CN111484830B

CN111484830B - 一种环保型高渗透煤尘抑尘剂及其制备方法

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Publication number: CN111484830B
Application number: CN202010478320.3A
Authority: CN
Inventors: 李红梅; 高明忠; 王英伟; 代志旭; 李露明; 谢晶; 王明耀; 王飞; 刘军军; 兰丽; 陈莉雯; 李强
Original assignee: Sichuan University; Chengdu University
Current assignee: Sichuan University; Chengdu University
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: CN111484830A

Abstract

本发明公开一种环保型高渗透煤尘抑尘剂及其制备方法，抑尘剂包括以下原料：羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂、助剂、分散粒子、基液、水；具体原料重量百分比为：羧甲基纤维素钠0.1%‑5%，表面活性剂0.02%‑6%，渗透剂0.03%‑0.5%，助剂0.01%‑0.1%，分散粒子0.1%‑3%，基液0.5%‑5%，余量为水；所述分散粒子为纳米分散粒子。本发明可以明显提高尘粒及煤层的渗透及润湿效果，可用于喷雾降尘系统，也可用于煤层钻孔注水系统，有效解决了煤尘及其煤层难以被水润湿、渗透的问题，且具有较好的环保性和经济性。

Description

一种环保型高渗透煤尘抑尘剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及煤矿煤尘粒子及其井下煤层润湿抑尘剂领域，尤其涉及对尘粒和煤层渗透润湿效果的环保可降解复合抑尘剂及其制备方法。

背景技术

我国是煤炭大国，更是消耗大国，在煤炭开采、运输、存放过程中，易产生大量煤尘，特别在高产、高效机械化程度的井下作业中，综掘面的粉尘浓度很高，个别瞬时原始总粉尘浓度甚至高达3000mg/m³。高浓度的煤尘导致工作面能见度降低、粉尘爆炸、降低精密设备使用寿命等危害，尤其是矿工长期在生产中吸入大量呼吸性粉尘(颗粒直径小于7微米)会引起的以纤维组织增生为主要特征的尘肺病。

煤矿粉尘防治措施常用的有湿式作业(湿式凿岩和喷雾洒水)、干式捕集除尘、通风除尘、密闭尘源、静电除尘、个体防护等技术，这些技术对煤矿的除尘虽然发挥了一定作用，但仍存在很大的缺陷。如密闭式除尘，安装时间长，占地面积大，检修不方便，机器散热不好，严重损害操作工的身体健康；干式捕尘(袋式除尘)，设备庞大，安装时间长，耗能高；静电除尘技术，投入资金高，对破碎机产生的粉尘没有处理方案，需要整流设备和高皮变电，而且技术水平要求比较高，如果设备出现故障，只有停工检修。为了更有效进行井下煤尘防控采煤工作采用多种防尘技术相结合，如煤层注水、采煤机尘源智能跟踪喷雾降尘、采煤机高压喷雾含尘气流控制、移架及放煤自动高压喷雾降尘等。从现场试验来看，虽然这些技术对煤尘防控有一定效果，但是由于大多数煤尘亲水性能较差，水对煤尘难以润湿，降尘效率并不高，因而采用水中加入化学试剂，提高煤尘亲水性能能有效提高煤矿综合降尘和防尘的效率。

化学抑尘剂开始于上世纪20年代，由于尘粒物成分的复杂性导致抑尘剂系列的多样性，有针对公路的抑尘剂，也有针对铁矿石开采的抑尘剂，当然针对煤矿开采的抑尘剂居多。到60年代国外矿井开始使用化学抑尘剂抑尘，后来该技术在国内也得到了迅速发展。化学抑尘剂的主要组成是表面活性剂，当水中添加某种适合的表面活性剂时，水的强极性现象部分消失，水的表面张力也随着减小另外、疏水性煤表面吸收了表面活性剂，其疏水性转化为亲水性。同时表面活性剂也能提高粉尘颗粒在溶液中的电位，而增加水对粉尘的润湿能力。因此化学抑尘剂中的主要成分就是表面活性剂，相关的研究很多，开发的抑尘剂数量也较多。但也存在以下问题：(1)腐蚀性强，有毒性，有刺激性气味，容易引起二次污染，原料成本高，产品难降解，部分抑尘剂还降低煤的燃烧值；(2)现有的煤炭抑尘剂虽然有些实验效果不错，但是由于煤层及其煤尘微观性质复杂，这种除尘效果还仅限于实验室，因此产品性能也不够稳定，真正在煤矿上的抑尘剂应用还很少。

为了解决以上问题，开发效果更佳、成本更低的抑尘剂逐渐向着复合型和专用型发展。复合型化学抑尘剂是用两种或两种以上的抑尘剂在一定物理和化学条件下复合而成，把润湿性、黏结性、保水性、凝并性等抑尘剂特性进行耦合，从而达到最佳性能的复合，本专利采用新方法进行制备纳米分散型复合抑尘剂。

发明内容

本发明针对目前抑尘剂大多数具有腐蚀性，不易降解，造成二次污染的问题，提供了一种环境友好型煤尘抑尘剂的制备方法，实现利用无毒无害可再生原料，清洁生产，零排放技术，可环境消纳。

一种环保型高渗透煤尘抑尘剂，包括以下原料：羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂、助剂、分散粒子、基液、水；具体原料重量百分比为：羧甲基纤维素钠0.1％-5％，表面活性剂0.02％-6％，渗透剂0.03％-0.5％，助剂0.01％-0.1％，分散粒子0.1％-3％，基液0.5％-5％，余量为水；所述分散粒子为纳米分散粒子。

进一步的，所述纳米分散粒子为纳米Al₂O₃、纳米TiO₂、纳米SiO₂、纳米Fe₃O₄、分子筛或者石墨烯等。

进一步的，所述基液为丙三醇、乙二醇、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种。

进一步的，所述助剂为硫酸钠和氯化钠中的一种。

进一步的，所纳米分散粒子分布在三个区间粒径范围大小，分别为5-20nm，50-100nm，200-500nm，其中5-20nm的质量分数为20wt％，50-100nm的质量分数为30％，200-500nm的质量分数为50％。

进一步的，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂中的一种或两种，其中，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、仲烷基磺酸钠和乙氧基磺酸钠中的一种，非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、葡糖苷、壬基酚聚氧乙烯醚和异构十醇聚氧乙烯醚中的一种，两性表面活性剂为椰油酰氨基丙基甜菜碱或者十二烷基甜菜碱。

进一步的，所述渗透剂为快速渗透剂T。

环保型高渗透煤尘抑尘剂的制备方法：

(1)将羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂和助剂加入水中进行复配，得到溶液A；

(2)将基液和纳米分散粒子加入水中，超声分散，得到溶液B；

(3)将溶液A和溶液B以喷雾的形式高速混合后得到混合液，再用电动搅拌器均匀搅拌，得到高分散性复合抑尘剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的抑尘剂的原料包括羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂、助剂、分散粒子、基液、水，所用原料安全，对环境无污染。在制备抑尘剂时，本发明采用雾化法制备纳米粒子分散的抑尘剂，可以明显提高尘粒及煤层的渗透及润湿效果，可用于喷雾降尘系统，也可用于煤层钻孔注水系统，有效解决了煤尘及其煤层难以被水润湿、渗透的问题，且具有较好的环保性和经济性。本发明的制备方法工艺简单，适用于大量生产。

附图说明

图1为抑尘剂制备设备示意图；

图中，1-雾化混合罐，101-进料口Ⅰ，102-进料口Ⅱ，103-出料口，104-螺旋推进器，2-搅拌混合器，3-电动机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

一种环保型高渗透煤尘抑尘剂，包括以下原料：羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂、助剂、分散粒子、基液、水；具体原料重量百分比为：羧甲基纤维素钠0.1％-5％，表面活性剂0.02％-6％，渗透剂0.03％-0.5％，助剂0.01％-0.1％，分散粒子0.1％-3％，基液0.5％-5％，余量为水；所述分散粒子为纳米分散粒子，所述纳米分散粒子为纳米Al₂O₃、纳米TiO₂、纳米SiO₂、纳米Fe₃O₄分子筛或者石墨烯等。本发明中，可溶性大分子聚合物羧甲基纤维素钠作为抑尘剂的主要成分，可增加抑尘剂的粘结以及保水性能，表面活性剂和助剂提高抑尘剂的润湿能力，渗透剂有很快的表面迁移速度，增强渗透力，将分散粒子与醇、蒸馏水在超声振动下制备达到纳米流体，再与其它表面活性剂等混合液并流滴定搅拌得到高分散性且性能优异的抑尘剂，由于抑尘剂的中的原料高度分散，其各种原料混合更加均匀，显著提高抑尘效果，且由于纳米分散粒子在抑尘剂中，增大了抑尘剂的比表面积，增大了表表活性剂的分散性，减小了表面张力，从而提升抑尘效果，本发明的抑尘剂抑尘，煤矿井下工作面喷雾系统总粉尘平均降尘率90.7％，呼吸性粉尘平均降尘率93.5％。另外，由于纳米分散粒子均匀的分散在抑尘剂体系中，纳米颗粒之间形成颗粒群体，增大了溶液的粘度，阻碍了水分子的蒸发，可推迟二次扬尘出现的时间，不会形成新的污染。

进一步的，所述基液为丙三醇、乙二醇、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种。选择醇作为基液对纳米Al₂O₃进行分散，可优化纳米Al₂O₃的分散效果。

进一步的，所述助剂为硫酸钠和氯化钠中的一种。

进一步的，所述纳米分散粒子分布在三个区间粒径范围大小，分别为5-20nm，50-100nm，200-500nm，其中5-20nm的质量分数为20wt％，50-100nm的质量分数为30％，200-500nm的质量分数为50％。本发明纳米分散粒子分布在三个区间粒径范围大小，在抑尘剂使用过程中，由于纳米分散粒子具有不同粒径，可以有效填充表面活性剂及其基液的缝隙，增大溶液粘度，阻碍水分子的蒸发，提升抑尘剂的抗蒸发性。

进一步的，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂中的一种或两种，其中，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠，非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚，两性表面活性剂为椰油酰氨基丙基甜菜碱。当选择两种表面活性剂进行复配时，降低了表面张力，抑尘剂的润湿性能更优，缩短了沉降时间。

进一步的，所述渗透剂为快速渗透剂T。

上述环保型高渗透煤尘抑尘剂的制备方法：

(2)将基液和纳米分散粒子加入水中，超声分散，得到溶液B；

(3)将溶液A和溶液B以喷雾的形式高速混合后得到混合液，再用电动搅拌器均匀搅拌，得到高分散性复合抑尘剂。在制备抑尘剂时，将溶液A和溶液B以喷雾的形式进入如图1所示的抑尘剂制备设备中，其中溶液A喷雾从进料口Ⅰ101进入，溶液B喷雾从进料口Ⅱ102进入，在抑尘剂制备装置中，溶液A喷雾和溶液B喷雾在螺旋推进器104转速为5000-8000rpm下进行混合，并被螺旋推进器104推出来，混合液从抑尘剂制备设备下端的出料口103流出，流到搅拌混合器3中，再用电动搅拌器均匀搅拌，采用雾化法制备抑尘剂，明显提高了抑尘剂对尘粒及煤层的渗透及润湿效果。

如图1所示，抑尘剂制备设备，包括雾化混合罐1和搅拌混合器2，所述雾化混合罐1上端设有进料口Ⅰ101和进料口Ⅱ102，雾化混合罐下端设有出料口103，所述雾化混合罐1内设有螺旋推进器104，所述螺旋推进器104的旋转轴105穿出雾化混合罐1顶端，并连接电动机3，所述出料口103处设置搅拌混合器2，出料口3处出来的物料直接进入搅拌混合器2中进行搅拌混合。

实施例1

(1)将羧甲基纤维素钠1g、十二烷基硫酸钠0.2g、快速渗透剂T 0.3g和硫酸钠0.1g加入496mL水中，混合搅拌1h后得到溶液A；

(2)将丙三醇5g和纳米Al₂O₃ 1g加入496mL水中，超声分散3h，得到溶液B；其中粒径为5-20nm有0.2g，粒径为50-100nm有0.3g，粒径为200-500nm有0.5g；

(3)将溶液A和溶液B以喷雾的形式进入如图1所示的抑尘剂制备设备中，其中溶液A喷雾从进料口Ⅰ101进入，溶液B喷雾从进料口Ⅱ102进入，在抑尘剂制备装置中，溶液A喷雾和溶液B喷雾在螺旋推进器104转速为5000-8000rpm下进行混合，并被螺旋推进器104推出来，混合液从抑尘剂制备设备下端的出料口103流出，流到搅拌混合器3中，再用电动搅拌器均匀搅拌。

实施例2

(1)将羧甲基纤维素钠50g、脂肪醇聚氧乙烯醚10g、十二烷基硫酸钠20g、快速渗透剂T 2g和氯化钠0.5g加入450mL水中，混合搅拌1h后得到溶液A；

(2)将聚乙二醇20g和纳米Al₂O₃ 10g加入437mL水中，超声分散，得到溶液B；其中粒径为5-20nm有2g，粒径为50-100nm有3g，粒径为200-500nm有5g；

实施例3

(1)将羧甲基纤维素钠90g、十二烷基苯磺酸钠30g、椰油酰氨基丙基甜菜碱30g、快速渗透剂T 5g和硫酸钠1g加入382mL水中，混合搅拌1h后得到溶液A；

(2)将乙二醇50g和纳米Al₂O₃ 30g加入382mL水中，超声分散，得到溶液B；其中粒径为5-20nm有6g，粒径为50-100nm有9g，粒径为200-500nm有15g；

实施例4

(2)将丙三醇5g和纳米Al₂O₃ 1g加入496mL水中，超声分散3h，得到溶液B；纳米Al₂O₃的粒径为200-500nm；

实施例5

(2)将丙三醇5g和纳米Al₂O₃ 1g加入496mL水中，超声分散3h，得到溶液B；纳米Al₂O₃的粒径为5-20nm；

对比例1

将羧甲基纤维素钠1g、十二烷基硫酸钠0.2g、快速渗透剂T 0.3g和硫酸钠0.1g加入496mL水中，混合搅拌1h后得到抑尘剂。

对比例2

(3)再将溶液A和溶液B用常规混合搅拌1h后得到抑尘剂得到复合抑尘剂。

相比于实施例1，对比例1在制备抑尘剂时，未添加基液及纳米分散粒子；对比例2添加了纳米分散粒子，但是在制备时，采用常规的搅拌混合得到抑尘剂；实施例4与实施例1的区别在于，实施例4添加的纳米分散粒子的粒径为200-500nm；实施例5与实施例1的区别在于，实施例5添加的纳米分散粒子的粒径为5-20nm。

性能测试：

1、渗透性能测定

通过测定抑尘剂对煤样的润湿时间来测定抑尘剂的渗透性能。取4份煤样，每份0.5g，取相同体积的实施例1、对比例1和对比例2所得抑尘剂，以及水作为对照例，分别倒入不同试管中，试管液面等高，将煤样倒入各试管中，记录煤样从液面开始沉降到距液面3cm处所用时间，如表1所示。

表1添加纳米Al₂O₃对润湿性的影响

	所用时间/s
		实施例1	2
对比例1	12
		对比例2	8
对照例	20d没有沉降

从表1的数据可知，对比例2和实施例1所用时间均少于对比例1，因此加入溶液B相比于未添加溶液B，抑尘剂的润湿效率明显提高；而对比例2所用时间长于实施例1所用时间，由此可知，本发明在使用雾化法制备抑尘剂，可以明显提高抑尘剂的润湿效率。而对照例所用的纯水，经20天后，煤样并没有沉降。因此，本发明的抑尘剂的渗透性能及润湿效果有显著提高。

2、抑尘效果试验

将实施例1-5以及对比例1所得的抑尘剂进行抑尘效果试验，试验方法，将实施例1-5和对比例1所得抑尘剂采用喷雾的方式检测总粉尘浓度，检测结果如表2所示。

表2试验结果

	总粉尘平均降尘率(％)	呼吸性粉尘平均降尘率(％)
			实施例1	90.7	93.5
实施例2	90.4	92.4
			实施例3	90.7	93.1
实施例4	81.1	83.1
			实施例5	82.2	83.2
对比例1	71.5	69.8
			对比例2	75.5	72.3

Claims

1.一种环保型高渗透煤尘抑尘剂，其特征在于，包括以下原料：羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂、助剂、分散粒子、基液、水；具体原料重量百分比为：羧甲基纤维素钠0.1%-5%，表面活性剂0.02%-6%，渗透剂0.03%-0.5%，助剂0.01%-0.1%，分散粒子0.1%-3%，基液0.5%-5%，余量为水；所述分散粒子为纳米分散粒子；其中，所述纳米分散粒子为Al₂O₃ 、纳米TiO₂ 、纳米SiO₂ 、分子筛或者石墨烯；所述基液为丙三醇、乙二醇、聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种；所述助剂为硫酸钠和氯化钠中的一种；所述纳米分散粒子分布在三个区间粒径范围大小，分别为5-20nm，50-100nm，200-500nm，其中5-20nm的质量分数为20wt%，50-100nm的质量分数为30%，200-500nm的质量分数为50%。

2.根据权利要求1所述的一种环保型高渗透煤尘抑尘剂，其特征在于，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂中的一种或两种，其中，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、仲烷基磺酸钠和乙氧基磺酸钠中的一种，非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、葡糖苷、壬基酚聚氧乙烯醚和异构十醇聚氧乙烯醚中的一种，两性表面活性剂为椰油酰氨基丙基甜菜碱或者十二烷基甜菜碱。

3.根据权利要求1所述的一种环保型高渗透煤尘抑尘剂，其特征在于，所述渗透剂为快速渗透剂T。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的环保型高渗透煤尘抑尘剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将羧甲基纤维素钠、表面活性剂、渗透剂和助剂加入水中进行复配，得到溶液A；

（2）将基液和纳米分散粒子加入水中，超声分散，得到溶液B；

（3）将溶液A和溶液B以喷雾的形式高速混合后得到混合液，再用电动搅拌器均匀搅拌，得到高分散性复合抑尘剂。