碱活化过硫酸钾溶液浸泡对焦煤润湿性及孔结构的影响

作者：戴俊; 张宇桢; 杨娟^*; 许雷斯; 魏建平

来源：煤炭学报, 2023, 1-14.

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2023.0845

• 煤润湿性
• 毛细反渗透
• 红外峰值拟合
• 孔层状煤分子结构模型
• 增润机理

为改善焦煤润湿性、探究煤样增润机理，本研究采用煤样毛细反渗透实验优选碱活化的过硫酸钾溶液(AAP)组成，结合AAP浸泡实验前后煤样的红外光谱峰值拟合结果及煤样表面各官能团相对含量变化，使用Materials Studio软件的Sorption模块构建孔层状煤分子结构模型，以此模拟水分子在煤表面的吸附状态，系统研究AAP浸泡对煤样表面接触角θ、反渗透高度、官能团含量变化、孔隙结构、瓦斯吸附常数及水分子在煤表面吸附状态的影响规律。结果表明：当过硫酸钾质量分数为1.5%、氢氧化钠质量分数为0.5%、温度为30℃时，AAP浸泡对焦煤煤样的润湿性改善最为显著，处理后煤样反渗透高度达10.3 cm，与煤样表面接触角θ由96.32°显著降低至48.51°(降幅达49.64%)的增润趋势相一致；AAP处理后焦煤煤样表面的OH-π和环羟基含量分别由9.22%、13.43%增至17.25%、24.39%，在各官能团中其含量改变最为显著，因OH-π和环羟基易与水分子形成氢键，其含量增加有助于改善煤样润湿性；MS模拟显示AAP处理后水分子的平均吸附热由16.11 kJ/mol提升至19.57 kJ/mol，水分子吸附量由48.6 H2O/晶胞提升至53 H2O/晶胞，处理后煤样在较低压力下即可吸附大量水分子，该特性有利于提升矿井喷雾降尘和煤层注水增润效果。同时，AAP含有的SO4·-和·OH能氧化溶蚀煤中有机小分子相，使煤中原生的微小孔孔径变大、微小孔数量减少，最佳组成AAP处理后煤样的微小孔平均孔径增幅达44.64%、比表面积降幅达65.48%；瓦斯吸附常数a值降幅为12.01%、b值降幅为19.27%，即AAP浸泡在显著改善煤样润湿性的同时能有效降低甲烷吸附量，可为煤层注水降尘防突技术的发展提供理论借鉴。

• 单位
  河南理工大学