离子液体对煤尘表面润湿性能影响的试验研究.pdf

扫码阅读下载高嘉慧,陈曦,范超男,等.离子液体对煤尘表面润湿性能影响的试验研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):7-12.GAO Jiahui,CHEN Xi,FAN Chaonan,et al.Experimental study on the effect of ionic liquid on surface wettability of coal dustJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):7-12.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.002离子液体对煤尘表面润湿性能影响的试验研究高嘉慧,陈 曦,范超男,葛少成(太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 030024)摘要:为了解决疏水性煤尘难润湿、微米级粉尘降尘率较低等难题,选取 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BmimCl)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BmimBF4)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EmimBF4)3 种咪唑类离子液体,开展不同变质程度的煤尘表面润湿特性试验研究,分析不同阳、阴离子数的复配活性水溶液对煤尘润湿性能的影响规律。结果表明,阳离子Emim+和Bmim+能有效屏蔽阴离子BF4-、Cl-之间的静电相互作用,促进阴离子在气液界面之间的吸附和聚集,致使表面张力、接触角均随活性水溶液的离子液体质量分数的增大而逐渐降低;咪唑阳离子侧链上的 H 原子与煤中的OH、COOH 等基团形成氢键,破坏了煤中原有氢键,提高了离子液体对煤的溶解能力,长焰煤的润湿效果最好,褐煤次之,焦煤最差;复配后的活性水溶液通过破坏煤中官能团增强了对煤结构的溶解能力,降低了水的表面张力并提高溶液的润湿能力,复配溶液实现了协同增润作用,可为开发新型润湿剂提供新的思路和方向。关键词:离子液体;表面张力;接触角;润湿性能;复配溶液;煤尘中图分类号:TD714.4;X964 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0007-06收稿日期:2022-04-07;2022-04-20 修订基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(52174195,51704145);山西省基础研究计划项目(20210302123122)作者简介:高嘉慧(1997),女,山西吕梁人,硕士,主要从事矿井粉尘防治方面的研究工作。E-mail:。通信作者:陈 曦(1987),男,辽宁瓦房店人,博士,副教授,主要从事矿井通风与粉尘防治方面的研究工作。E-mail:chenxi01 。Experimental study on the effect of ionic liquid on surface wettability of coal dustGAO Jiahui,CHEN Xi,FAN Chaonan,GE Shaocheng(College of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to solve the problems of difficult wetting of hydrophobic coal dust and low dust reduction rate of micron dust,three kinds of imidazole ionic liquid such as 1-Butyl-3-methylimidazolium chloride salt(BmimCl),1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate(BmimBF4)and 1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate(EmimBF4)were selected to study the surface wetting characteristics of coal dust with different degrees of metamorphism and to analyze the influence of compound reactive aqueous solution with different cation and anion numbers on wettability of coal dust.The results show that cation Emim+and anion Bmim+can effectively shield the electrostatic interaction between anion BF4-and Cl-and promote the adsorption and aggregation of anions at the gas-liquid interface,resulting in the surface tension and contact angle gradually decrease with the increase of the mass fraction of ILs of the active aqueous solution.H atom on the side chain of imidazole cation forms a hydrogen bond with-OH,-COOH,and other groups in coal,which destroys the original hydrogen bond in coal and improves the solubility of ILs to coal.Long flame coal has the strongest wettability,followed by lignite coal,and coking coal has the worst.Compound active aqueous solution can not only enhance the solubility of coal structure by destroying functional groups in coal,but also improve the wettability of solution by reducing the surface tension of water,which enhances the synergistic wetting ability and provides a new idea and direction for the development of new wetting agents.Keywords:ionic liquid;surface tension;contact angle;wettability;compound solution;coal dust 职业安全健康问题严重制约“健康中国”战略发展。我国是世界上接触粉尘和患尘肺病人数最多的7第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023国家,截至 2019 年底,我国累计报告职业性尘肺病90 多万例,其中矽肺和煤工尘肺占 89.8%,每年造成的经济损失高达 3 000 亿元1-2。现阶段,煤矿多采用煤层注水、喷雾降尘等技术开展除尘工作,但由于煤的表面张力比水小,疏水性煤尘润湿效果不好,微米级粉尘的除尘率低,导致各产尘环节除尘效果很不理想3-4。煤尘润湿是液体分子结构和性质、煤尘颗粒表面结构和性质,以及固液两相分子间相互作用等微观特性的宏观表现5-6。国内外科研人员对活性水溶液高效降尘性能进行了大量的研究。程卫民等7-8建立了煤尘接触角与表面官能团之间的定量关系;金龙哲等9优选氯化钙、氯化镁和曲拉通作为基料优化了抑尘剂配方;SHOBHANA D10指出表面活性剂吸附于煤表面非极性部分能提高亲水性,而吸附于极性部分和矿物质表面则减弱了亲水性;张京兆等11研究发现,阴离子单一溶液比非离子、两性离子单一溶液对煤尘的润湿性高;SHI G Q12得出脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇 800 和十二烷基苯磺酸钠的复配比为 3 1 1 时可实现最强的协同效应;LI P等13揭示了 NaCl 和 Na2SO42 种无机盐对抑尘剂在煤尘表面润湿性能的影响规律;周群等14得出雾化效果、表面张力与不同表面活性剂及复配质量分数之间的关系;蒋仲安等15以润湿高度和表面张力为评价指标研发新型表面活性剂;周刚等16揭示了不同变质程度煤尘微观分子结构参数对润湿性的影响规律;翁安琦等17发现浓度均为 0.05%的仲烷基磺酸钠和椰油酰胺二乙醇胺的复配溶液对煤的润湿性最好。相比传统表面活性剂,离子液体具有易溶解、无污染等独特的物理化学性质,但现有的研究成果仅局限在表面活性剂对煤尘润湿方面,针对离子液体对煤润湿性影响的研究还处于空白阶段。鉴于此,笔者以焦煤、褐煤、长焰煤 3 种煤样为研究对象,从离子液体润湿机理着手,选取 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BmimCl)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BmimBF4)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EmimBF4)3 种咪唑类离子液体进行润湿特性试验,探究咪唑类离子液体对不同煤尘润湿性能的影响规律,旨在为煤矿作业环境革命和保障矿工职业生命全周期职业安全健康提供新思路。1 试验方法1.1 试验样品选取不同变质程度的褐煤、焦煤及长焰煤,将煤样放入球磨机中粉碎,并通过筛网过滤出粒径在0.074 mm(200 目)以上的煤粉,置于 45 真空干燥箱中干燥 24 h 后放入密封袋中低温、避光保存。利用全自动工业分析测定仪对 3 种煤样的水分、灰分和挥发分进行测定,计算固定碳,其工业分析结果如表 1 所示。表 1 煤样的工业分析结果类别Mad/%Aad/%Ad/%Vad/%Vd/%Vdaf/%FCad/%FCd/%褐煤22.9840.3252.3535.2545.7796.061.451.88长焰煤23.1340.0052.0433.7843.9491.613.094.03焦煤0.879.159.2322.8323.0325.3767.1567.741.2 试验设备和方案表面张力和接触角是评判活性水溶液对煤尘润湿性能的重要指标。试验所用仪器有球磨机、真空干燥箱、标准筛、电子天平、压片机、磁力加热搅拌器、表面张力仪、接触角测量仪。具体试验过程如下:1)表面张力测试。在室温为 25 的环境中,利用电 子 天 平 将 Emim BF4、Bmim Cl、BmimBF4 分别配制质量分数为 0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%的活性水溶液,测定不同质量分数下离子液体溶液的表面张力 3 次,取平均值。2)接触角测试。利用电子天平称取 210 mg 干燥煤样放入压片模具,将模具放在压片机上,在 20 MPa 压力下压 3 min,然后将煤片取出备用;利用接触角测定仪测定煤样的接触角 3 次,取平均值。3)根据以上表面张力和接触角的测定结果,计算活性水溶液在不同煤样表面的铺展系数。以此评价 3 种咪唑类离子液体对煤样的润湿性能。4)取质量分数为 2%的 3 种离子液体按照阳、阴离子不同复配成 A、B 2 组活性水溶液,A 组为阳离子相同、阴离子不同的BmimBF4和BmimCl复配 溶 液,B 组 为 阳 离 子 不 同、阴 离 子 相 同 的Bmim BF4 和Emim BF4 复配溶液。A、B 2 组溶液的复配质量比为 6 0、5 1、4 2、3 3、2 4、1 5、0 6。分别对 A、B 2 组复配溶液进行表8Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月面张力和接触角试验。2 离子液体溶液对煤尘润湿性能的影响2.1 离子液体表面张力的变化情况表面张力是离子液体的一种特性,表面张力越小,离子液体对煤的润湿性越好 18。不同质量分数离子液体表面张力测试结果如图 1 所示,3 种离子液体表面张力随质量分数的变化情况如图 2 所示。T e n s i o n：6 2.3 4 8 m N/mT e n s i o n：5 7.3 2 2 m N/mT e n s i o n：5 0.1 5 9 m N/m（a）2%E m i m B F4（b）6%E m i m B F4（c）1 0%E m i m B F4（d）2%B m i m C l（e）6%B m i m C l（f）1 0%B m i m C l（g）2%B m i m B F4（h）6%B m i m B F4（i）1 0%B m i m B F4T e n s i o n：7 2.2 3 7 m N/mT e n s i o n：6 7.3 2 7 m N/mT e n s i o n：6 3.3 9 9 m N/mT e n s i o n：6 6.0 9 6 m N/mT e n s i o n：6 4.8 5 5 m N/mT e n s i o n：6 2.8 2 1 m N/m图 1 不同质量分数离子液体表面张力测试结果图 2 表面张力与离子液体质量分数之间的关系由图 1、图 2 可以看出:1)添加离子液体的活性水溶液的表面张力明显低于纯水(72.8 mN/m),且活性水溶液的表面张力随质量分数的增大而逐渐降低,这说明活性水溶液质量分数越大,对煤尘的润湿性越显著。其原因是阳离子 Emim+和 Bmim+能有效屏蔽阴离子BF4-、Cl-之间的静电作用,促进阴离子BF4-、Cl-在气液界面之间的吸附和聚集,从而使离子液体更容易在溶液表面富集。2)在离子液体质量分数继续增大到一定阶段后,表面张力逐渐趋于稳定。这是由于当质量分数继续增大到一定值时,阴阳离子形成胶束,此时质量分数增大对表面张力的影响较小。分析得出 3 种离子液 体 单 一 溶 液 对 降 低 表 面 张 力 的 能 力 大 小为EmimBF4BmimBF4BmimCl。2.2 不同离子液体对煤尘接触角的影响对于光滑的煤样,离子液体对煤样的润湿程度采用接触角作为评价指标19。3 种煤样的接触角与不同离子液体质量分数之间的关系如图 3 所示。(a)BmimBF4(b)BmimCl(c)EmimBF4图 3 各煤样接触角与离子液体质量分数之间的关系由图 3 可以看出:9第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.20231)添加离子液体后,各活性水溶液接触角均小于纯水,随着离子液体质量分数增大,3 种活性水溶液的接触角都迅速减小。这是因为离子液体能迅速与煤尘表面形成较强的分子间作用力,咪唑环上的H 原子、烷基侧链上的 H 原子均可与煤中的OH、COOH 等基团形成氢键,破坏煤中原有氢键,同时其正负电子转移到煤表面,破坏煤中共价键,提高离子液体对煤的溶解能力。2)当质量分数达到某个特定值之后,离子液体中的官能团与煤中基团达到稳定结构,溶液接触角的变化开始减缓。将 3 种煤样的接触角进行对比发现,长焰煤和褐煤的亲水能力大于焦煤,这可能与煤中亲水基团和疏水基团的含量有关。活性水溶液在离子液体质量分数相同时接触角大小排序为EmimBF4BmimBF4 BmimCl。3)由接触角和表面张力试验结果可知,相同阳离子Bmim+条件下,阴离子BF4-比Cl-对煤样的润湿作用能力更强。相同阴离子BF4-条件下,阳离子Emim+比Bmim+对煤样的润湿作用能力更强。这是因为Emim+烷基侧链多了 2 个亚甲基(CH2),而CH2含量与接触角的大小呈负相关关系。由此,推测离子液体中某些基团的含量、类别和位置破坏了煤的活性结构,进而溶解分散煤体,增强煤尘的润湿性。2.3 不同煤种的活性水溶液铺展系数当溶液滴到煤表面,溶液底部接触到煤表面后逐渐在煤表面铺散开来的过程叫作铺展。铺展系数是表征溶液在煤表面的铺展能力,铺展系数越大,润湿性越强,其计算公式如下20-21:S=sg-sl-gl=gl(cos-1)(1)式中:S 为铺展系数,mN/m;sg、sl、gl分别为气固表面张力、液固表面张力、气液表面张力,mN/m;为离子液体与煤尘表面的接触角,()。根据不同煤种的接触角拟合得出铺展系数与活性水溶液质量分数的关系,如图 4 所示。(a)褐煤(b)长焰煤(c)焦煤图 4 铺展系数与溶液质量分数之间的关系从图 4 可以看出:1)3 种咪唑类离子液体的铺展系数先随溶液质量分数的增大而迅速增大;当质量分数增加到一定程度后,铺展系数逐渐趋于平稳。这是由于离子液体能够破坏煤的物理化学结构,随溶液质量分数的增大,煤表面越发粗糙,孔隙和裂纹数量也随之增加,而煤表面孔隙和裂纹越多,则铺展效果越好;当煤体被完全破坏后,溶液在煤表面铺展随质量分数继续增大变化不大,即铺展系数逐渐趋于稳定。2)EmimBF4溶液的铺展系数明显大于其他 2 种溶液,即EmimBF4溶液在煤表面更易于润湿铺展。这是因为离子液体可以改变煤中官能团含量,EmimBF4溶液的加入可以更高效地增加煤中亲水性官能团含量,减少疏水性官能团含量,提高其在煤表面的铺展能力。3 不同煤种的高效离子液体水溶液复配研究为探究离子液体复配是否会起到增效的作用,即复配溶液对煤的润湿性能是否优于单一溶液。取质量分数为 2%的 3 种离子液体按照阳、阴离子不同复配成 A、B 2 组活性水溶液,复配质量比为 6 0、5 1、4 2、3 3、2 4、1 5、0 6;分别对 A、B 2 组活性水溶液进行表面张力和接触角试验,研究复配01Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月溶液对煤的润湿效果。3.1 复配溶液离子数对表面张力的影响不同复配质量比下 A、B 2 组复配溶液的表面张力变化情况如图 5 所示。图 5 不同复配质量比下溶液表面张力变化情况从图 5 可以看出:1)与纯水相比,复配后的 A、B 2 组溶液的表面张力显著降低,A 组复配溶液的表面张力随不同复配质量比变化不大,B 组复配溶液的表面张力易受复配质量比变化的影响。2)相同阳离子BmimBF4和BmimCl复配溶液,表面张力BF4-略大于Cl-,说明在同种阳离子的情况下,Cl-的表面活性优于BF4-,这是因为Cl-的电负性更强,能够增强液体氢键强度,减弱阴阳离子间库仑力作用,故而表面张力减小。3)相同阴离子复配溶液的表面张力小于相同阳离子复配溶液的表面张力,当相同阴离子复配溶液的复配质量比为 2 4 时,表面张力达到最低值27.62 mN/m,且其表面张力均低于 2 种单一溶液的表面张力,说明该复配溶液的润湿效果最好。推测相同阴离子复配溶液中,不同的两阳离子之间可能产生了协同增润作用。3.2 复合离子液体对煤尘接触角的影响图 6 为 A、B 组复配溶液与 3 种煤样接触角的对比图,不同煤样吸液时间变化情况如图 7 所示。(a)A 组复配溶液(b)B 组复配溶液图 6 不同阳、阴离子复配溶液的接触角变化情况图 7 不同煤样的吸液时间变化情况从图 6、图 7 可以看出:1)与纯水相比,复配后的 A、B 2 组溶液的接触角明显降低,对于焦煤、褐煤、长焰煤,B 组溶液复配质量 比 为 2 4 时 接 触 角 降 低 最 多,分 别 为31.131%,27.969%、14.713%;对于焦煤,A 组溶液复配 质 量 比 为 6 0 时 接 触 角 降 低 最 多,为26.452%,对于褐煤、长焰煤,A 组溶液复配质量比为 1 5 时接触角降低最多,为 25.982%、20.026%。2)对于 3 种煤样,当复配质量比由 6 0 变化到4 2 时,B 组复配溶液吸液作用增强,推测此时Emim+发挥主要作用,其中某些基团可能破坏了煤活性结构,增大 B 组复配溶液对煤的溶解度;但随着复配质量比由 4 2 变化到 0 6 时,A 组复配溶液吸液作用增强,这可能是因为与BF4-比较,Cl-的亲水能力更强,易于形成结合水,提高活性水的润湿能力,推测此时 Cl-发挥主要作用,Cl-含量不断增加,活性水对煤尘的润湿能力不断增强。4 结论1)添加离子液体后,随着活性水溶液中离子液体质量分数增大,表面张力和接触角迅速减小,阴离子BF4-比Cl-对煤样的润湿作用能力更强,阳离11第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023子Emim+比 Bmim+对煤样的润湿作用能力更强;2)3 种咪唑类离子液体的铺展系数随离子液体质量分数的增大而迅速增大,长焰煤的亲水能力最好,而焦煤的亲水能力最差,这与煤中亲水基团和疏水基团的含量有关;3)相同阴离子的复配溶液润湿性优于相同阳离子的润湿性,相同阴离子复配溶液的复配质量比为2 4 时,表面张力达到最低值 27.62 mN/m,对焦煤的接触角降低最多,为 31.131%;4)在一定复配质量比范围内,离子液体既可以通过破坏煤中官能团、共价键等,增强对煤尘结构的溶解能力,也可以通过降低水的表面张力,提高溶液的润湿能力。参考文献(References):1 PENG H T,NIE W,CAI P,et al.Development of a novel wind-assisted centralized spraying dedusting device for dust suppression in a fully mechanized mining face J.Environmental Science and Pollution Research,2019,26(4):3292-3307.2 陈曦,葛少成.诱导气流对转载点雾化特性影响规律的数值模拟与试验J.煤炭学报,2015,40(3):603-608.3 袁亮.煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想J.煤炭学报,2020,45(1):1-7.4 WANG P F,HAN H,TIAN C,et al.Experimental study on dust reduction via spraying using surfactant solutionJ.Atmospheric Pollution Research,2020,11(6):32-42.5 CHEN Y P,XU G,et al.Evaluation of SDBS surfactant on coal wetting performance with static methods:Preliminary laboratory tests J.Energy Sources Part A Recovery Utilization and Environmental 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Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月