摘要
在实际生产中，由于机械化采煤技术的广泛应用，导致煤尘产生量大，易造成尘肺疾病和环境污染、煤尘爆炸等风险。现多数煤尘抑制剂存在难以润湿煤尘、粘合作用时间短、机械性能弱、雾化效果差等不足之处。因此，本文利用化学改性手段研制了一种复合水凝胶抑尘剂，运用实验和理论模拟手段深入探究了抑尘剂的润湿-粘结-固结机理并设计了一种风压装置测试了其抑尘性能。 本文主要研究内容及结果如下： （1）通过接枝共聚、磺化和碱化反应合成了一种腰果酚聚氧乙烯醚硫酸钠(SCPES)润湿剂，运用芘荧光光谱、傅里叶红外光谱、量子化学和分子动力学软件对SCPES 的合成及润湿煤尘的机理进行了研究。结果表明，0.10 g/L 和 0.25 g/L 分别为 SCPES 的临界缔合浓度和临界胶束浓度，临界胶束浓度下的表面张力和接触角分别为32.18 mN/m和39.5°。模拟结果表明，与水-煤体系相比，水-SCPES-煤体系表现为氢键总数从2082增至2136，相互作用能从?13863.35降至?17817.77 kcal/mol，水分子的扩散系数从0.12增至0.73。SCPES分子结构中较长的疏水尾链缠结在煤表面疏水位点上，充当水与煤的中间载体来提高煤尘的润湿性。 （2）以丙烯酸和过硫酸铵为单体、左旋多巴和谷胱甘肽为双重交联剂，通过自由基共聚反应合成了具有典型三维网络结构的水凝胶粘结剂DG-PAA。运用紫外光谱、液相色谱、傅里叶红外光谱和核磁共振氢谱实验结合密度泛函(DFT)理论计算研究了DG-PAA的粘附机理。结果表明，DG-PAA的强粘附性归因于左旋多巴的儿茶酚和醌基团、谷胱甘肽的?NH2、?COOH等基团可通过分子间氢键作用接枝在聚丙烯酸骨架上形成三维氢键交联网络。DG-PAA 中含有的?OH、?NH2和?COOH 基团可充当氢键或离子键的活性位点与粉尘表面牢固地结合，从而形成一层硬度为32.5 HD的粘结膜，具有较高的结壳强度。 （3）添加0.25 g/L的SCPES后DG-PAA在煤表面的接触角由76.9°降低至50.8°；SCPES的头部基团SO3?可与DG-PAA水凝胶网络通过氢键作用形成动态共价交联，其长疏水链可通过范德华作用和疏水作用吸附在煤表面，从而增加了DG-PAA 对煤表面孔隙的渗透，更好地固结了煤尘。风压试验结果表明， SCPES/DG-PAA复合抑尘剂固化煤尘后形成的结壳膜在20 m/s的风速下不扬尘，具有长效粘合煤尘的作用。
NETL