直接喷洒表面活性剂、矿化底物和菌液的混合液的抗风蚀性分别低85.1％、75.4％、70.4％、和59.8％，这说明，采用依次喷洒表面活性剂、矿化底物和菌液的方式喷洒表面活性剂-微生物复合抑尘剂可以有效抑制煤尘。

附图3为表面活性剂-微生物复合抑尘剂胶结煤粉的机理图，从图中可以看出，当喷洒表面活性剂后，表面活性剂溶液能够将渗透到煤粉底部，从而增加了煤粉的润湿性，当喷洒矿化底物时，矿化底物中的钙离子能够分布在煤粉内部，为生物矿化提供了物质条件，当喷洒菌液后，呈正电性的钙离子能够吸附表面呈负电性的细菌细胞，并在原位进行生物矿化，一定时间后，矿化产物能够填充在煤粉颗粒的空隙中，并将煤粉颗粒胶结为整体，从而增加了煤尘的抗风蚀性。这一点也可以从附图4的扫描电镜图中看出，在未喷洒表面活性剂-微生物复合抑尘剂时，煤尘颗粒呈无规则的分散状态，喷洒抑尘剂一定时间后，能后将煤尘胶结为一个整体。

实施例1

配制质量份数为0.20％的APG溶液、浓度为0.75mol/L的尿素和氯化钙溶液以及浓度为7.89×10⁸cells/mL的蜡状芽孢杆菌菌液，其次称取40g煤粉样品，煤粉样品过160目筛，然后将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，按照APG溶液、尿素和氯化钙溶液及菌液的顺序依次喷洒(记为处理1)，其体积比为0.7:2:2。

作为对照，将同样浓度的APG溶液、尿素和氯化钙溶液以及菌液混合均匀后喷洒到煤粉中(记为处理2)。

最后将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干，3d后再次按上述两种方式喷洒生物抑尘剂，同样将处理的煤粉置于室温下自然风干3d。

处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，其中风速为10m/s，结果如表1所示。

表1不同处理煤粉在不同时间时的风蚀率

从表1中可以看出，依次加入表面活性剂、胶结液和菌液的处理方式在8h风蚀过程中比直接将三种液体混合后加入煤粉的风蚀率小65.2％，在前2h风蚀处理时，处理1的煤粉无任何损失，在第3h时，煤粉质量才有所降低，且降低幅度很小，而处理2的煤粉在4h时损失的质量比处理1的煤粉8h时还高，这是由于处理1方式加入生物抑尘剂可以增大煤粉中细菌的浓度，从而产生更多的矿化产物，实现对煤粉的胶结，达到较好的抑尘效果。

实施例2

配制质量份数为0.50％的APG溶液、浓度为0.95mol/L的尿素和氯化钙溶液以及浓度为1.14×10⁹cells/mL的巨大芽孢杆菌菌液，其次称取40g煤粉样品，煤粉样品过180目筛，然后将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，按照APG溶液、尿素和氯化钙溶液及菌液的顺序依次喷洒(记为处理1)体积比为1.0:2:2.5。

最后将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干，3d后再次喷洒生物抑尘剂，同样将处理的煤粉置于室温下自然风干3d。

处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，其中风速为13.8m/s，试验结果如表2所示。

表2不同处理煤粉在不同时间时的风蚀率

实施例3

(1)依次配制表面活性剂、矿化底物和菌液。

所述表面活性剂为烷基糖苷(APG)，质量分数为1％；

所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的巨大芽孢杆菌，菌液中细菌的浓度为1×10⁷cells/mL；

所述矿化底物由尿素和氯化钙组成，尿素和氯化钙的摩尔比为1:1，其浓度均为0.45mol/L。

(2)将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，称取40g煤粉样品，煤粉样品过160目筛，按照APG溶液、尿素和氯化钙溶液、菌液的顺序依次向煤尘中喷洒，APG溶液、尿素和氯化钙溶液、菌液的体积比为0.5:1.5:2。

(3)将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干，3d后再次喷洒生物抑尘剂，处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，结果如表3所示，结果表明采用生物抑尘剂处理过的煤粉具有很好的耐风蚀性。

实施例4

(1)依次配制表面活性剂、矿化底物和菌液。

所述表面活性剂为脂肪酸甘油酯，质量分数为2％；

所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的蜡状芽孢杆菌，菌液中细菌的浓度为1×10⁸cells/mL；

所述矿化底物由尿素和乳酸钙组成，尿素和乳酸钙的摩尔比为1:1，其浓度均为2.0mol/L。

(2)将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，称取40g煤粉样品，煤粉样品过200目筛，按照脂肪酸甘油酯溶液、尿素和乳酸钙溶液、菌液的顺序依次向煤尘中喷洒，脂肪酸甘油酯溶液、尿素和乳酸钙溶液、菌液的体积比为1:3.5:3.5。

(3)将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干，3d后再次喷洒生物抑尘剂，同样将处理的煤粉置于室温下自然风干3d。处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，结果如表3所示，结果表明采用生物抑尘剂处理过的煤粉具有很好的耐风蚀性。

实施例5

(1)依次配制表面活性剂、矿化底物和菌液。

所述表面活性剂为脂肪酸山梨坦，质量分数为3％；

所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的表皮葡萄球菌，菌液中细菌的浓度为1×10⁹cells/mL；

所述矿化底物由尿素和硝酸钙组成，尿素和硝酸钙的摩尔比为1:1，其浓度均为1.0mol/L。

(2)将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，称取40g煤粉样品，煤粉样品过160目筛，按照脂肪酸山梨坦溶液、尿素和硝酸钙溶液、菌液的顺序依次向煤尘中喷洒，脂肪酸山梨坦溶液、尿素和硝酸钙溶液、菌液的体积比为0.5:3.5:2。

(3)将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干。处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，结果如表3所示，结果表明采用生物抑尘剂处理过的煤粉具有很好的耐风蚀性。

实施例6

(1)依次配制表面活性剂、矿化底物和菌液。

所述表面活性剂为聚山梨酯，质量分数为5.0％；

所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的曲霉菌，菌液中细菌的浓度为1×10¹⁰cells/mL；

所述矿化底物由尿素和甲酸钙组成，尿素和甲酸钙的摩尔比为1:1，其浓度均为1.5mol/L。

(2)将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，称取40g煤粉样品，煤粉样品过300目筛，按照聚山梨酯溶液、尿素和甲酸钙溶液、菌液的顺序依次向煤尘中喷洒，聚山梨酯溶液、尿素和甲酸钙溶液、菌液的体积比为1:1.5:3.5。

(3)将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干，1d后再次喷洒生物抑尘剂，同样将处理的煤粉置于室温下自然风干1d，循环喷洒5次，每次喷洒5-10L/m³。处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，结果如表3所示，结果表明采用生物抑尘剂处理过的煤粉具有很好的耐风蚀性。

实施例7

(1)依次配制表面活性剂、矿化底物和菌液。

所述表面活性剂为烷基糖苷(APG)和聚山梨酯，烷基糖苷(APG)和聚山梨酯的质量比为1:1，混合物溶液的质量浓度为0.15％；

所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、表皮葡萄球菌和曲霉菌，巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、表皮葡萄球菌和曲霉菌的体积比为1:1:1:1，菌液中细菌的浓度为1×10¹⁰cells/mL；

所述矿化底物由尿素和乙酸钙组成，尿素和乙酸钙的摩尔比为1:1，其浓度均为0.8mol/L。

(2)将配制好的三种溶液分别置于喷壶中，称取40g煤粉样品，煤粉样品过250目筛，按照烷基糖苷(APG)和聚山梨酯的混合溶液、尿素和乙酸钙溶液、菌液的顺序依次向煤尘中喷洒，烷基糖苷(APG)和聚山梨酯的混合溶液、尿素和乙酸钙溶液、菌液的体积比为0.8:2:2.5。

(3)将喷洒生物抑尘剂的煤粉置于室温下自然风干，32d后再次喷洒生物抑尘剂，同样将处理的煤粉置于室温下自然风干2d，循环喷洒3次，每次喷洒5-10L/m³。处理完毕后，对处理过的煤粉进行抗风蚀试验，结果如表3所示，结果表明采用生物抑尘剂处理过的煤粉具有很好的耐风蚀性。

表3不同实施例处理的煤粉抗风蚀性结果

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，包括：

表面活性剂，用以向煤尘中喷洒；

矿化底物，用以在所述表面活性剂之后向所述煤尘中喷洒；

菌液，用以在所述矿化底物之后向所述煤尘中喷洒。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，所述表面活性剂、矿化底物和菌液的体积比为0.5～1.0:1.5～3.5:2～3.5。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，所述表面活性剂为烷基糖苷、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯中的一种或多种，质量分数为0.1～5.0％。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，所述菌液中的细菌为从煤样中分离得到的巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、表皮葡萄球菌、曲霉菌中的一种或多种，菌液中细菌的浓度为1×10⁷～1×10¹⁰cells/mL。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，所述矿化底物由尿素和钙源组成，尿素和钙源中钙离子的摩尔比为1:1，其浓度均为0.45～2.0mol/L。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂，其特征在于，所述钙源为氯化钙、乳酸钙、硝酸钙、甲酸钙、乙酸钙中的一种或多种。

7.一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂的使用方法，其特征在于，所述表面活性剂-微生物复合抑尘剂为任一上述权利要求所述的表面活性剂-微生物复合抑尘剂，该抑尘剂的使用方法包括以下步骤：

步骤一、向煤尘中喷洒表面活性剂；

步骤二、喷洒表面活性剂后，向煤尘中喷洒矿化底物；

步骤三、喷洒矿化底物后，向煤尘中喷洒菌液。

8.根据权利要求7所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂的使用方法，其特征在于，重复进行步骤一、二、三，1～5次。

9.根据权利要求8所述的一种煤矿用表面活性剂-微生物复合抑尘剂的使用方法，其特征在于，每次的喷洒量为5～10L/m³。