3试验结果及分析

3.1接触角与表面张力测试结果与分析

3.1.1接触角测试结果与分析

将经过不同浓度表面活性剂处理后的煤样片依次放置在接触角测量仪的样品台，采用蒸馏水作为滴定溶液，分别测定其接触角，如图2所示。

图2接触角的测定

如图2所示，FC117和FC134两种表面活性剂均实现了煤体润湿性的反转。当表面活性剂浓度从0增加至0.5%时，接触角逐渐增加，并在溶液浓度为0.5%时，润湿性由液润湿向气润湿的转变(接触角大于90°)；表面活性剂溶液浓度继续增加，接触角不再增加，维持在一个相对稳定的范围，甚至出现小幅度地下降。出现煤样接触角变化规律的主要原因为

1)当表面活性剂浓度从0增加至0.5%时，FC117和FC134两种表面活性剂处理后的煤体表面接触角增加速率较快。在该阶段，表面活性剂分子较少，能够有序的吸附在煤体表面，表面活性剂分子中的亲水基团朝着在煤体表面的方向吸附；疏水基团朝着远离煤体表面的方向，并将抑制周围水分子在煤体表面的吸附。随着表面活性剂浓度的增加，煤体表面吸附的表面活性剂分子逐渐增加，疏水基团在煤体表面抑制水分子的能力逐渐提高，煤体表面接触角也逐渐增大。

2)当表面活性剂浓度等于0.5%时，煤体表面吸附的表面活性剂分子趋于饱和，疏水基团在煤体表面抑制水分子的能力达到顶峰，煤体表面接触角也逐渐达到最大值；若继续增加表面活性剂浓度，多余的表面活性剂分子与正常吸附在煤体表面活性剂分子发生紊乱，疏水基团之间产生吸附、缠绕，使得多余表面活性剂分子中的亲水基团朝向背离煤体表面的方向，对水分子产生吸附作用，进而降低了煤体表面是疏水能力，煤体表面接触角会产生小幅度地降低。

3.1.2表面张力测试结果与分析

将经过不同浓度表面活性剂溶液分别装至用于滴定装置的注射器中，利用悬滴法对表面活性剂溶液进行表面张力的测定。每次滴定工作结束之后使用蒸馏水进行多次冲洗，避免测定溶液对待测溶液的结果产生影响，见表2。

表2表面张力的测定

由表2可知，随着FC117和FC134两种表面活性剂溶液浓度的增加，溶液的表面张力先迅速降低，再逐渐趋于稳定。当表面活性剂浓度从0增加至0.2%时，表面张力从初始的73 mN/m分别降至23.124 mN/m和19.07 mN/m，表面张力大幅度地降低；当表面活性剂浓度从0.2%增加至1.5%时，表面张力变化幅度较小，保持着较小程度的降低，并趋于稳定。

综上分析，对FC117和FC134两种表面活性剂从接触角和表面张力两个方面进行性能测定，两种表面活性剂均具有疏水性、低表面张力的性能，符合预期的效果。其中，当两种表面活性剂溶液浓度为0.5%时，可以实现煤样表面润湿性的转变，并具有较低的表面张力。因此，在后续的煤样解吸试验中，可将溶液浓度为0.5%的表面活性剂作为对解吸试验所用的煤样进行处理的最佳使用浓度。

3.2干燥煤样解吸特征的结果与分析

根据2.4节试验步骤中的2)～5)，其中，2种表面活性剂溶液的使用浓度设置为0.5%。依次对气润湿反转剂处理前后的煤样进行不同吸附平衡压力条件下的吸附试验。根据《煤的甲烷吸附量测定方法》，计算充入煤样罐中的甲烷量Qci和吸附平衡后剩余空间的游离甲烷量Qdi，其表达式分别为

式中，Qci为充入煤样罐的甲烷标准体积，cm3；P1i,P2i为分别为充气前后参考罐内绝对压力，MPa；Z1i,Z2i分别为P1,P2压力下及t1时甲烷的压缩系数，1/MPa；t1为室内温度，℃；V0为参考罐及连通管标准体积，cm3；Vd为剩余体积，cm3；t3为试验温度，℃；

充入煤样罐的甲烷量扣除煤样罐中剩余体积的游离甲烷量即为压力段内煤样吸附甲烷量ΔQi：

ΔQi=Qci-Qdi(4)

每克煤压力段内的吸附量为

式中，Gr为煤样可燃物质量，g。

通过计算得到气润湿反转剂处理前后干燥煤样在不同吸附平衡压力条件下的吸附量，如图3所示。

图3干燥煤样吸附量

由图3可知，随着甲烷吸附平衡压力的增加，气润湿反转剂处理前后煤样的吸附量均逐渐增加，且增加量均呈现逐渐减小趋势。经过气润湿反转剂FC117和FC134处理后的煤样吸附量始终小于未处理的煤样。其中，产生该现象的原因主要为：一方面，气润湿反转剂分子自身占有一定的体积，随水溶液一同进入煤体内部。在干燥过程中，水分通过蒸发作用排出煤体，而气润湿反转剂分子则滞留在煤体内部，进而减小甲烷分子的吸附空间；另一方面，气润湿反转剂具有低表面张力的特性，在吸附在煤体内部孔隙裂隙的表面，降低其表面自由能，减小对甲烷分子的吸附能力，进而使得吸附量下降。