糖脂活性剂对煤体润湿及微观结构特性影响试验

为探究糖脂生物活性剂对煤体润湿及微观结构的影响,选定鼠李糖脂、槐糖脂2种生物活性剂为研究对象,测定不同体积分数下2种活性剂表面张力、接触角和煤体官能团参数,分析活性剂表面活性及其对煤体润湿性的影响,研究活性剂改性后煤样微观结构变化特性。结果表明:鼠李糖脂活性剂表面活性较好,槐糖脂活性剂起到润湿作用所需的体积分数较低;2种糖脂活性剂均降低了表面张力及煤体接触角,其中鼠李糖脂表面张力、接触角的降幅分别为49.96%、63.23%,降幅大于槐糖脂活性剂;煤体润湿过程中鼠李糖脂活性剂在煤表面润湿吸附性大于槐糖脂;随活性剂体积分数增加,煤体红外光谱羟基(—OH)吸收峰向低波数位置移动,吸收峰强度随体积分数增大而增大,接触角随吸收峰强度增大而减小,极性含氧官能团与活性分子发生偶极作用,以氢键方式缔合,增强了煤与水间相互作用,使溶液与煤体接触角减小,从而提高了煤体润湿性,改善了煤体的化学微观结构。

鼠李糖脂润湿煤尘表面特性研究

本文以鼠李糖脂为例,测试生物表面活性剂在煤尘治理方面的应用。从表面张力、接触角、沉降时间试验着手,分析不同质量浓度下鼠李糖脂溶液的表面性能与润湿性能,确定鼠李糖脂溶液的最佳润湿浓度,并结合傅里叶红外光谱试验分析鼠李糖脂对煤体微观结构特性的影响,最终借助自行搭建的模拟巷道平台测定鼠李糖脂的降尘效率。试验结果表明:生物表面活性剂——鼠李糖脂具备用作煤尘抑尘剂的基本性能。鼠李糖脂的加入不仅降低了清水的表面张力、接触角及沉降时间,且全尘、呼尘降尘效率分别达到了79.11%,74.93%,同比清水提升了41.5%、42.48%,抑尘效果显著。综合成本因素,确定鼠李糖脂溶液的最佳润湿浓度为0.04%,红外光谱分析表明,羟基及含氧官能团含量变化是影响煤体润湿的关键因素。

基于粗糙度的煤体表面接触角数值模拟研究

煤尘是煤矿的七大灾害之一,它不仅影响作业人员的身心健康,还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响,已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决井下煤尘问题,选取了亲水性的哈密褐煤、疏水性的安阳焦煤和弱亲水性的赵固二矿无烟煤作为研究对象,使用光学接触角形貌联用仪测量3种煤样的均方粗糙度,测定3种煤样的本征接触角,利用COMSOL数值软件构建二维物理模型,设置模拟条件,调整模拟参数,分析对比试验值和模拟值,验证COMSOL数值模拟的可行性,研究了煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响。结果表明:数值模拟的液滴铺展过程、液滴铺展速度及液滴铺展形态和试验情况类似,但模拟接触角值比试验接触角值大;随着煤体表面粗糙度的增加,褐煤接触角从60.7°降低到50.9°,变化范围在10°左右,焦煤接触角从96.5°增加到112.7°,变化范围在16°左右,无烟煤接触角从89.7°降低到78.3°,变化范围在11°左右;同种表面活性剂对3种煤样接触角的模拟值和试验值具有相同的变化趋势,但模拟值比试验值大。采用数值模拟的方法,研究煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响具有一定的可行性。煤体表面受粗糙度影响的润湿情况符合Wenzel模型。表面活性剂的存在不改变3种煤样的接触角随表面粗糙度变化的规律。

表面活性剂-纳米颗粒复合体系对煤体润湿性影响研究

为了明晰阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵,CTAB)中添加二氧化硅(SiO)纳米颗粒对煤体润湿性的影响,分别构建了水-表面活性剂-煤、水-纳米颗粒改性表面活性剂-煤以及纳米颗粒-表面活性剂在水中运移的分子动力学模型,详细探究了纳米颗粒改性表面活性剂前后,复合体系吸附构型、界面相互作用能、物质相对浓度分布和水分子均方位移等的变化规律。结果表明:在静电作用下,阳离子表面活性剂与煤表面发生吸附,表面活性剂与煤的吸附稳定性高于水与煤的吸附稳定性。阳离子表面活性剂通过削弱水与煤的相互作用使煤表面润湿性发生反转,导致煤表面由亲水向疏水转变。增加表面活性剂浓度可提高煤体疏水性。纳米颗粒枝接表面活性剂后,随着表面活性剂浓度增大,纳米颗粒表面由强亲水性向疏水性再向亲水性转变,强烈的分子间作用力导致水分子被束缚而无法向煤表面运移,水分子的扩散系数由6.357×10^(-9)m^(2)/s下降至4.648×10^(-9)m^(2)/s。相同表面活性剂浓度条件下,经纳米颗粒改性后的表面活性剂更为显著地增强了煤体疏水性。

纳米颗粒复合表面活性剂对煤中CH_(4)吸附/解吸和扩散的影响

基于巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)和分子动力学(MD)方法,构建了固(煤)−气(CH_(4))−液(表面活性剂)三相作用的体系模型,从吸附构型、吸附量、相互作用能、相对浓度分布和扩散系数等方面,探讨了纳米颗粒分别复合阳离子表面活性剂CTAB、阴离子表面活性剂SDBS和非离子表面活性剂VAEO8对CH_(4)吸附/解吸及扩散的影响规律。结果表明:表面活性剂和纳米颗粒在润湿效应及静电力作用下渗吸进入孔隙中占据煤表面CH_(4)的吸附位点,造成煤基质处CH_(4)相对浓度降低,而孔隙中游离态CH_(4)增多。无纳米颗粒时,阴离子表面活性剂SDBS增强煤体亲水性,促进CH_(4)解吸效果最好;而阳离子表面活性剂CTAB和非离子表面活性剂VAEO8增强煤体疏水性,导致CH_(4)解吸能力变弱。纳米颗粒和表面活性剂具有协同降低固−液界面张力的作用,纳米颗粒复合表面活性剂促进CH_(4)的解吸效果优于无纳米颗粒时相应的表面活性剂促进CH_(4)的解吸效果。加入纳米颗粒后,煤体系中静电力及相互作用能均升高。原煤体系中CH_(4)扩散系数>表面活性剂煤体系中CH_(4)扩散系数>纳米颗粒复合表面活性剂煤体系中CH_(4)扩散系数。从微观角度阐明了纳米颗粒复合不同类型表面活性剂对煤中CH_(4)吸附和扩散的影响机制,研究为优化压裂液体系提高煤层气采收率提供了一定的理论依据。

真三轴下注水条件对煤体超声波传播特性影响规律的研究

煤层注水对预防煤与瓦斯突出、减尘降温和软化煤层卸压防冲均有显著作用。监测水体在煤层中的运移规律,获得有效的水力润湿范围对于评估煤体注水润湿效果十分必要,因此在真三轴状态下对煤体进行注水实验的同时,辅以超声波自激发技术监测记录不同注水条件下煤体透射超声波的特征参数,并对注水条件与纵波波速、幅度和衰减系数等特征参数的关系进行重点分析。结果表明:(1)注水量随注水压力增大不断增加并呈现线性稳定状态;但随着注水时间增加,注水量增速逐渐降低并趋于0。(2)超声波波速与注水压力呈线性正相关,且随注水压力增加波速增量基本稳定;波速与注水时间呈指数正相关,但对注水时间的敏感度逐渐减弱;探究并实现了注水煤体体积模量的波速表征。(3)随着注水压力增大,超声波幅值整体增大,衰减系数整体减小;超声波幅值和衰减系数对注水时间的敏感性均呈现低–高–低态势。(4)振铃计数等与注水压力均呈线性正相关,与注水时间均呈指数正相关,且与注水量的变化趋势具有较好的一致性。