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咪唑類離子液體對(duì)不同煤塵潤(rùn)濕性能的影響規(guī)律（上）
來(lái)源：礦業(yè)安全與環(huán)保 瀏覽 361 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-28
職業(yè)安全健康問(wèn)題嚴(yán)重制約“健康中國(guó)”戰(zhàn)略發(fā)展。我國(guó)是世界上接觸粉塵和患?jí)m肺病人數(shù)最多的國(guó)家，截至2019年底，我國(guó)累計(jì)報(bào)告職業(yè)性塵肺病90多萬(wàn)例，其中矽肺和煤工塵肺占89.8%，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3 000億元。現(xiàn)階段，煤礦多采用煤層注水、噴霧降塵等技術(shù)開(kāi)展除塵工作，但由于煤的表面張力比水小，疏水性煤塵潤(rùn)濕效果不好，微米級(jí)粉塵的除塵率低，導(dǎo)致各產(chǎn)塵環(huán)節(jié)除塵效果很不理想。
煤塵潤(rùn)濕是液體分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、煤塵顆粒表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及固液兩相分子間相互作用等微觀特性的宏觀表現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)活性水溶液高效降塵性能進(jìn)行了大量的研究。程衛(wèi)民等建立了煤塵接觸角與表面官能團(tuán)之間的定量關(guān)系；金龍哲等優(yōu)選氯化鈣、氯化鎂和曲拉通作為基料優(yōu)化了抑塵劑配方；SHOBHANA D指出表面活性劑吸附于煤表面非極性部分能提高親水性，而吸附于極性部分和礦物質(zhì)表面則減弱了親水性；張京兆等研究發(fā)現(xiàn)，陰離子單一溶液比非離子、兩性離子單一溶液對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性高；SHI G Q得出脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇800和十二烷基苯磺酸鈉的復(fù)配比為3∶1∶1時(shí)可實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)；LI P等揭示了NaCl和Na2SO42種無(wú)機(jī)鹽對(duì)抑塵劑在煤塵表面潤(rùn)濕性能的影響規(guī)律；周群等得出霧化效果、表面張力與不同表面活性劑及復(fù)配質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系；蔣仲安等以潤(rùn)濕高度和表面張力為評(píng)價(jià)指標(biāo)研發(fā)新型表面活性劑；周剛等揭示了不同變質(zhì)程度煤塵微觀分子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)潤(rùn)濕性的影響規(guī)律；翁安琦等發(fā)現(xiàn)濃度均為0.05%的仲烷基磺酸鈉和椰油酰胺二乙醇胺的復(fù)配溶液對(duì)煤的潤(rùn)濕性最好。
相比傳統(tǒng)表面活性劑，離子液體具有易溶解、無(wú)污染等獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，但現(xiàn)有的研究成果僅局限在表面活性劑對(duì)煤塵潤(rùn)濕方面，針對(duì)離子液體對(duì)煤潤(rùn)濕性影響的研究還處于空白階段。鑒于此，筆者以焦煤、褐煤、長(zhǎng)焰煤3種煤樣為研究對(duì)象，從離子液體潤(rùn)濕機(jī)理著手，選取1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim][Cl])、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Bmim][BF4])、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([Emim][BF4])3種咪唑類離子液體進(jìn)行潤(rùn)濕特性試驗(yàn)，探究咪唑類離子液體對(duì)不同煤塵潤(rùn)濕性能的影響規(guī)律，旨在為煤礦作業(yè)環(huán)境革命和保障礦工職業(yè)生命全周期職業(yè)安全健康提供新思路。
1.試驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)樣品
選取不同變質(zhì)程度的褐煤、焦煤及長(zhǎng)焰煤，將煤樣放入球磨機(jī)中粉碎，并通過(guò)篩網(wǎng)過(guò)濾出粒徑在0.074 mm(200目)以上的煤粉，置于45℃真空干燥箱中干燥24 h后放入密封袋中低溫、避光保存。利用全自動(dòng)工業(yè)分析測(cè)定儀對(duì)3種煤樣的水分、灰分和揮發(fā)分進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算固定碳，其工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。
1.2試驗(yàn)設(shè)備和方案
表面張力和接觸角是評(píng)判活性水溶液對(duì)煤塵潤(rùn)濕性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)所用儀器有球磨機(jī)、真空干燥箱、標(biāo)準(zhǔn)篩、電子天平、壓片機(jī)、磁力加熱攪拌器、表面張力儀、接觸角測(cè)量?jī)x。
具體試驗(yàn)過(guò)程如下：
1)表面張力測(cè)試。在室溫為25℃的環(huán)境中，利用電子天平將[Emim][BF4]、[Bmim][Cl]、[Bmim][BF4]分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%的活性水溶液，測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下離子液體溶液的表面張力3次，取平均值。
2)接觸角測(cè)試。利用電子天平稱取210 mg干燥煤樣放入壓片模具，將模具放在壓片機(jī)上，在20 MPa壓力下壓3 min，然后將煤片取出備用；利用接觸角測(cè)定儀測(cè)定煤樣的接觸角3次，取平均值。
3)根據(jù)以上表面張力和接觸角的測(cè)定結(jié)果，計(jì)算活性水溶液在不同煤樣表面的鋪展系數(shù)。以此評(píng)價(jià)3種咪唑類離子液體對(duì)煤樣的潤(rùn)濕性能。
4)取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的3種離子液體按照陽(yáng)、陰離子不同復(fù)配成A、B 2組活性水溶液，A組為陽(yáng)離子相同、陰離子不同的[Bmim][BF4]和[Bmim][Cl]復(fù)配溶液，B組為陽(yáng)離子不同、陰離子相同的[Bmim][BF4]和[Emim][BF4]復(fù)配溶液。A、B 2組溶液的復(fù)配質(zhì)量比為6∶0、5∶1、4∶2、3∶3、2∶4、1∶5、0∶6。分別對(duì)A、B 2組復(fù)配溶液進(jìn)行表面張力和接觸角試驗(yàn)。
2.離子液體溶液對(duì)煤塵潤(rùn)濕性能的影響
2.1離子液體表面張力的變化情況
表面張力是離子液體的一種特性，表面張力越小，離子液體對(duì)煤的潤(rùn)濕性越好[18]。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)離子液體表面張力測(cè)試結(jié)果如圖1所示，3種離子液體表面張力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況如圖2所示。
圖1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)離子液體表面張力測(cè)試結(jié)果
圖2表面張力與離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系
由圖1、圖2可以看出：
1)添加離子液體的活性水溶液的表面張力明顯低于純水(72.8 mN/m)，且活性水溶液的表面張力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸降低，這說(shuō)明活性水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性越顯著。其原因是陽(yáng)離子[Emim]+和[Bmim]+能有效屏蔽陰離子[BF4]-、Cl-之間的靜電作用，促進(jìn)陰離子[BF4]-、Cl-在氣—液界面之間的吸附和聚集，從而使離子液體更容易在溶液表面富集。
2)在離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大到一定階段后，表面張力逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大到一定值時(shí)，陰陽(yáng)離子形成膠束，此時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大對(duì)表面張力的影響較小。分析得出3種離子液體單一溶液對(duì)降低表面張力的能力大小為[Emim][BF4]>[Bmim][BF4]>[Bmim][Cl]。
2.2不同離子液體對(duì)煤塵接觸角的影響
對(duì)于光滑的煤樣，離子液體對(duì)煤樣的潤(rùn)濕程度采用接觸角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。3種煤樣的接觸角與不同離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖3所示。
圖3各煤樣接觸角與離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系
由圖3可以看出：
1)添加離子液體后，各活性水溶液接觸角均小于純水，隨著離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，3種活性水溶液的接觸角都迅速減小。這是因?yàn)殡x子液體能迅速與煤塵表面形成較強(qiáng)的分子間作用力，咪唑環(huán)上的H原子、烷基側(cè)鏈上的H原子均可與煤中的—OH、—COOH等基團(tuán)形成氫鍵，破壞煤中原有氫鍵，同時(shí)其正負(fù)電子轉(zhuǎn)移到煤表面，破壞煤中共價(jià)鍵，提高離子液體對(duì)煤的溶解能力。
2)當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到某個(gè)特定值之后，離子液體中的官能團(tuán)與煤中基團(tuán)達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，溶液接觸角的變化開(kāi)始減緩。將3種煤樣的接觸角進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)焰煤和褐煤的親水能力大于焦煤，這可能與煤中親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的含量有關(guān)?；钚运芤涸陔x子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)接觸角大小排序?yàn)閇Emim][BF4]>[Bmim][BF4]>[Bmim][Cl]。
3)由接觸角和表面張力試驗(yàn)結(jié)果可知，相同陽(yáng)離子[Bmim]+條件下，陰離子[BF4]-比[Cl]-對(duì)煤樣的潤(rùn)濕作用能力更強(qiáng)。相同陰離子[BF4]-條件下，陽(yáng)離子[Emim]+比[Bmim]+對(duì)煤樣的潤(rùn)濕作用能力更強(qiáng)。這是因?yàn)閇Emim]+烷基側(cè)鏈多了2個(gè)亞甲基(—CH2)，而—CH2含量與接觸角的大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此，推測(cè)離子液體中某些基團(tuán)的含量、類別和位置破壞了煤的活性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而溶解分散煤體，增強(qiáng)煤塵的潤(rùn)濕性。