遼寧工程技術大學:安文博——表面活性劑作用下煤體力學特性及改性...

2021-01-21 全國能源信息平臺

【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】

創新點

（1）將表面活性劑溶液直接應用於低滲透煤體結構損傷的研究中，探索了表面活性劑溶液對低滲透煤體孔隙結構、滲透性能、力學強度等宏觀物理力學特性的改性規律。

（2）從分子動力學角度，探究表面活性劑對煤體結構損傷改性機理。

進入點擊PDF可下載全文

01

作 者

安文博1,王來貴2

02

單 位

1. 遼寧工程技術大學 土木工程學院；2. 遼寧工程技術大學 力學與工程學院

03

研究背景

煤體具有結構緻密、孔隙結構複雜、潤溼性差的結構特徵,在煤炭開採過程中,隨著煤礦開採深度的增加,地應力、瓦斯壓力和瓦斯含量不斷增高,常常面臨著瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、瓦斯中毒、衝擊地壓等礦井災害事故。表面活性劑作為一種親油親水物質,由於其獨特的兩親特性及其在溶液中的特殊存在方式,能夠在煤體上形成定向的緊密吸附層,改變煤體物理力學性質。

已有研究發現,煤體自身帶負電性,陰離子表面活性劑對其改性效果最佳。因此,為了減少或避免礦井災害事故的發生,並且能夠從緻密的煤層中抽採瓦斯,筆者採用陰離子表面活性劑對煤體進行改性,研究表面活性劑對煤體的改性規律。

前人關於表面活性劑對煤體的改性研究主要集中在利用表面活性劑來改變煤體潤溼性,應用於煤的浮選、降塵等工作中,但關於表面活性劑改性煤體的物理力學特性,應用於煤礦開採工作中的研究較少。

04

摘 要

為了提高煤層潤溼性,降低煤體結構緻密性,減少或避免瓦斯事故發生,採用陰離子表面活性劑(SDS)改性煤體。以阜新長焰煤為研究對象,採用接觸角實驗和單軸壓縮實驗測定表面活性劑改性後煤樣接觸角、峰值強度、峰值應變和彈性模量等宏觀物理力學特性隨改性條件變化規律,採用X射線衍射(XRD)和傅立葉紅外光譜(FTIR)實驗測定表面活性劑改性後煤樣礦物質組成和表面官能團等微觀結構隨改性條件變化規律,利用量子化學密度泛函理論探討表面活性劑對煤體的改性規律,分析表面活性劑改性後煤體結構損傷過程。

結果表明, 當SDS溶液質量分數為0.5%、改性時間為48h,改性溫度為40℃時,煤體接觸角達到最小,峰值強度和彈性模量降幅最大,峰值應變增幅最大。SDS溶液改性後,煤樣中碳酸鹽礦物含量減少,矽酸鹽礦物含量增加,煤體的微晶結構完整性較差,煤分子內的官能團和各種橋鍵較為豐富,特別是脂肪類官能團較多,並且定向排列的有序性較低。

基於量子化學密度泛函理論探討了表面活性劑對煤體的改性規律,即表面活性劑通過靜電作用力吸附在煤體上,在煤體表面發生化學反應,使煤體中有機礦物的官能團和化學鍵發生斷裂,部分無機礦物發生溶解並分散,這也是煤體結構產生損傷的主要原因。

煤表面的化學反應使煤體表面產生次生孔隙和裂隙,次生孔隙和裂隙相互連接形成裂紋,隨著改性條件的變化,裂紋不斷擴展延伸,直到裂紋貫穿整個煤體,導致煤體整體結構產生損傷,力學強度不斷降低。

05

部分圖片

實驗用標準煤樣

表面活性劑改性條件對煤接觸角的影響

煤樣單軸壓縮實驗結果

煤樣的X射線衍射結果

煤樣的FTIR衍射結果

優化後的煤大分子結構和SDS分子結構

SDS分子在煤表面含氧官能團上吸附的平衡構型

SDS表面活性劑與煤體之間的化學反應

表面活性劑改性前後煤樣的微觀結構損傷示意

表面活性劑在有機礦物表面的吸附狀態

表面活性劑作用下煤體微觀結構損傷過程

06

作者簡介

安文博，女，1992年09月27日生，遼寧大連人，2020年6月畢業於遼寧工程技術大學，工程力學專業，獲博士學位。現任遼寧工程技術大學，土木工程學院，給排水科學與工程專業，講師。參與國家重點專項項目、國家自然科學基金項目等國家級項目4項；在國際及國內核心期刊上發表學術論文18篇，其中SCI、EI收錄2篇；申請授權國家發明專利2項。

研究方向

礦山災害力學水汙染控制理論與技術

主要成果

致力於煤礦安全開採—表面活性劑改性煤體結構的研究，取得創新性成果，獲兩項發明專利，為預防、治理衝擊地壓和瓦斯突出等災害事故理論基礎和新思路。

來源：

安文博,王來貴.表面活性劑作用下煤體力學特性及改性規律[J]. 煤炭學報,2020,45(12):4074-4086.

AN Wenbo,WANG Laigui. Mechanical properties and modification of coal under the ac-tion of surfactant[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(12):4074-4086.

責任編輯：黃小雨

編輯整理：郭曉煒

審核：常 琛

End

往期精彩

謝和平，吳立新，鄭德志：2025年中國能源消費及煤炭需求預測

錢鳴高，許家林：煤炭開採與巖層運動

袁亮：煤及共伴生資源精準開採科學問題與對策

康紅普，王國法，姜鵬飛，等：煤礦千米深井圍巖控制及智能開採技術構想

謝和平：深部巖體力學與開採理論研究進展

康紅普，尹丙鼎，高富強，等：中國煤礦井下地應力資料庫及地應力分布規律

聯繫我們

聯繫人：郭曉煒

電話：010-87986411-811

郵箱：guoxiaowei@chinacs.org.cn

網址：www.mtxb.com.cn

版權聲明：

本平臺刊登的《煤炭學報》所有稿件均按照國家版權局有關規定支付了相應稿酬，《煤炭學報》享有稿件的信息網絡傳播權。未經授權，不得匿名轉載。本平臺所使用的圖片屬於相關權利人所有，因客觀原因，部分作品如存在不當使用的情況，請相關權利人隨時與我們聯繫。

免責聲明：以上內容轉載自煤炭學報，所發內容不代表本平臺立場。全國能源信息平臺聯繫電話：010-65367702，郵箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社

相關焦點

  • 全能型表面活性劑「聚醚改性聚矽氧烷」
    聚醚改性聚矽氧烷一般由聚醚和聚二甲基矽氧烷接枝共聚而成，分子結構中同時含有親水性的聚醚鏈段和疏水性的聚矽氧烷鏈段，是一種性能獨特的有機矽表面活性劑，其結構通式如下圖所示。分子中聚矽氧烷鏈段與聚醚鏈段的比例和連接方式等是決定產品性能和用途的關鍵，通過改變分子式中的x、y、a、b和R基，可以有效的調控產品的親水親油平衡值（HLB值），從而獲得乳化、勻泡、消泡等各種不同性能的表面活性劑。
  • 雷射表面改性技術發展研究
    針對鋼軌在與高速運行輪對的摩擦配副過程中的損傷問題，華中科技大學、武漢新瑞達雷射工程有限責任公司等單位開展了鋼軌雷射淬火強化技術研究，研製了國際上首臺鋼軌雷射淬火強化工程車，獲得正式定型並通過性能考核 [16]。
  • 淺談:表面活性劑環境工程中使用
    儘管現階段酶製劑成本較高,但通過基因工程技術增強酶的穩定性與活性,有望降低其生產成本。4生物表面活性劑在環境工程中的應用 許多化學合成表面活性劑由於難降解、有毒及在生態系統中的積累等性質而破壞生態環境,相比之下,生物表面活性劑則由於易生物降解、對生態環境無毒等特性而更適合於環境工程中汙染治理。如:在廢水處理工藝中可作為浮選捕收劑與帶電膠粒相吸以除去有毒金屬離子,修復受有機物和重金屬汙染的場地等。
  • 消費百科 | 陰離子表面活性劑羧酸鹽在洗滌劑中的作用
    本次講座介紹陰離子表面活性劑的主要類型以及在洗滌劑中的作用。陰離子表面活性劑是指在水中電離後表面活性成分帶負電的品種，因此其親水基只能由酸性基團構成，常見的有羧酸鹽，磺酸鹽，硫酸酯鹽和磷酸酯鹽。陰離子表面活性劑最重要的普遍特性是泡沫性和淨洗力，因此是清洗類產品中的主要成分。      首先介紹羧酸鹽。
  • 表面活性劑與皮膚的作用
    這些都催生出了溫和清潔的剛性需求，而這個需求肯定是建立在研究清潔產品中的最主要的成分—表面活性劑與皮膚作用的機理上，所以這個綜述文獻主要總結了：1.  表面活性劑與蛋白質、皮膚脂質包括皮膚表面脂質和角質層細胞間脂質的相互作用2.  表面活性劑滲透進入皮膚的機理3.
  • 【百科】陰離子表面活性劑羧酸鹽在洗滌劑中的作用
    陰離子表面活性劑是指在水中電離後表面活性成分帶負電的品種，因此其親水基只能由酸性基團構成，常見的有羧酸鹽，磺酸鹽，硫酸酯鹽和磷酸酯鹽
  • 論文推薦|孫可明等:超臨界CO2 作用下煤體膨脹變形理論模型
    ，根據ESD狀態方程及簡化局部密度模型確定超臨界二氧化碳作用下煤體的過剩吸附量，得出煤體吸附超臨界二氧化碳產生的膨脹應變，建立了包括吸附和孔隙壓力及溫度效應的煤體變形膨脹模型。遼寧工程技術大學力學與工程學院研究背景超臨界CO2 的應用作為新興綠色技術,在地下封存、混相驅油、鑽井開採等方面受到廣泛關注。近年來,利用超臨界CO2 改善低滲透煤層滲透性從而提高煤層氣採收率的方法已通過實驗驗證具有良好效果,但超臨界CO2 的注入將引起煤體膨脹變形,對儲層滲透性的提高存在不利的影響。
  • 洗滌用品知識專家大講堂:陰離子表面活性劑羧酸鹽在洗滌劑中的作用
    本次講座介紹陰離子表面活性劑的主要類型以及在洗滌劑中的作用。陰離子表面活性劑是指在水中電離後表面活性成分帶負電的品種，因此其親水基只能由酸性基團構成，常見的有羧酸鹽，磺酸鹽，硫酸酯鹽和磷酸酯鹽。陰離子表面活性劑最重要的普遍特性是泡沫性和淨洗力，因此是清洗類產品中的主要成分。首先介紹羧酸鹽。
  • 粉體表面改性方法
    粉體材料表面改性技術是伴隨現代新型複合材料的興起而發展起來的，對於現代有機（無機）複合材料、無機（無機）複合材料、塗料或塗層材料、吸附與催化材料、環境材料以及超細粉體和納米粉體的製備和應用具有重要意義。
  • 表面活性劑-兩性離子表面活性劑
    兩性離子表面活性劑，是指分子結構中既有陽離子親水基團，又有陰離子親水基團的一類表面活性劑。
  • 河南大學：表面改性-化學破碎製備Janus-SiO2納米顆粒
    河南大學張治軍教授、李小紅教授團隊創新性地將「原位表面改性技術」與「化學破碎方法」相結合，發明了一種「快刀斬亂麻」製備Janus-SiO2的方法。它可以將改性後具有三維網絡結構的納米顆粒破碎為單個顆粒，粒徑為4-9 nm，比表面積高達619 m2/g，且顆粒呈現為一側為親水性、一側為疏水性的Janus結構。
  • 白雲區表面活性劑廢水處理_廣州科理環保客戶至上
    白雲區表面活性劑廢水處理， 免費取樣：分散劑、水性助劑等系列化學品助劑！洗滌、化工、紡織等廢水來源。那麼廢水處理常用的表面活性劑具有良好的洗滌、潤溼、乳化及增溶等特性。洗滌、化工、紡織等行業也產生大量含表面活性劑的廢水。那麼廢水處理常用到的表面活性劑具有良好的洗滌、潤溼、乳化及增溶等特性。反應渠的截面積逐漸增大以實現漸減混凝。經過水解酸化、接觸氧化、砂濾後出水。
  • 碳酸鈣的特性和改性作用
    碳酸鈣特性碳酸鈣為白色固體狀，無味、無臭。有無定型和結晶型兩種形態。結晶型中又可分為斜方晶系和六方晶系，呈柱狀或菱形。相對密度2.71。825～896.6℃分解，在約825℃時分解為氧化鈣和二氧化碳。熔點1339℃，10.7MPa下熔點為1289℃。難溶於水和醇。與稀酸反應，同時放出二氧化碳，呈放熱反應。也溶於氯化銨溶液。幾乎不溶於水。
  • 2019年粉體表面改性技術高級研修班在江蘇張家港成功舉辦!
    2019年粉體表面改性技術高級研修班現場主辦方特邀中國礦業大學（北京）鄭水林教授、上海金髮科技股份有限公司技術總監祝潤生、中國地質大學（北京）杜高翔副教授、張家港市通沙塑料機械有限公司總經理張劍等專家分別從有機粉體表面改性技術與裝備、粉體改性在塑膠材料中的應用、無機包覆改性及機械力化學改性、表面改性設備等方面與學員進行了分享和交流
  • 表面改性究竟能給阻燃劑氫氧化鋁帶來什麼?
    但同時它又是一種極性無機材料，具有疏水親油的特性，與有機高聚物的相容性較差，超細化後其粒度較小，表面能較高，容易產生粒子團聚的現象，影響其在複合材料中的分散性。為此，可採用表面活性劑處理或偶聯劑改性等方式對其進行表面改性處理，以獲得的有機高聚物複合材料兼具阻燃性能好和力學性能優的特點。
  • 輕質碳酸鈣表面改性常用藥劑、工藝及效果評價指標
    輕質碳酸鈣由於粒徑小，表面能高，分子間力、靜電作用、氫鍵、氧橋等引起碳酸鈣粒子極易團聚，作為填料，會影響實際使用效果；另外碳酸鈣表面有親水性較強的-OH，呈鹼性，是一種親水性粉體，在高聚物中分散不均勻，因此應用中必須對其表面改性，降低表面能，增加表面活性基團，提高與聚合物界面的溼潤性及與聚合物的相互作用性。
  • 體外診斷試劑中表面活性劑作用原理詳細介紹
    隨著對表面活性劑研究的深入，一般認為只要在較低濃度下能顯著改變表（界）面性質或與此相關、由此派生的性質的物質，都可以劃歸表面活性劑範疇。凡是溶於水能夠顯著降低水的表面能的物質稱為表面活性劑(surface active agent，SAA)或表面活性物質。
  • 一文了解氫氧化鎂阻燃材料表面改性技術
    通過使用特定化合物對氫氧化鎂進行表面改性，可解決其表面自由能高、極性強、易於團聚的缺點，使其表面具有疏水性，改善氫氧化鎂與聚合物的相容性。氧化鎂目前，氫氧化鎂常用的表面改性方法有超細化法、表面化學包覆和微膠囊化。
  • 工程院 功能性表面活性劑及其應用研討會通知
    中國·上海汾河大酒店 2007年 10月22日~23日 主辦單位：中國工程院產業工程科技委員會表面活性劑研究開發促進會 中國輕工業聯合會輕工表面活性劑應用研究分會 承辦單位：上海合麗亞日化技術有限公司 會議日程安排：
  • 表面活性劑的作用要知悉
    洗滌去汙作用 由於表面活性劑的乳化作用，使得從固體表面脫離下來的油脂汙垢顆粒能被穩定地乳化分散在水溶液中，並且不再沉積到被洗淨的表面形成再汙染。