离子液体对煤尘表面润湿性能影响的试验研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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 suc
6、h 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 inf
7、luence 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
8、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 origina
9、l 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 a
10、lso 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、。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
17、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
18、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%
19、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
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