CN111394062B - 一种增加水体润湿能力的矿用降尘剂、配制方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于降尘剂技术领域，涉及一种增加水体润湿能力的矿用降尘剂、配制方法及其应用，矿用降尘剂按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.05％～0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.05％～0.3％、十二烷基甜菜碱：0.05％～0.3％、硫酸钠：0.01％～0.10％，余量为水，该矿用降尘剂可明显降低防尘水表面张力，增加水体湿润性能，极大提高粉尘的润湿效能和捕集效率。
Description
技术领域
本发明属于降尘剂技术领域，涉及一种增加水体润湿能力的矿用降尘剂、配制方法及其应用。
背景技术
近年来，煤炭采深不断增加，机械化、自动化程度开采水平逐步提高，随之而来的矿井生产自然灾害问题也愈发突出，尤其是井下作业区粉尘危害严重威胁了矿井的安全生产和矿工身心健康。在不采取任何措施的情况下，综掘工作面的粉尘浓度达到了6000mg/m3，然而采取一般性的防尘措施，粉尘浓度依然高达1200～1300mg/m3，已经远远超出了井下作业粉尘浓度安全要求值。高浓度粉尘的扩散污染不仅会引起严重的粉尘爆炸事故，而且会导致煤矿职工尘肺病患病几率大大增加。粉末状态下的可燃性粉尘总表面积显著增加，一旦遇见火源，将引发高温、高压冲击波，在中国有超过2.65百万的煤矿职工死于煤尘爆炸。
近年来煤矿多采用在防尘用水中添加降尘剂的方法，改善水体与煤尘间的润湿能力，增加煤层注水后煤层的含水率，提高降尘效率。然而随着煤矿开采量的日益加大，尤其是针对“油性”重、疏水性强的粉尘，单一成分的降尘剂很难满足矿井生产防降尘实际需要，因此采用多组分活性剂，并对其进行复配优化，进一步降低水体表面张力，提高水体湿润能力，实现煤矿井下的高效除尘。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决上述现有技术中单一成分降尘剂不能满足矿井生产防降尘需求的问题，提供一种增加水体润湿能力的矿用降尘剂、配制方法及其应用。
为达到上述目的，本发明提供一种增加水体润湿能力的矿用降尘剂，按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.05％～0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.05％～0.3％、十二烷基甜菜碱：0.05％～0.3％、硫酸钠：0.01％～0.10％，余量为水。
进一步，按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.1％～0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.1％～0.3％、十二烷基甜菜碱：0.1％～0.3％、硫酸钠：0.01％～0.05％，余量为水。
进一步，按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.3％、十二烷基甜菜碱：0.2％、硫酸钠：0.02％，余量为水。
该增加水体润湿能力的矿用降尘剂的配制方法，包括以下步骤：
A、通过沉降法考查1g煤尘(粒径约75μm)分别在仲烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基甜菜碱溶液中的完全沉降所需时间，以此为基础，确定出单体降尘剂的重量百分比浓度使用范围为0.05％～0.3％；
B、在单体实验基础上，确定出三因素四水平的正交复配实验方案，三因素分别为：仲烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基甜菜碱；四水平即重量百分比浓度的4个值，分别为：0.05％、0.1％、0.2％、0.3％，共计16套组合方案；
C、分别对16套组合方案进行煤尘沉降实验，考查各组复配后降尘剂溶液的沉降时间、表面张力，确定湿润效果，通过建立的正交实验依次识别出各单体降尘剂在复配后对煤尘润湿效果影响大小的顺序及浓度条件；
D、根据上述条件，确定出仲烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基甜菜碱复配比例；
E、按得到的复配比例进行混合复配后得到的降尘剂溶液，添加重量百分比浓度范围为0.01％～0.10％的无机盐硫酸钠，进行掺杂改性，以煤尘沉降时间、复配剂的表面张力作为复配后该润湿剂性能表征参数，确定出适宜的重量百分比浓度值；
F、根据优选出的各组分重量百分比浓度值，添加硫酸钠、复配活性剂与水混合形成矿用降尘剂。
该增加水体润湿能力的矿用降尘剂的应用，矿用降尘剂由喷雾液压装置加压后，经喷嘴形成喷雾喷洒至工作面产尘点。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的增加水体润湿能力的矿用降尘剂，由于降尘剂中的活性分子具有亲油性和亲水性，进入水体后，亲水活性基团朝向水中，亲油活性基团则朝向空中，形成紧密排布的定向排列层，使水的表面性质得到较大改善，具有较好的湿润性质，但当降尘剂为单一组分时，随着浓度增加，极性相同的基团浓度也相应变大，则朝向空气的亲油基团由于极性相同而相互排斥，致使水面活性分子密集度变差，从而影响降尘剂的湿润能力，如图1所示。
因此当复配体系中加入了不同类的离子活性剂组分后，两者可以产生较好的复合协同效应，仲烷基磺酸钠与脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠中的阴离子基团与十二烷基甜菜碱中的阳离子极性基团产生静电吸引作用，从而使得各单一降尘剂活性分子间极性基团的互斥力得以削弱，气液界面活性剂分子间的排列方式变得更为紧密，极性基团彼此间的空隙更小，既而使得湿润活性进一步得以提升，如图2所示。
2、本发明所公开的增加水体润湿能力的矿用降尘剂，在该矿用降尘剂中引入无机盐硫酸钠后，由硫酸钠电解出的钠离子和硫酸根离子可以填充活性剂分子与煤尘表面的吸附界面，既而产生紧密填充效应，可降低煤尘表面对活性剂分子的静电排斥力，提升复配降尘剂的湿润活性。
3、本发明所公开的增加水体润湿能力的矿用降尘剂中，仲烷基磺酸钠易溶于水，对人体无毒，无腐蚀性，高温不分解、具备优良的润湿特性生物降解性极好，系绿色活性剂，常作为原料用于洗发水、餐洗剂等；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠具有优良的生物降解性和低温性能，不受水硬度的影响，常作为各种洗涤剂、洗衣膏、洗发水的原料；十二烷基甜菜碱兼有阴、阳离子两种活性剂性质，对皮肤刺激性小，有杀菌作用，耐硬水，具有优良的乳化性，对人体无毒，多用于洗涤剂配置原料；硫酸钠为白色、无臭的结晶或粉末，有吸湿性，常作为添加剂用于洗涤剂、干燥剂、医药品等；以上各组分均无毒、无污染，主要原料具备良好的生物自然降解性，故本发明是一种环保、高效、安全的矿用降尘剂。
4、本发明所公开的增加水体润湿能力的矿用降尘剂，主要用于煤矿井下喷雾降尘、煤层注水及非煤矿山的喷雾降尘，与防尘用水按比例混合后，可明显降低防尘水表面张力，增加水体湿润性能，极大提高粉尘的润湿效能和捕集效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明中单一组分降尘剂活性分子在水体中的定性排列示意图；
图2为本发明中多组分降尘剂活性分子在水体中的定性排列复配机理示意图；
图3为本发明矿用降尘剂中表面活性剂筛选流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
为克服单一成分降尘剂湿润活性不足、难于有效润湿强疏水性粉尘的缺点，通过采用仲烷基磺酸钠(SAS)、十二烷基甜菜碱(BS-12)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、硫酸钠等多种活性剂进行复配优化后得到高效复合降尘剂，以进一步降低水体的表面张力，提升其湿润性能。其中降尘剂中各个活性剂的筛选流程图如图3所示。
首先采用沉降法和表面张力测定方法考查单一活性剂基本湿润性能，在此基础上筛选湿润性能优良的活性剂，并确定出适宜的重量百分比浓度，建立因素水平表，既而开展正交实验，确定出最佳复配比例。在复配降尘剂基础上，通过添加无机盐硫酸钠进行掺杂改性，以进一步提高复配剂湿润活性。以沉降时间、表面张力等性能指标作为掺杂后降尘剂性能改变的表征指标，对比掺杂前后降尘剂性能的变化。
实施例1
按照重量百分比称取下述原料组分：仲烷基磺酸钠：3kg(占比0.3％)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：3kg(占比0.3％)、十二烷基甜菜碱：2kg(占比0.2％)、硫酸钠：0.2kg(占比0.02％)，将上述配方原料中加入991.8kg水。充分混合后制备形成1000kg的矿用降尘剂。
此比例组合效果最佳，其表面张力可降至35.0mN/m以下。
实施例2
按照重量百分比称取下述原料组分：仲烷基磺酸钠：2kg(占比0.2％)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：3kg(占比0.3％)、十二烷基甜菜碱：2kg(占比0.2％)、硫酸钠：0.2kg(占比0.02％)，将上述配方原料中加入992.8kg水。充分混合后制备形成1000kg的矿用降尘剂。
此比例组合效果最佳，其表面张力可降至35.0mN/m以下。
实施例3
按照重量百分比称取下述原料组分：仲烷基磺酸钠：2kg(占比0.2％)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：2kg(占比0.2％)、十二烷基甜菜碱：2kg(占比0.2％)、硫酸钠：0.2kg(占比0.02％)，将上述配方原料中加入993.8kg水。充分混合后制备形成1000kg的矿用降尘剂。
此比例组合效果最佳，其表面张力可降至35.0mN/m以下。
将实施例1-3所示的降尘剂在山西阳泉煤业(集团)有限责任公司新景矿综采工作面进行了现场试验，并分别测定了工作面未采用任何防尘措施、仅采用清水喷雾以及在清水中添加本发明3个实施例后进行喷雾情况下的粉尘浓度，测量结果下表1所示。
表1
从表1可以看出，应用实施例1、实施例2、实施例3的矿用降尘剂后，采煤机司机处总尘和呼尘降尘效率分别为75.6％和87.3％、75.3％和85.1％、74.2％和85.7％，采煤机下风侧15m处总尘和呼尘的降尘效率分别为76.4％和87.1％、75.9％和85.3％、75.5％和85.8％。与清水喷雾相比，实施例1、实施例2、实施例3总尘和呼尘降尘效率在采煤机司机处分别提高的百分点为：34.2和45.2、33.9和43.0、32.8和43.6，在采煤机下风侧15m处总尘和呼尘降尘效率分别提高的百分点为：27.1和37.3、26.6和35.5、26.2和36.0，显然，矿用降尘剂的使用极大地提高了工作面的降尘效果。
该增加水体润湿能力的矿用降尘剂可明显降低水体的表面张力，提升水体对煤尘的润湿能力、增加水体在煤层中的渗透扩张效能，解决了煤矿现场粉尘，尤其是疏水性强的粉尘，难以润湿的技术难题，可极大提高粉尘捕集效能，对喷雾降尘，煤层注水等粉尘治理手段的降尘效率均有积极的促进作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种增加水体润湿能力的矿用降尘剂，其特征在于，按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.05％～0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.05％～0.3％、十二烷基甜菜碱：0.05％～0.3％、硫酸钠：0.01％～0.10％，余量为水。
2.如权利要求1所述的增加水体润湿能力的矿用降尘剂，其特征在于，按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.1％～0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.1％～0.3％、十二烷基甜菜碱：0.1％～0.3％、硫酸钠：0.01％～0.05％，余量为水。
3.如权利要求2所述的增加水体润湿能力的矿用降尘剂，其特征在于，按照重量百分比包括下述原料组分：仲烷基磺酸钠：0.3％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠：0.3％、十二烷基甜菜碱：0.2％、硫酸钠：0.02％，余量为水。
4.如权利要求1～3任一项所述的增加水体润湿能力的矿用降尘剂的配制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、通过沉降法考查1g煤尘分别在仲烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基甜菜碱溶液中的完全沉降所需时间，以此为基础，确定出单体降尘剂的重量百分比浓度使用范围为0.05％～0.3％；
B、在单体实验基础上，确定出三因素四水平的正交复配实验方案，三因素分别为：仲烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基甜菜碱；四水平即重量百分比浓度的4个值，分别为：0.05％、0.1％、0.2％、0.3％，共计16套组合方案；
C、分别对16套组合方案进行煤尘沉降实验，考查各组复配后降尘剂溶液的沉降时间、表面张力，确定湿润效果，通过建立的正交实验依次识别出各单体降尘剂在复配后对煤尘润湿效果影响大小的顺序及浓度条件；
D、根据上述条件，确定出仲烷基磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基甜菜碱复配比例；
E、按得到的复配比例进行混合复配后得到的降尘剂溶液，添加重量百分比浓度范围为0.01％～0.10％的无机盐硫酸钠，进行掺杂改性，以煤尘沉降时间、复配剂的表面张力作为复配后该润湿剂性能表征参数，确定出适宜的重量百分比浓度值；
F、根据优选出的各组分重量百分比浓度值，添加硫酸钠、复配活性剂与水混合形成矿用降尘剂。
5.如权利要求1～3任一项所述的增加水体润湿能力的矿用降尘剂的应用，其特征在于，所述矿用降尘剂由喷雾液压装置加压后，经喷嘴形成喷雾喷洒至工作面产尘点。
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