电化学作用对煤表面特性及吸水性影响的实验研究

发布时间：2020-08-13 18:32

【摘要】：煤层注水在防尘降尘,硬煤软化提高顶煤冒放性和防治冲击地压以及防治煤与瓦斯突出等方面有重要作用,目前煤层注水的研究主要集中在注水参数和方式对煤层注水的影响,而在改变煤岩自身特性方面考虑较少。鉴此,本文对采自内蒙古伊泰集团酸刺沟煤矿的长焰煤,采自山西华晋焦煤有限责任公司沙曲矿的焦煤和采自山西晋城无烟煤矿业有限公司寺河煤矿的无烟煤进行了电化学改性实验,并对电化学改性的效果进行了分析,其主要工作和取得的结论如下:(1)测试了长焰煤、焦煤和无烟煤的水分、灰分、挥发分、固定碳、镜质组最大反射率、煤岩显微组分、矿物质、化学成分、元素组成、孔隙结构和力学特性。测试结果表明变质程度较低的为长烟煤,其内、外生裂隙不发育,硬度低,脆性低,孔隙率较大,大孔结构多,亲水性较强;中等变质程度的为焦煤,其硬度较大,性质较稳定;无烟煤变质程度最高,质地坚硬,脆性大,微孔发育,比表面积大,芳香化程度高。采用电导率法测得25℃时SDS的CMC为0.008 mol·L~(-1)。采用表/界面张力仪测得SDS溶液的表面张力随溶液浓度变化的变化规律。(2)基于电化学的电渗电泳原理以及电化学氧化反应原理,搭建电化学改性装置,选用去离子水、0.05mol·L~(-1)Na_2SO_4和0.05mol·L~(-1)SDS分别作为电解液,设置电位梯度分别为0V·cm~(-1)、0.5V·cm~(-1)、1V·cm~(-1)、2V·cm~(-1)和4V·cm~(-1),对长焰煤、焦煤和无烟煤分别进行电化学改性实验。(3)测试了长焰煤、焦煤和无烟煤改性前后的表面基团、pH值、Zeta电位、煤/水动态接触角等表面特性。结果表明:随着变质程度的增加,自然煤样的含氧官能团减少。随电位梯度增大,改性煤样表面含氧官能团的数量越多。3种煤的Zeta电位均为负电位,且随着变质程度的增加,电负性降低。经电化学改性后,阳极区域的改性煤样/溶液分散系呈酸性,且pH值随电位梯度的增大呈指数规律降低,Zeta电位随电位梯度的增加呈线性规律向正方向移动;阴极区域的改性煤样/溶液分散系呈碱性,且pH值随着电位梯度的增大呈指数规律增加,Zeta电位随电位梯度的增加呈指数规律向负方向移动。阳极区域发生氧化反应生成H~+,阴极区域发生还原反应生成OH~-,阳极区域的酸性离子通过电渗方式对煤体的孔裂隙产生溶蚀疏导作用,碱性离子使黏土矿物脱离煤体,通过电泳方式向阳极移动。基于力学法测试煤/水动态接触角,避免因煤岩类材料的非均质性导致通过光学法测量得出的结果存在较大偏差,不能准确表征煤岩整体润湿性的缺点。随着变质程度的增加,煤样的煤/水动态接触角增加。随着变质程度的增加,煤样的Zeta电位向正电荷方向移动,煤/水动态接触角增加。随着电位梯度的增大,煤/水动态接触角降低。(4)测试了3种不同变质程度的煤样改性前后的吸水率。结果表明,自然煤样的饱和含水率随着煤样变质程度的增加而降低。3种不同变质程度的煤样的吸水性有相似的块度效应,随着煤样的块度降低,煤样的吸水速率越快,饱和吸水率越大。在块度为0.3~0.5mm时,长焰煤自然煤样的饱和吸水率为12.85%,焦煤自然煤样的饱和吸水率为7.48%,无烟煤自然煤样的饱和吸水率为5.99%。在块度为45~50mm时,长焰煤自然煤样的饱和吸水率为11.21%,焦煤自然煤样的饱和吸水率为6.05%,无烟煤自然煤样的饱和吸水率为4.75%。电化学改性作用改变了煤样的饱和吸水率。去离子水作为电解质的电化学改性作用提高了煤样饱和吸水率,但改性提高作用较小。硫酸钠作为电解质的电化学改性作用降低了煤样的饱和吸水率。SDS作为电解质的电化学改性作用提高了煤样的饱和吸水率。在块度为45~50mm时,SDS溶液电化学改性阳极区域的改性长焰煤样的饱和吸水率增加了9.3%,改性焦煤的饱和吸水率增加了6.7%,改性无烟煤的饱和吸水率增加了5.14%;SDS溶液电化学改性阴极区域的改性长焰煤样的饱和吸水率增加了10.51%,改性焦煤的饱和吸水率增加了6.86%,改性无烟煤的饱和吸水率增加了5.67%。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ533
【图文】：

太原理工大学硕士研究生学位论文 Zeta 电位。宋金星[47]通过分析煤储层的改性机理性减小，所以煤表面润湿性减弱；在碱性环境中，的润湿性也增强。润湿性效果的直接因素是煤的润湿性。煤水润湿性对煤层其它深加工都具有重要的意义。煤的水润湿性是指隙裂隙表面附着气体的能力。煤的表面润湿性一出固-液-气三相体系形成的煤/水动态接触角，若煤/水，小于 90°则说明煤润湿性好。煤/水接触角的主要测发展，文献[37]研究了采用力学法测试煤/水动态接随温度的变化规律进行了系统研究。

太原理工大学硕士研究生学位论文和山西晋城无烟煤矿业有限公司寺河煤矿的无烟煤为研究对象，通过电化究分析电化学改性作用不同变质程度煤样的吸水性的强化规律和机理。2) 对长焰煤、焦煤和无烟煤这三种不同变质程度煤样的表面特性进行测试红外光谱法测试煤样改性前后的表面基团，采用电泳仪测试煤样的改性前。采用力学法测试改性前后的煤/水动态接触角。3) 采用电化学改性试验对比研究分析电化学改性作用对不同变质程度煤样度效应影响规律。究的技术路线见图 1-2。

煤样的应力应变曲线

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本文编号：2792365