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第44卷第1期 2022年2月工程抗震与加固改造
Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol. 44,No. 1
Feb. 2022
[文章编号]1002-8412 (2022) 01-0080-08DOI： 10. 16226/j.issn.1002-8412. 2022. 01.010
纵飘斜拉桥基于响应面法的粘滞阻尼器参数优化分析史俊、徐略勤周建庭U2,李修君1(1.重庆交通大学，土木工程学院，重庆400074; 2.重庆交通大学，山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆400074)
[提要]针对现有粘滞阻尼器参数优化方法无法考虑地震动特性等多因素影响的不足，基于响应面原理提出了一种粘滞 阻尼器参数优化分析方法。针对某纵飘体系斜拉桥，利用多项式响应面模型拟合桥梁地震响应关于阻尼器参数的函数表达 式，通过方差分析法和^检验法对响应面模型进行精度检验和显著性分析，然后根据桥梁不同减震需求，构建了三种控制效 果的目标函数，运用非线性规划法计算阻尼器参数优化值，并通过时程分析研究了不同地震动特性对阻尼器优化参数的影 响。结果表明：四阶多项式响应面模型可预测性好，拟合精度高，可作为阻尼器参数优化的数学模型；采用响应面法进行阻尼 器参数优化，既可避免单纯依靠经验选取阻尼器参数所带来的不确定性，又能考虑地震动频谱变化、地震动强度、阻尼器成本 等因素的综合影响；本文桥例在两侧场地的E1、E2地震下，最优阻尼器参数组合为《 = 0. 3,Cd = 3000kN_(m/sr°_3。[关键词]纵飘斜拉桥；响应面法；粘滞阻尼器；地震动特性；参数优化
[中图分类号]1)442.53 [文献标识码]A
Parameter optimization analysis of viscous dampers for cable-stayed bridges with floating system based on response surface method
响应曲面法优化表面活性剂改性低渗透煤体工艺安文博;王来贵;陈鹤;刘向峰;李喜林;陈强【期刊名称】《中国安全生产科学技术》【年(卷),期】2018(014)007【摘要】为了改善我国煤层渗透性低、结构致密的特点,以提高煤层渗透性、减少煤层冲击性、防止瓦斯事故为目的,通过单因素实验初步确定表面活性剂改性低渗透煤体时SDS溶液质量浓度、浸泡时间和浸泡温度等因素对煤样孔隙率的影响,进一步采用Box-Behnken实验设计优化其工艺参数,并分析改性后煤样物相结构和微观结构.研究结果表明:表面活性剂改性低渗透煤体的最佳工艺条件是SDS溶液质量浓度为0.5 wt.％,浸泡时间为44 h,浸泡温度为40℃;该条件下煤的实际孔隙率为33.29％,与模型预测值33.37％非常接近,验证了响应曲面设计优化的有效性.改性后煤样碳酸盐矿物减少,硅酸盐矿物增加,内部有杂质残余;煤样表面凹凸不平,结构松散,孔隙增加,矿物解理面模糊不清,胶结面消失.【总页数】8页(P120-127)【作者】安文博;王来贵;陈鹤;刘向峰;李喜林;陈强【作者单位】辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学土木工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学土木工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000【正文语种】中文【中图分类】X936;TD713【相关文献】1.表面活性剂洗油酸化工艺在特低渗透油藏的应用 [J], 汪双喜;刘静;丛海龙2.低渗透性煤体煤层气开采工艺及研究进展 [J], 鲍先凯;曹嘉星;段东明;赵金昌;武晋文3.响应曲面法优化木质素磺酸盐改性絮凝剂的制备工艺 [J], 袁竣一;张玉苍;尹鹏4.表面活性剂作用下煤体力学特性及改性规律 [J], 安文博;王来贵5.基于响应曲面法的改性污泥活性炭处理四环素废水的参数优化 [J], 孙东晓;周强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
d o i :10.3963/j.i s s n .1674-6066.2024.02.003基于响应面法的碱硫酸盐激发固废型固化剂组成优化设计李 悦1,刘学磊1,林 辉1,穆金磊1,李亚强2(1.北京工业大学城市建设学部,北京100024;2.北京林业大学水土保持学院,北京100091)摘 要: 论文采用响应面法对碱-硫酸盐激发固废型固化剂体系进行优化,以赤泥㊁矿渣㊁生石灰和脱硫石膏为变量因素,以流态固化土的7d ㊁28d 无侧限抗压强度和流动扩展度为评价指标,建立预测模型㊂结果表明:当赤泥掺量为26.6%㊁矿渣掺量为53.2%㊁石灰掺量为11.7%㊁脱硫石膏掺量为8.5%时,流态固化土的工作性能和力学性能均达到最优,响应值的实测值和预测值误差范围控制在5%内,表明该响应面法预测模型预测精度高㊂关键词: 固化剂; 赤泥; 响应面法; 多目标优化O p t i m i z a t i o nD e s i g no fA l k a l i -s u l f a t eA c t i v a t e dS o l i d W a s t eC u r i n gA g e n t S y s t e mB a s e do nR e s po n s e S u r f a c eM e t h o d L IY u e 1,L I UX u e -l e i 1,L I N H u i 1,MUJ i n -l e i 1,L IY a -q i a n g2(1.U r b a nC o n s t r u c t i o nD e p a r t m e n t ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,B e i j i n g 100024,C h i n a ;2.C o l l e g e o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100091,C h i n a )A b s t r a c t : I n t h i s t h e s i s ,t h e r e s p o n s e s u r f a c em e t h o dw a s u s e d t o o p t i m i z e t h e a l k a l i -s u l f a t e a c t i v a t e d s o l i dw a s t e c u -r i n g a g e n t s y s t e m.R e dm u d ,s l a g ,q u i c k l i m e a n dd e s u l f u r i z e d g y ps u m w e r eu s e d a s v a r i a b l e f a c t o r s ,a n d t h e u n c o n f i n e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n d f l o we x p a n s i o no f 7da n d28do f t h e s o l i d i f i e d s o i lw e r e u s e d a s e v a l u a t i o n i n d i c a t o r s t o e s -t a b l i s ha p r e d i c t i o nm o d e l .T h e r e s u l t s s h o wt h a tw h e n t h e r e dm u dc o n t e n t i s 26.6%,t h e s l a g co n t e n t i s 53.2%,t h e l i m e c o n t e n t i s 11.7%,a n d t h e d e s u l f u r i z a t i o n g y p s u mc o n t e n t i s 8.5%,t h ew o r k i n g p e r f o r m a n c e a n dm e c h a n i c a l p r o p -e r t i e s o f t h e f l u i d s o l i d i f i e d s o i l a r eo p t i m a l .T h ee r r o r r a n g eo f t h em e a s u r e dv a l u ea n dt h e p r e d i c t e dv a l u eo f t h e r e -s p o n s e v a l u e i s c o n t r o l l e dw i t h i n5%,i n d i c a t i n g t h a t t h e r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d p r e d i c t i o nm o d e l h a sh i g h p r e d i c t i o n a c c u r a c y.K e y w o r d s : c u r i n g a g e n t ; r e dm u d ; r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d ; m u l t i -o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n 收稿日期:2024-03-13.作者简介:李 悦(1972-),教授.E -m a i l :l i y u e @b j u t .e d u .c n 通讯作者:刘学磊(1998-),硕士生.E -m a i l :132********@q q.c o m 流态固化土是一种新型绿色工程材料,根据不同的工程需求和土壤类型,加入特定的土壤固化剂以及必要的外加剂,与水拌合而成㊂在过去,常选择水泥作为固化剂制备流态固化土,但其价格相对较高,从而限制其大规模应用[1]㊂因此,研究人员在寻找替代固化剂或者降低水泥使用量的同时,也在探索利用其他工业固废资源来替代水泥,以降低成本并实现资源的再利用㊂赤泥和矿渣是常见的工业固废[2],赤泥富含硅铝酸盐,具有一定的粘结性和胶凝性,矿渣主要以硅酸盐为主,胶凝性和水硬性等方面的性能表现良好㊂利用赤泥和矿渣,再加生石灰和脱硫石膏进行激发制作固化剂不仅可以减少成本,还可通过火山灰反应及填充效应改善流态固化土的工作性能以及力学性能[3]㊂响应面方法(R e s p o n s eS u r f a c eM t h o d o l o g y,R S M )广泛应用于各个领域,通过R S M 可以建立影响因素和响应值之间的函数模型㊂这种建模方法可以帮助理解影响因素对响应的影响程度以及它们之间的相互作用㊂R S M 不仅能够研究单个因素对响应的影响,还可以探究多种因素之间的交互作用[4]㊂高子琛[5]通过响应面法确定了水泥㊁矿渣粉和水玻璃固化淤泥质渣土的最佳配合比,通过系统实验设计和数据分析,为进一1建材世界 2024年 第45卷 第2期步优化实验条件奠定了基础㊂林泓民[6]基于响应面法,以水灰比为2ʒ1的混合样为例,分别建立了含泥量与流动度㊁无侧限抗压强度的关系模型,研究了含泥量对砂质土流态固化处理效果的影响㊂论文基于R S M的中心组合试验设计(C e n t r a l C o m p o s i t eD e s i g n,C C D)方法,通过对赤泥㊁矿渣㊁石灰和脱硫石膏等物质之间的相互作用进行研究,探讨它们在固废型固化剂体系中的交互效应,对各种可能的配比方案进行比较和优化探究㊂1实验1.1原材料试验选用拜耳法赤泥呈桔红色粉末,D50为23.9μm㊂矿渣选用S95级粒化高炉矿渣,密度为2.947g/c m3,比表面积为449m2/g㊂生石灰颜色呈白色,粉末状,属Ⅱ级生石灰㊂石膏选用脱硫石膏,密度为2.3g/c m3㊂流态固化土的土体取自安徽的待固化淤泥质路基材料,表面呈暗红色,其含水率为21.13%,液限和塑限分别为45.39%和15.89%㊂原材料的不同化学组成见表1㊂表1原材料的主要化学成分w/%原材料C a O S i O2A l2O3F e2O3T i O2M g O K2O S O3M n O L o s s 待固化淤泥质路基材料67.5916.599.313.750.790.780.630.180.100.28拜耳法赤泥0.8715.6023.6044.705.370.090.180.690.098.81矿渣37.5132.659.47-1.066.68-1.44-0.48脱硫石膏48.190.290.120.07-0.08-50.97-0.28生石灰92.41.08---1.35---5.17 1.2R S M-C C D实验方案设计试验借助D e s i g n-E x p e r t软件中的响应面C e n-t r a l C o m p o s i t eD e s i g n(C C D)进行优化试验设计㊂以赤泥㊁矿渣㊁生石灰和脱硫石膏为因素,编号分别为X1㊁X2㊁X3和X4,响应值为流态固化土的7d㊁28d的无侧限抗压强度和流动扩展度,分别为Y1㊁Y2和Y3,以此设计试验和建立响应面模型,寻找碱-硫酸盐激发固废型固化剂体系的最优配比方案㊂试验水平及因素的取值见表2,其中固化剂和待固化淤泥质路基材料的质量比保持1ʒ9不变,水固比为0.43㊂表2试验因素各水平w/%赤泥(X1)矿渣(X2)生石灰(X3)脱硫石膏(X4) 12306530701510 35010.57.5 39901.52.5 211019.512.5对数据进行标准多项式回归拟合,得到二次多项式,即为描述各龄期抗压强度㊁流动扩展度与各固化剂原材料的模型,其表达式为Y=a0+ða i X i+ða i i X2i i+ða i j X i X j式中,Y为响应值;a为回归系数;X为影响因素㊂2结果与分析试验研究利用D e s i g n-E x p e r t软件确定试验方案,总共进行30组试验㊂其中25组为析因试验,另外5组为中心点重复试验,用以估计试验误差㊂具体的试验结果见表3㊂11建材世界2024年第45卷第2期表3响应面设计的试验方案与结果编号设计因素赤泥(X1)/%矿渣(X2)/%石灰(X3)/%石膏(X4)/%响应值7d强度(Y1)/M P a28d强度(Y2)/M P a流动扩展度(Y3)/mm11230650.480.8420023030650.480.8219531270650.460.8119043070650.470.81190512301550.530.79195630301550.520.8185712701550.540.84195830701550.540.85190912306100.510.851951030306100.460.831901112706100.480.811851230706100.450.81185131********.560.8319514303015100.540.84185151********.550.8619516307015100.540.881901735010.57.50.480.8319018395010.57.50.420.8418519211010.57.50.560.8219520219010.57.50.540.841902121501.57.50.450.8119022215019.57.50.560.8518523215010.52.50.490.8220024215010.512.50.520.8619025215010.57.50.720.9521526215010.57.50.70.9421527215010.57.50.70.9421528215010.57.50.690.9321529215010.57.50.710.9321530215010.57.50.720.932152.1模型显著性检验对表3中的试验结果进行回归拟合分析,建立赤泥(X1)㊁矿渣(X2)㊁石灰(X3)㊁石膏(X4)与7d㊁28d的抗压强度和流动扩展度(Y1,Y2,Y3)关系的二元回归模型㊂在表4中,包含了对响应值进行方差分析以及建立的多项式模型方程㊂P值用于衡量模型的显著性,当Pɤ0.05时,通常认为模型具有显著性,表示响应值与回归方程关系显著;反之,P>0.05时,说明模型不可靠,表示响应值与回归方程关系不显著㊂表4显示Y1㊁Y2和Y3的P值均小于0.0001,表明模型具有高度显著性,适用于分析预测;三者的相关系数分别为21建材世界2024年第45卷第2期0.9851㊁0.9824和0.9839,均接近与1,表示实测值与真实值之间存在着较强的线性关系,说明模型拟合效果较好;且变异系数(C V )均小于10%,表明试验结果精确可靠㊂表4 试验结果的方差分析方差来源7d 强度均方差F 值P 值28d 强度均方差F 值P 值流动扩展度均方差F 值P 值模型0.017138.01<0.00014.59ˑ10-3116.42<0.0001209.38127.66<0.0001X 12.20ˑ10-318.280.00073.75ˑ10-50.950.345104.1757.69<0.0001X 23.38ˑ10-42.80.1155.04ˑ10-412.780.002837.520.770.0004X 30.023194.41<0.00011.50ˑ10-338.13<0.00014.172.310.1495X 47.04ˑ10-45.840.02892.20ˑ10-355.88<0.000166.6736.92<0.0001X 1X 21.56ˑ10-41.30.27281.56ˑ10-43.960.06512513.850.002X 1X 35.63ˑ10-50.470.5055.06ˑ10-412.830.00272513.850.002X 1X 47.56ˑ10-46.270.02436.25ˑ10-60.160.69621X 2X 35.06ˑ10-44.20.05844.56ˑ10-3115.51<0.000110055.38<0.0001X 2X 41.56ˑ10-41.30.27281.56ˑ10-43.960.0651001X 3X 41.56ˑ10-41.30.27287.56ˑ10-419.170.00052513.850.002X 110.11915.6<0.00010.019475.36<0.00011257.44696.43<0.0001X 220.041336.14<0.00010.021521.9<0.0001836.01463.02<0.0001X 330.068561.71<0.00010.021521.9<0.00011257.44696.43<0.0001X 440.068561.71<0.00010.017430.99<0.0001657.44364.12<0.0001R 2=0.9851,R A d j 2=0.9691,C V =2.01%R 2=0.9824,R A d j 2=0.9697,C V =0.74%R 2=0.9839,R A d j 2=0.9521,C V =0.69%2.2 赤泥和矿渣的交互作用对抗压强度和流动扩展度的影响图1中的响应面及等高线图展示了赤泥和矿渣交互作用对28d 抗压强度的影响㊂根据图1,赤泥和矿渣的掺量增加时,流态固化土的28d 抗压强度先增大后减小㊂同时,赤泥对流态固化土的流动扩展度影响较大,超过了其对抗压强度的影响㊂表4中的数据显示,抗压强度中的A B 交互项具有显著影响(P 值为0.0651),而流动扩展度中的A B 交互项则不显著(P 值为0.002),这与之前的研究结论一致[7]㊂中等掺量的赤泥对混凝土表现出较好的抗压强度提升效果,但其对抗压强度的影响与流动扩展度相比较小㊂此外,当赤泥和矿渣的掺量最大时,并非产生最高的强度值㊂这可能归因于固化剂浆体在水化反应和表面水分蒸发的过程中发生的体积收缩㊂矿渣的存在导致收缩更为明显,这种收缩对浆体与其他固化土结构部分的结合产生不利影响,最终导致强度下降㊂31建材世界 2024年 第45卷 第2期建材世界2024年第45卷第2期2.3响应面最优化分析结果预测与验证基于试验结果和响应面优化模型,综合考虑7d㊁28d的抗压强度和流动扩展度为目标优化值,得到满足愿望目标的配合比,其参数为:赤泥掺量为26.6%㊁矿渣掺量为53.2%,石灰掺量为11.7%,脱硫石膏掺量为8.5%㊂为验证模型准确性,按优化后的配合比制作流态固化土试样,测定试样各龄期抗压强度㊂在此配合比参数下,碱-硫酸盐激发固废固化剂制备的流态固化土预测值与实测值结果如表5所示㊂表5碱-硫酸盐激发固废固化剂制备的流态固化土优化结果7d抗压强度28d抗压强度流动扩展度预测值0.69M P a0.93M P a212mm实测值0.68M P a0.91M P a205mm误差/%1.42.22.4从表5中可以看出,碱-硫酸盐激发固废固化剂制备的流态固化土的7d㊁28d和流动扩展度的实测值分别为0.68M P a㊁0.91M P a和205mm,预测值与实测值的误差绝对值分别为1.4%㊁2.2%和2.4%,误差均小于5%㊂这表明了响应面法优化设计的准确性高,具有合理性和可行性㊂3结论赤泥㊁矿渣㊁生石灰和脱硫石膏的掺量在固化剂中对抗压强度和流动扩展度的影响存在差异㊂借助响应面分析确定了最佳的固化剂配比,其中具体掺量为赤泥为26.6%㊁矿渣为53.2%㊁生石灰为11.7%㊁脱硫石膏为8.5%㊂实测值显示,该配比下的7d㊁28d抗压强度分别为0.68M P a㊁0.91M P a,流动扩展度为205mm㊂模型预测值与实测值之间的相对误差分别为1.4%㊁2.2%和2.4%,均在5%以内,表明建立的模型具有精确可靠性㊂参考文献[1]周永祥,王继忠.预拌固化土的原理及工程应用前景[J].新型建筑材料,2019,46(10):117-120.[2]陈吉忠,马幸,梁婉.赤泥资源化利用最新研究进展及展望[J].中国资源综合利用,2023,41(3):105-111.[3]李悦,齐帜飏,林辉,等.硫铝酸盐水泥基预拌流态固化土固化剂性能的研究[J].新型建筑材料,2023,50(3):42-45,55.[4] A s a d z a d e hS,K h o s h b a y a nS.M u l t i-o b j e c t i v eO p t i m i z a t i o no f I n f l u e n t i a l F a c t o r s o nP r o d u c t i o nP r o c e s s o fF o a m e dC o n-c r e t eU s i n g B o x-B e h n k e nA p p r o a c h[J].C o n s t r u c t i o na n dB u i ld i n g M a te r i a l s,2018,170:101-110.[5]高子琛.预拌流态固化土的路用性能研究[D].西安:长安大学,2023.[6]林泓民,白兰兰,彭劼,等.含泥量对砂质土流态固化处理效果的影响研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2022,39(3):30-35.[7]J i a n g Z,H eB,Z h uX,e t a l.S t a t e-o f-t h e-a r tR e v i e wo nP r o p e r t i e sE v o l u t i o n a n dD e t e r i o r a t i o nM e c h a n i s mo f C o n c r e t ea tC r y o g e n i cT e m p e r a t u r e[J].C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,2020,257:119456.41。
基于响应面法的eicp-pva固化粉砂土优化试验研究1前言固化技术在土力学领域中有着广泛的应用，能够大大提高土壤的力学性质，改善工程建设中的地基条件。
其中，环状缩聚聚丙烯酸钠(EICP)和聚乙烯醇(PVA)交联反应固化的方法具有成本低、无毒害等优点。
本研究将应用响应面法优化eicp-pva固化粉砂土的配比，以提高其力学性质。
2研究方法2.1材料本试验中使用的材料有：粉砂土、环状缩聚聚丙烯酸钠(EICP)、聚乙烯醇(PVA)、络合物等。
2.2固化试验2.2.1前处理首先，要进行粉砂土的前处理。
将粉砂土样品在温水下进行提纯、筛选，去除其中的杂质，使粉砂土颗粒分配均匀。
2.2.2固化材料的选择本试验中，通过前期试验探究，选择EICP和PVA交联反应作为固化材料。
其中，EICP可以与土壤颗粒表面反应，在水中形成稳定的团聚体，以提高粘性和黏性；而PVA的加入可以增加固体骨架强度，改变水泥基材料密实度和成孔率，提高土体的强度性质。
2.2.3实验方案在进行实验之前，本研究将用L16（4^5）正交试验设计，优选影响试验结果的因素，包括：EICP用量，PVA用量，络合物用量，固化时间和固化温度。
2.2.4实验步骤将前处理后的粉砂土放入试验罐（Ф=30mm，h=60mm），然后依次加入预选的固化材料和混合溶液，固化时间为24小时。
经过固化之后，取样进行试验，研究其固化特性和力学性质。
2.3实验数据处理采用响应面法优化EICP-PVA固化粉砂土，根据实验结果制定数学模型，并进行相关分析、极值分析及方差分析，寻找最优配比。
3研究结果3.1响应面优化图及方程式通过响应面分析，确定EICP、PVA、络合物、固化时间和固化温度对实验结果的影响程度，建立EICP-PVA固化粉砂土的优化方程式：Y=-247.66+13.40X₁+19.63X₂+15.71X₃+5.63X₄+3.2 X₅-1.69X₁X₂+0.10X₁X₃-0.13X₁X₄-0.45X₁X₅+0.02X₂X₃-0.25X₂X₄+0.46X₂X₅-0.73X₃X₄-0.05X₃X₅+0.13 X₄X₅-0.15X₁²-0.10X₂²-0.47X₃²-0.04X₄²+0.07X₅²其中，Y表示粉砂土的抗压强度；X₁、X₂、X₃、X₄、X₅分别表示EICP用量、PVA用量、络合物用量、固化时间和固化温度。
㊀第46卷第3期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.3㊀㊀2021年3月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMar.㊀2021㊀煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探以平顶山矿区为例张建国1,李红梅2,3,刘依婷2,李喜员1,谢㊀晶2,代志旭1,叶思琪2,李露明3,周伟奇4,赵㊀赟4,郝海春5(1.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室,河南平顶山㊀467002;2.四川大学水利水电学院,四川成都㊀610065;3.成都大学食品与生物工程学院,四川成都㊀610106;4.成都大学机械工程学院,四川成都㊀610106;5.深圳大学深地科学与绿色能源研究院,广东深圳㊀518060)摘㊀要:煤矿开采逐渐向深部延伸,深部开采条件下煤尘灾害频发,防控难度高,除尘机理与技术仍然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点之一㊂以平顶山矿区丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤层采集的原煤为研究对象,联合多种煤尘物理化学性质测试(工业分析,XRD ,BET ,SEM ,FT -IR )㊁分子动力学模拟等手段,系统采用基础物性特征分析㊁润湿特性多因素影响探讨㊁分子层面润湿机理探索㊁抑尘剂改性讨论的研究思路,开展了基于煤尘微细观结构特征的除尘机理探索及新型抑尘剂研发初探㊂研究表明:平顶山矿区丁戊己庚4组煤层典型煤尘的润湿性大小顺序为戊>丁>庚>己,煤中有机质质量分数㊁水分质量分数㊁灰分质量分数㊁无机矿物成分质量分数㊁比表面积㊁含氧官能团等指标的显著差异将对煤尘润湿性能产生显著影响,比表面积㊁石英质量分数㊁羟基和醚键数量越多,润湿性越好,固定碳质量分数越高,润湿性越差㊂联合煤的红外光谱分析和分子动力学模拟,根据平顶山矿区煤尘亲水官能团特征,研究了水分子在不同数量羟基和醚键修饰的煤表面吸附过程,进一步揭示了煤尘润湿性能的强关联因素,表面羟基数量正相关于吸附水分子能力,而煤尘醚键数量对于吸附水分子能力存在极大值㊂基于煤尘微细观特征对其润湿性的影响机制,考察了3种非离子表面活性剂对4组煤尘的润湿除尘特性,基于表面活性剂分子结构对煤尘润湿的作用机理,针对平煤矿区煤尘提出了引入芳香环结构实现新型抑尘剂改性的解决思路㊂关键词:除尘技术;润湿性;表面活性剂;接触角;抑尘剂;平顶山矿区;微细观中图分类号:TD714㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)03-0812-14移动阅读收稿日期:2021-01-18㊀㊀修回日期:2021-03-11㊀㊀责任编辑:常明然㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.YT21.0140㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(52004167);四川省国际科技创新合作项目/港澳台科技创新合作资助项目(2018HH0159);广东省引进创新创业团队资助项目(2019ZT08G315)㊀㊀作者简介:张建国(1965 ),男,河南滑县人,教授级高级工程师,博士㊂E -mail:zhangjg_z@126．com ㊀㊀通讯作者:李红梅(1980 ),女,山西临县人,副教授,博士㊂E -mail:lihongmeihappy@126．com㊀㊀引用格式:张建国,李红梅,刘依婷,等.煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探 以平顶山矿区为例[J].煤炭学报,2021,46(3):812-825.ZHANG Jianguo,LI Hongmei,LIU Yiting,et al.Micro-wetting characteristics of coal dust and preliminary study onthe development of dust suppressant in Pingdingshan mining area[J].Journal of China Coal Society,2021,46(3):812-825.Micro-wetting characteristics of coal dust and preliminary study on thedevelopment of dust suppressant in Pingdingshan mining areaZHANG Jianguo 1,LI Hongmei 2,3,LIU Yiting 2,LI Xiyuan 1,XIE Jing 2,DAI Zhixu 1,YE Siqi 2,LI Luming 3,ZHOU Weiqi 4,ZHAO Yun 4,HAO Haichun 5(1.State Key Laboratory of Coking Coal Exploitation and Comprehensive Utilization ,Pingdingshan ㊀467002,China ;2.College of Water Resource and Hydro-power ,Sichuan University ,Chengdu ㊀610065,China ;3.College of Food and Bioengineering ,Chengdu University ,Chengdu ㊀610106,China ;4.School of Me-chanical Engineering ,Chengdu University ,Chengdu ㊀610106,China ;5.Institute of Deep Earth Sciences and Green Energy ,Shenzhen University ,Shenzhen ㊀518060,China )第3期张建国等:煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探 以平顶山矿区为例Abstract:Coal mining is gradually extending to the deep,coal dust disasters occur frequently under the condition of deep mining,and the dust prevention and control is difficult.Coal dust removal mechanism and technology is still one of the difficulties and emphases in the basic research of scientific and efficient coal dust removal technology in deep mining.The mechanism of coal dust removal based on the microstructure characteristics of coal dust as well as the de-velopment of new coal dust suppressant was explored,utilizing the raw coal collected from the coal seam Ding,Wu,Ji and Geng of Pingdingshan Mining Area.Basic physical properties analysis(industrial analysis,XRD,BET,SEM and FT-IR),multi factor influence on wetting characteristics,wetting mechanism exploration at the molecular level and coal dust wetting agent modification discussion were conducted systemically by means of various physicochemical prop-erties testing and molecular dynamics simulation.The results show that the wettability of the four typical coal samples increases in the order of the coal seam Ji,Geng,Ding and Wu.The significant differences of organic matter content, moisture content,ash content,inorganic mineral content,specific surface area and oxygen-containing functional groups in coal dust show some significant impact on the wettability of coal dust.The results show that the greater the specific surface area,quartz content,hydroxyl and ether bond content are,the better the wettability,and the higher the fixed carbon content,and the worse the ing the results of infrared spectroscopy and molecular dynamics simu-lation of coal,and considering the characteristics of hydrophilic functional groups of coal dust in Pingdingshan mining area,the adsorption process of water molecules on coal surface modified by different numbers of hydroxyl and ether bonds was studied,and the strong correlation factors of wettability of coal dust were further revealed.The number of surface hydroxyl is positively related to the ability of adsorbing water molecules,while the number of ether bonds in coal dust has a maximum value for the ability of adsorbing water molecules.Based on the influence mechanism of mi-cro characteristics of coal dust on its wettability,the wetting and dust removal characteristics of three kinds of non-ionic surfactants on four groups of coal dust were investigated.According to the wetting mechanism of surfactant molecular structure on coal dust,the solution of introducing aromatic ring structure to realize the modification of new dust sup-pressor was proposed for the coal dust in Pingdingshan Mining Area.Key words:dust removal technology;wettability;surfactant;contact angle;dust suppressant;Pingdingshan mining area;microstructure㊀㊀当前我国能源消费结构中,煤炭资源仍然是我国消费占比最大的一次能源,长时间内仍将占据主导地位[1-2]㊂随着地球浅部资源的消耗殆尽,资源开采活动逐渐向深部延伸[3],深部开采已经成为21世纪的主旋律,以平顶山矿区为例,以平煤十二矿为代表的矿井已经正式进入超千米开采[4]㊂煤矿在深部开采条件下,通常通风难度加大,高产㊁高效机械化的井下作业常导致综掘面粉尘质量浓度高[5]㊁工作面能见度低㊁粉尘爆炸危险性大,导致深部资源的开发时效性差,灾害频发[6],尤其是矿工长期吸入大量呼吸性粉尘将会引起尘肺病[7]㊂在深部开采作业中,粉尘质量浓度过高常常还会伴随着灾害事故[8],给矿工带来极大的生命安全威胁㊂除尘机理与技术研究仍然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点㊂在除尘规划与政策方面,湿法除尘早已引起国家和行业的重视㊂2019年7月,国家卫生健康委网站发布由国家卫生健康委㊁国家发展改革委等10部委联合制订的‘尘肺病防治攻坚行动方案“[9]㊁‘ 健康中国2030 规划“㊁‘关于实施健康中国行动的意见“[10]等系列政策法规,标志着国家保卫劳动人民健康的决心㊂袁亮[11]从煤矿粉尘研究现状㊁政策标准等方面总结了煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑战,并建议政府主管部门和煤炭行业高度重视职业安全健康科技创新,力争2035年煤矿粉尘职业危害防控与安全健康领域取得突破㊂程卫民等[12]总结了20a来粉尘防治理论及技术取得的成果,提出了未来矿井粉尘防治主攻方向:智能化防尘㊁煤层注水减尘㊁通风除尘㊁抑尘材料研发㊂李德文等[13]分析了我国的防尘现状,提出我国应加强主动防尘,通过添加湿润剂提高注水煤层的湿润性来提高煤层的注水效果㊂金龙哲[14]通过对30余个重点行业和地区粉尘危害现状调研分析,展现了我国粉尘职业危害专项治理和防尘技术方面在 十三五 期间取得的成效,指出了防尘支撑体系不健全㊁职责不明确㊁防治科研投入少㊁工程防护不到位等问题,并强调 十四五 期间要重点围绕高效综合防尘技术(减尘㊁降尘㊁除尘等)开展研发㊂可见,目前我国对除尘政策㊁规划和现状有了一定程度的认识㊂318煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷然而,目前煤矿现场粉尘防治措施常用湿式作业(喷雾洒水)㊁通风除尘等,但这些技术从经济成本和除尘效率都达不到理想的效果[15]㊂为了更有效地进行井下煤尘防控,采用煤层注水㊁采煤机尘源智能跟踪喷雾降尘等多种湿式除尘法相结合的防尘技术,从试验效果看,对煤尘防控有一定效果[16],但由于大多数煤尘亲水性差而难以润湿,降尘效率不高,需要添加表面活性剂提高煤的润湿性来提高降尘效率㊂因此,必须从除尘机理层面出发,关注粉尘基础物性特征影响机制㊁润湿性能评估与改善,从而实现科学高效的综合除尘㊂在除尘机理研究方面,张薇等[17]考察了煤的矿物质组成对润湿性的影响规律;高童桐[18]证明可溶有机质通过改变煤尘微观表面结构特征提高了煤尘微观表面的润湿特性;程卫民等[19]认为无机矿物中以石英为代表的原生矿物是提高煤尘亲水能力的最主要因素;文金浩等[20]从定性与定量角度分析了煤样灰分中无机矿物特征,建立了煤尘润湿性与无机矿物间的关系;张锐[21]分析了煤的微观孔隙特征对煤润湿性的影响;ZHOU等[22]利用粒径分布的分形维数评价煤尘的润湿性和表面特性;LI等[23]研究了煤微观结构的复杂程度对煤润湿性影响㊂可见,当前除尘机理研究主要关注矿物成分等单因素对煤尘润湿性能的影响,系统性考量煤尘物性多因素对其润湿性能影响机制的研究相对较少㊂此外,针对当前深部开采的湿法除尘,从多因素分析㊁润湿性能表征㊁分子层面的润湿机理㊁抑尘剂研发等层面仍缺乏系统性的研究㊂以平煤矿区丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤样为研究对象,采用 煤尘微细观结构分析 润湿影响机制探讨 分子影响机理探索 抑尘剂改性思路提出的研究思路,系统开展基于煤尘微细观结构特征的除尘机理研究及新型煤尘抑尘剂研发初探,从而为我国深部开采科学高效防尘控尘提供技术指导与研究思路借鉴㊂1㊀试验区煤尘润湿性影响因素为系统研究影响煤样润湿性的主要因素,对试验区煤尘进行了微细观结构分析,重点关注煤样的工业分析㊁无机矿物组成㊁表面特征以及主要官能团对煤样润湿性的影响及其影响机理㊂试验煤样取自河南省平顶山矿区丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤层,分别采样于工作面5-22190,8-31220,15-31020,20-71160㊂1．1㊀煤尘接触角测试接触角(θ)是指液滴接触固体表面,在气㊁液㊁固三相交界处,气-液界面和固-液界面之间的夹角㊂当θ<90ʎ时为可润湿;θ﹥90ʎ时为不可润湿,θ越小润湿性越好㊂采用成都大学JC2000D1(上海中晨)接触角测量仪测定丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤样与纯水之间的接触角,见表1㊂表1㊀各组煤样接触角测试结果Table1㊀Contact angle test results of each coal sample(ʎ)煤样类型丁戊己庚接触角83．566．493．388．2㊀㊀分析以上数据可知,4组煤样中戊组接触角最小(66．4ʎ),润湿性能最好,丁组与庚组煤样接触角较大,分别为83．5ʎ,88．2ʎ,表明丁组煤样润湿性强于庚组煤样,己组接触角最大,为93．3ʎ,润湿性能最差㊂4组煤样在纯水中的润湿性大小顺序为戊>丁>庚>己㊂1．2㊀煤尘工业分析及对润湿性的影响工业分析是确定煤组成成分的最基本方法㊂利用平煤国家重点实验室XKGF-8000自动工业分析仪,按照国家标准(GB13212 77,GB476 79),丁㊁戊㊁己㊁庚4种不同煤层煤样工业分析结果见表2㊂表2中,M ad为煤样中的水分含量,挥发分(V daf)和固定碳(FC ad)含量反映了各组煤样中有机质的组成特点,其中,挥发分主要由孔隙中的挥发性物质和煤尘表面的极性或非极性官能团热解产物构成,固定碳则为煤中除去水分㊁灰分㊁挥发分后剩下来的残渣,其产率随煤化程度增高而增加,灰分(A ad)是煤中矿物质的近似含量㊂表2㊀各组煤样工业分析测试结果Table2㊀Industrial analysis and test resultsof eachcoal sample%煤样V daf FC ad M ad A ad丁35．5943．51．0732．68戊36．2334．331．3546．53己24．4768．451．819．54庚28．1860．20．6616．19㊀㊀表2中4组煤样中挥发分㊁固定碳㊁水分以及灰分差异较大,固定碳含量己>庚>丁>戊,挥发分含量㊁灰分含量戊>丁>庚>己,结合接触角数据发现,煤润湿性能与挥发分含量㊁灰分含量呈正相关,与固定碳含量呈负相关㊂究其原因,煤在煤化作用过程中,煤418第3期张建国等:煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探 以平顶山矿区为例分子中具有稳定性能的缩合芳香环数增大㊁活动性较强的侧链和桥链减少,使得煤中游离纤维素消失,煤中挥发分产率降低,固定碳含量增大,从而导致煤的润湿性变差[24]㊂煤尘的润湿性与灰分中的矿物质含量呈正相关,矿物质的润湿性大于煤分子[25],矿物质含量越高,煤润湿性越好㊂煤尘润湿性与水分含量也有一定的正相关,但与其固定碳㊁灰分等相比,相关性较弱㊂1．3㊀煤尘无机矿物分析及对润湿性的影响煤尘中无机矿物质种类与含量也影响煤的润湿性能,无机矿物质的含量在一定程度上可以定量评价预测煤的润湿性能[26]㊂采用四川大学分测中心EM-PYREAN型号的X射线衍射仪(XRD),Cu靶辐射,最大管压为60kV,最大管流为60mA,扫描范围5ʎ~70ʎ㊂图1为4组煤样的XRD对比图谱,根据XRD试验得到的各组煤样衍射图谱,对煤样的无机矿物进行物相分析,并利用谢乐公式[27](式(1))计算样品的晶粒尺寸(表3)㊂L=Kλβcosθ(1)式中,L为晶粒直径;K为谢乐常数;λ为X射线波长;β为实测样品衍射峰半高宽度;θ为衍射角㊂图1㊀XRD对比图谱Fig．1㊀X-ray diffraction comparison pattern表3㊀各组煤样主要无机矿物种类的相对含量及晶粒直径Table3㊀Relative content of the main inorganic minerals and grain diameter of each coal sample煤样质量分数/%高岭石石英石铵云母碳酸钙直径/nm石英石晶粒高岭石晶粒铵云母晶粒白云石晶粒丁5838 62．521．1 戊3856 67．717．6 37己276 5142．018．012．5 庚54527 40．023．6㊀㊀分析图1可知,丁㊁戊2组煤样中含有大量石英石(SiO2),己㊁庚2组煤样中石英石含量几乎为0,4组煤样均含有较高比例的高岭石(Al2(Si2O5) (OH)4)㊂此外,己组煤样中还有大量白云石(Ca-CO3),占比51%,庚组煤样含有铵云母(NH4Al2 (Si3Al)O10(OH)2),占比27%㊂煤样中无机矿物石英石和铵云母具有较好的亲水性,但是高岭石和碳酸钙的亲水性均较弱[26]㊂结合无机矿物质含量和接触角数据发现,SiO2含量越多,接触角越小,润湿性能越好㊂丁㊁戊2组煤样中SiO2含量较多,接触角较小,润湿性能好,且戊组煤样中SiO2含量最大,接触角最小㊂己㊁庚2组煤样中SiO2含量几乎为0,润湿性能较差㊂但庚组煤样中含有铵云母,比己组煤样中的碳酸钙亲水性能强,因此庚组煤样的润湿性能略优于己组㊂此结论与接触角试验所得的润湿性规律高度吻合㊂表3为各组煤样主要无机矿物种类的相对含量及晶粒尺寸㊂从表3还可以看出,润湿性能较好的丁㊁戊2组煤样中,石英石晶粒直径较大,分别为67．7nm和62．5nm㊂庚组煤样中高岭石含量远远大于戊组,但润湿性能较差,说明晶粒度较小的高岭石对煤尘润湿性能的影响很弱㊂己组煤样中的白云石和庚组煤样中的铵云母晶粒度也都较小㊂晶粒度的大小是否也是影响润湿性的因素之一还有待深入研究㊂1．4㊀煤尘表面特征分析及对润湿性的影响天然孔隙率是煤尘主要物性特征之一,直接决定了煤尘的吸附容积㊁储存性能㊁自身渗透性的强弱,与其润湿特性密切相关㊂将原煤破碎经过200目的标准筛,再放入干燥箱里真空干燥2h,冷却至室温,称量1g样品㊂采用低温氮吸附实验(BET)对丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤样进行测定㊂所用测试仪器为ASAP2460全自动比表面积与孔隙度分析仪(美国麦克公司),373K下加热6h,在液氮条件,高纯氮气(N2)为吸附气体,77K饱和温度下,相对压力在0．008~0．952,对样品进行吸附 脱附等温线测试㊂丁㊁戊㊁己㊁庚组煤尘比表面积分别为3．5,6．3,0．2,0．2m2/g㊂其中,戊组比表面积最518煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷大(6．3m 2/g),丁组次之(3．5m 2/g),己㊁庚组的比表面积极小,4组煤样的比表面积大小顺序为:戊>丁>庚=己㊂结合XRD 测试发现,煤样中石英石(SiO 2)含量越多,比表面积越大,说明晶粒度较大的无机矿物质SiO 2晶体可能是煤质孔隙增多的主要原因㊂己㊁庚2组煤样中几乎没有SiO 2,比表面积仅为0．2m 2/g,表明大量的碳酸钙㊁铵云母㊁高岭石矿物质在己㊁庚2组煤的形成过程中几乎没有造孔作用㊂结合接触角数据发现,比表面积越大,接触角越小,润湿性越好,比表面积与润湿性能呈正相关㊂因为比表面积越大,水在煤体孔隙㊁裂隙内的毛细运动和分子扩散越快,润湿性能越好㊂扫描电镜测试采用平煤国家重点实验室的飞纳台式扫描电镜Phenom Pure 测试表面形貌,选取10000倍扫描观察记录㊂分辨率优于25nm,CeB 6灯丝,抽真空时间小于15s,背散射电子探测器㊂取丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤样用导电胶固定于样品台,利用SBC -12型离子溅射仪溅射喷金处理,放入样品杯后进行测试㊂4组煤层煤样放大10000倍的表面形貌如图2所示㊂图2㊀10000倍下各组煤样表面形貌Fig．2㊀Surface morphology of each coal sample in 10000times由图2可知,煤基质存在很多微裂隙结构,且煤基质表面有典型的贝壳状断口,在灰黑色的煤基质上分布着呈现亮色的无机矿物颗粒㊂丁㊁戊2组煤样的煤基质较为粗糙疏松,表面孔隙发育,己㊁庚2组煤样的煤基质较为平滑致密,孔隙发育程度远远低于丁㊁戊2组煤样,说明比表面积越小,煤基质越平滑致密,这与文献[28]报道相一致㊂综上分析,无机矿物质SiO 2对煤孔隙结构㊁表面形貌起关键作用,晶粒度较大的SiO 2含量越多,比表面积越大,煤表面越粗糙疏松,润湿性能越好㊂晶粒度较小的碳酸钙㊁铵云母㊁高岭石矿物质,对煤尘表面特征未发现有明显影响㊂1．5㊀煤尘主要官能团分析及对润湿性的影响煤具有非常复杂的分子结构,煤分子以芳香聚合结构为主体,含氧官能团㊁脂肪烃㊁芳香烃㊁含氮官能团㊁含硫官能团等构成其侧支链,煤体表面官能团种类和数量对煤体物理化学性质影响显著[29-31],从而也会间接影响煤尘的润湿特性㊂通过FT -IR 表征实验可以测定煤尘表面官能团种类及含量,采用四川大学分测中心Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪进行测试分析㊂将4种煤尘和KBr 分别在100ħ的真空干燥10h,煤尘与KBr 以1ʒ200的比例混合,在玛瑙研钵中均匀研磨,烘干2h 后制成薄片㊂扫描范围为4000~400cm -1,分辨率为0．09cm -1㊂因煤中多种官能团吸收峰会出现多峰叠合的情况,需要对红外光谱进行分峰解叠拟合㊂对红外光谱进行基线修正后,选用Gaussian 峰形函数进行分峰拟合,得到各官能团吸收峰的峰位㊁峰高及峰面积㊂本文仅考虑煤分子表面的羟基㊁醚键及芳香烃3种典型官能团,选取红外光谱中的3700~3100cm -1波段和1800~1000cm -1波段进行定量分析,3700~3100cm -1波段的官能团主要为羟基,1800~1000cm -1波段则为煤中芳香烃及大部分主要含氧官能团的伸缩振动区㊂丁㊁戊㊁己㊁庚4组煤样的分峰拟合结果如图3所示㊂图3中各组煤样特征峰位置基本一致,表明平顶山矿区4组煤样所含官能团种类相似度高㊂4组煤在波段大于3600cm -1时,均出现了3个较为明显的吸收峰,属于煤结构中游离羟基的伸缩振动㊂3400cm -1附近出现的吸收峰属于煤中缔合型羟基的伸缩振动,包括酚㊁醇㊁羧酸㊁过氧化物㊁水中羟基的伸缩振动㊂1600cm -1附近的显著吸收峰为芳香烃中 CC 的伸缩振动,该峰的峰面积反映了煤中芳香环的含量,1600~1700cm -1波段也是烯烃中 CC 的振动区,但含量相对较低㊂在1400~1000cm -1波段,由于C O 醚键的类似性,出现了较宽的叠合峰,在1150~1060cm -1波数内的吸收峰属于脂肪醚键,1270~1230cm -1波数内的吸收峰属于芳香醚键㊂表4为4组煤尘中羟基㊁芳香烃CC 键㊁烯烃CC 键㊁醚键对应吸收峰的峰面积计算结果㊂戊组的羟基波峰峰面积最大,较其他3组,戊组煤分子结618第3期张建国等:煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探以平顶山矿区为例图3㊀峰值拟合结果Fig．3㊀Fitting results of peak splitting构中有更多的羟基分布㊂羟基为极性亲水基团,煤分子主体为低极性的碳骨架,侧链中存在的羟基使水分子更易吸附从而提高其亲水性,在纯水接触角实验中戊组的接触角明显小于其他3组,且液滴铺展较快,表明更多的羟基分布增大了戊组的亲水性,使得煤分子更易被水润湿㊂芳香骨架构成了煤体的主体结构,因官能团极性弱,芳香烃表现为疏水性,根据吸收峰面积计算结果,4组煤样芳香烃含量较其他官能团相比更高,戊组中的芳香环数量明显高于其他3组,但却表现出很好的亲水性,表明煤尘润湿性是多种影响因素共同作用的结果㊂脂肪醚键与芳香醚键吸收峰峰面积比可代表2种基团的比例,在4组煤样中,脂肪醚键特征峰面积均高于芳香醚键,这表明在平煤矿区4组煤分子中718煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷的主要C O醚键类型为脂肪醚键㊂含氧官能团与脂肪烃等碳骨架基团相比,具有更高的极性,因而是水分子的优先吸附点位㊂亲水性含氧官能团的存在可以提高表面润湿性,综合羟基和醚键2种含氧官能团来看,戊组中羟基和醚键的含量是最高的,润湿性最好,而己组煤尘表面含量最低,润湿性最差㊂表4㊀官能团吸收峰峰面积Table4㊀Absorption peak areas of functional groups煤样羟基芳香烃C C烯烃C C脂肪醚键丁0．75950．6750 0．7757戊1．10991．3242 1．2662己0．06460．44800．03460．1511庚0．27480．51190．04360．53982㊀基于分子动力学煤尘润湿机理探索前文基于工业分析㊁无机矿物成分含量㊁比表面积㊁含氧官能团等微细观结构测试,从定性角度系统探讨了煤尘润湿性能的多因素影响机制,还需进一步探索煤尘润湿机理㊂通过煤样FT-IR分析结果,发现4组煤样中含氧官能团的主要区别在于羟基与醚键数量,而煤表面含氧官能团复杂多样,羟基与醚键数量对煤尘润湿性微观机理的影响尚未明确㊂因此,基于分子动力学(MD,Molecular Dynamics)方法,采用美国Accelrys 公司开发的Materials Studio(MS)2019软件中的For-cite模块进行MD模拟,进一步探究了经不同数量羟基与醚键修饰后煤表面对水分子吸附过程的影响机理㊂2．1㊀MD模拟方法煤的大分子结构十分复杂,煤化学研究认为,煤是由结构相似的 基本结构单元 通过桥键连接而成[32]㊂将含氧官能团接枝到石墨烯片层结构上,该结构与煤㊁碳表面骨架结构具有相似性,常被用作煤表面结构模型[33-35]㊂为研究不同数量羟基与醚键对水分子吸附过程的影响,分别采用数量为0,2,12, 24,36的羟基和醚键对煤表面模型进行修饰,表面建模结构如图4所示㊂结构优化后的水分子㊁羟基㊁醚键结构如图5所示㊂采用AC(Amorphous Cell)模块构建包含1000个水分子的水分子层,通过Forcite模块中的Anneal 退火算法及NVT系综动力学模拟对其进行结构弛豫,再启动Forcite模块中的Geometry Optimization任务进行能量最小化㊂利用Build Layer建立水分子在煤表面上的吸附构型,为消除周期性结构对煤表面模型的影响,在系统上方添加约2nm真空层㊂图4㊀煤表面模型结构Fig．4㊀Structure of the coal surface图5㊀水分子及含氧官能团结构Fig．5㊀Molecular structure of water and functional groups818第3期张建国等:煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探 以平顶山矿区为例㊀㊀模拟过程均采用COMPASS 力场[36]㊂长程静电作用和范德华作用的求和计算分别采用Ewald 和At-om based 方法,截断半径为1．25nm㊂选择Nosé控温方式,将吸附构型能量最小化后得到初始模型,启动Forcite 模块中的Dynamic 任务,选择NVT 系综,时间步长设置为1．0fs㊂在MD 模拟过程中,保持煤表面固定,模拟总时长为1ns,其中前500ps 用于使体系达到平衡,后500ps 用于相互作用能㊁径向分布函数等动力学计算结果分析㊂2．2㊀相互作用能相互作用能可以用来评价煤与水分子之间的相互作用强度,分析能量组成可以判断水分子在煤表面上的吸附方式,从能量角度来看,相互作用能的绝对值越大,吸附作用越强,吸附后体系的稳定性越高㊂值得注意的是,本文所计算相互作用能仅代表水分子与煤表面的相互作用强弱,并不等同于热力学上的吸附能㊂水分子在煤表面上的相互作用能通过式(2)计算:E int =E total -E coal -E water(2)其中,E int 为水分子与煤表面之间的相互作用能,kJ /mol;E total 为系统达到平衡后的总能量,kJ /mol;E coal 为煤表面模型的能量,kJ /mol;E water 为水的能量,kJ /mol㊂除总相互作用能外,用相同方法计算了系统的范德华相互作用能(E vdw )和静电相互作用能(E elec ),并计算了E vdw 和E elec 的能量占比,结果见表5㊂表5㊀各体系中煤表面与水分子之间的相互作用能Table 5㊀Interaction energy between coal surface and water官能团数量E int /(kJ㊃mol -1)E vdw /(kJ㊃mol -1)E vdwE int /%E elec /(kJ㊃mol -1)E elecE int/%0-127．97-118．9592．952-156．60-118．2775．52-29．2718．69羟基12-261．83-80．9430．91-171．5865．5324-308．74-82．4226．70-216．7370．2036-391．30-39．059．98-342．4287．502-141．16-120．4185．30-11．598．21醚键12-156．49-104．5166．78-42．1326．9224-178．23-87．1748．91-80．3745．0936-155．93-75．8248．63-68．5843．98㊀㊀由表5可知,相互作用能均为负值,说明水分子在煤表面上的吸附过程是自发进行的㊂随着煤表面羟基数量增加,系统相互作用能由-127．97kJ /mol 逐渐降低到-391．30kJ /mol,说明羟基数量调控着煤表面的润湿性,且随着羟基数量的增加,煤表面润湿性能增强,表面羟基数量正相关于吸附水分子能力㊂随着醚键数量增加,相互作用能先由-127．97kJ /mol 降至-178．23kJ /mol,后增大到-155．93kJ /mol,且均大于相同数量羟基修饰的煤表面模型,说明羟基修饰煤表面对水分子的吸附作用更强,更有利于煤表面润湿㊂而醚键修饰的煤表面模型,由于 CH 3数量的增加,阻碍了水分子与煤表面的充分接触,导致煤表面醚键数量吸附水分子能力存在极大值㊂无修饰的煤表面模型中范德华相互作用远大于静电相互作用,而煤表面与水分子之间几乎没有静电相互作用,当进行MD 模拟后,水分子之间形成氢键,从而使其难以吸附在煤表面㊂随着羟基与醚键数量增加,范德华相互作用逐渐减小,羟基修饰煤表面的静电相互作用逐渐降至-342．43kJ /mol,醚键修饰煤表面的静电相互作用先降至-80．37kJ /mol 后增大到-68．58kJ /mol㊂根据范德华相互作用与静电相互作用的能量占比,说明经羟基修饰后的煤表面自由能增大,与水分子易形成氢键作用,影响了煤表面对水分子的吸附行为㊂经醚键修饰后的煤表面与水分子也形成氢键作用,但数量增加到一定程度后, CH 3阻碍了水分子与醚键形成氢键的能力,使得煤表面自由能先增大后减小㊂2．3㊀氢键作用经羟基与醚键修饰的煤表面可以与水分子通过氢键发生作用,为了更好的研究氢键的形成,采用氢键几何标准:分子间氢-受体之间的距离小于0．25nm,供体-氢-受体之间的角度大于135ʎ㊂经羟基和醚键修饰的煤表面与水分子形成的氢键统计结果见表6㊂918。
环保抑尘剂配方
环保抑尘剂一般主要是一些防尘的多环芳烃类、表面活性剂、发泡剂
等组成。
1、多环芳烃类：主要包括二苯咪唑、联苯咪唑、氧代苯并咪唑、萘
甲醛等，这些物质具有良好的抗表面张力和粘度，能有效缓解灰尘的形成，减少尘埃污染问题。
2、表面活性剂：可以有效减少尘埃表面之间的亲护力，增加沉降率，提高细尘聚集的能力和诱导空气中尘埃的沉降速度，大大降低污染物的浓度。
3、发泡剂：发泡剂的作用是增加被粉尘覆盖的物质的面积，使颗粒
间的距离增大，降低粉尘形成的可能性。
4、有机酸类：用于改善灰尘的湿度，增加其粘着性，降低灰尘悬浮
在空气中的时间，从而减少尘埃污染。
通过以上成分及环保抑尘剂的科学配比，可大大减少环境空气污染，
提高空气质量。
煤炭抑尘剂主要成分煤炭抑尘剂是一种用于降低煤炭粉尘排放的化学物质。
它主要由以下几种成分组成：1. 粘结剂：粘结剂是煤炭抑尘剂的重要成分之一。
它能够将煤炭表面的尘埃颗粒粘结在一起，形成一层保护膜，从而减少粉尘的飞扬。
常用的粘结剂有聚合物和胶水等。
2. 润湿剂：润湿剂是煤炭抑尘剂的另一个重要成分。
它能够降低煤炭表面的表面张力，使抑尘剂更容易渗透到煤炭颗粒中，从而增加抑尘剂的附着性和稳定性。
常用的润湿剂有表面活性剂和湿润剂等。
3. 分散剂：分散剂是煤炭抑尘剂的一种辅助成分，它能够将煤炭颗粒分散均匀，使抑尘剂更容易与煤炭表面接触，从而提高抑尘效果。
常用的分散剂有聚合物和表面活性剂等。
4. 抑尘剂：抑尘剂是煤炭抑尘剂的主要成分之一。
它能够与煤炭表面的粉尘颗粒发生化学反应，使其变得湿润和粘稠，从而减少粉尘的扬尘和飞散。
常用的抑尘剂有硅酸盐和有机胺等。
煤炭抑尘剂的主要成分可以根据具体的使用环境和要求进行调整。
在一些特殊情况下，还可以添加一些其他的辅助成分，如防腐剂、消泡剂和pH调节剂等，以提高抑尘剂的稳定性和适应性。
煤炭抑尘剂的主要作用是降低煤炭粉尘的排放量，减少对环境和人体健康的危害。
它可以广泛应用于煤矿、煤炭运输和煤炭加工等领域，有效地改善了工作环境和生活条件。
煤炭抑尘剂主要由粘结剂、润湿剂、分散剂和抑尘剂等成分组成。
它能够降低煤炭粉尘的排放量，减少对环境和人体健康的危害。
在选择和使用煤炭抑尘剂时，需要根据具体的使用环境和要求进行调整，并保证其稳定性和适应性。
通过合理使用煤炭抑尘剂，可以改善工作环境和生活条件，保护环境和人类健康。
Box-Behnken响应面法优化焙烤食品复配防腐剂的研究刘艳芳;丁寅寅
【期刊名称】《现代食品》
【年(卷),期】2024(30)1
【摘要】本研究以纳他霉素、乳酸链球菌素、ε-聚赖氨酸和茄非可食部分生物碱提取液为主要原料,在单因素试验的基础上,采用Box-Behnken响应面法优化确定焙烤食品复配防腐剂最佳配比,并进行验证试验。
结果表明,在纳他霉素浓度为
0.078 g·kg^(-1)、乳酸链球菌素浓度为0.080 g·kg^(-1)、ε-聚赖氨酸浓度为0.060 g·kg^(-1)、茄非可食部分生物碱提取液浓度为14%时,复配防腐剂的抑菌效果最佳。
验证试验分别测定对照组和试验组的菌落总数和霉菌数,对照组的菌落总数、霉菌数明显多于试验组,且试验组未检出霉菌。
【总页数】8页(P71-78)
【作者】刘艳芳;丁寅寅
【作者单位】阜阳职业技术学院城乡建设学院
【正文语种】中文
【中图分类】TS202.3
【相关文献】
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4.响应面法优化烟叶复烤润叶工艺
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热带假丝酵母菌溶煤培养基的响应面优化煤是由埋藏在地层下的古代植物残骸经历了一系列生物化学和物理化学变化而逐渐形成的，因此，煤中仍或多或少的保留着成煤植物残体中的木质素和多环芳烃类物质结构[1-2]。
微生物溶煤是利用微生物来实现煤中多环芳烃及其脂肪链的断裂、降解，使煤大分子转化为小分子物质，并最终溶解于水[3-6]。
自20世纪80年代有研究者发现一些微生物可将煤溶解为黑色液滴以来，科学工作者对微生物溶煤进行了广泛的研究，为实现煤的洁净高效利用开辟了一条可行之路，具有工艺简单、低能耗、无污染等许多常规处理技术难以比拟的优越性，引起了国内外学者的广泛关注[7-8]。
随着微生物溶煤研究的不断深入，许多科研工作者提出了不同的溶煤机理：碱性溶煤机理、螯合物溶煤机理、表面活性剂溶煤机理、酯酶降解机理和过氧化物酶降解机理等。
但无论是何种机理，无外乎是微生物利用培养基中的碳源、氮源、无机盐、微量元素等营养物质，代谢产生一些无机物或者有机物，而这些物质具有溶解或降解煤的特性。
因此微生物溶煤研究中培养基的营养物质种类、含量及比例，不仅影响着微生物的代谢过程和胞外物质的分泌，还对于溶煤效果的高低至关重要。
本实验利用热带假丝酵母菌对神府煤进行微生物溶煤实验，以液态溶煤所得黑色发酵液在450 nm处的吸光度为响应值，采用单因素实验筛选出最佳氮源，再利用析因实验和响应面分析实验对溶煤培养基进行优化，采用多元二次回归拟合出方程，从而获得培养基各营养物质的最佳配比，对含有溶煤产物的黑色发酵液加酸沉淀，获得溶煤产物，并对溶煤产物进行紫外和红外光谱分析。
1材料与方法1.1实验菌种实验所用菌种，热带假丝酵母菌（Candida tropicalis，CICC 1463）为球状真菌，具有较强的降解苯酚和脂肪烃的能力，购自中国微生物菌种保藏管理中心（CICC），采取甘油保藏法将菌种保存于-4 ℃冰箱中。
1.2煤样实验用煤样为神府长焰煤，首先将煤粒用圆盘式粉碎机粉碎，再筛分得到不同粒度级的原煤，选择粒度级为0.045～0.075 mm的原煤进行氧化预处理，获得实验所用的氧化煤样。
