職業安全健康問題嚴重制約“健康中國”戰略發展。我國是世界上接觸粉塵和患塵肺病人數最多的國家，截至2019年底，我國累計報告職業性塵肺病90多萬例，其中矽肺和煤工塵肺占89.8%，每年造成的經濟損失高達3 000億元。現階段，煤礦多采用煤層注水、噴霧降塵等技術開展除塵工作，但由于煤的表面張力比水小，疏水性煤塵潤濕效果不好，微米級粉塵的除塵率低，導致各產塵環節除塵效果很不理想。

 煤塵潤濕是液體分子結構和性質、煤塵顆粒表面結構和性質，以及固液兩相分子間相互作用等微觀特性的宏觀表現。國內外科研人員對活性水溶液高效降塵性能進行了大量的研究。程衛民等建立了煤塵接觸角與表面官能團之間的定量關系；金龍哲等優選氯化鈣、氯化鎂和曲拉通作為基料優化了抑塵劑配方；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表面則減弱了親水性；張京兆等研究發現，陰離子單一溶液比非離子、兩性離子單一溶液對煤塵的潤濕性高；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配比為3∶1∶1時可實現最強的協同效應；LI P等揭示了NaCl和Na2SO42種無機鹽對抑塵劑在煤塵表面潤濕性能的影響規律；周群等得出霧化效果、表面張力與不同表面活性劑及復配質量分數之間的關系；蔣仲安等以潤濕高度和表面張力為評價指標研發新型表面活性劑；周剛等揭示了不同變質程度煤塵微觀分子結構參數對潤濕性的影響規律；翁安琦等發現濃度均為0.05%的仲烷基磺酸鈉和椰油酰胺二乙醇胺的復配溶液對煤的潤濕性最好。

 相比傳統表面活性劑，離子液體具有易溶解、無污染等獨特的物理化學性質，但現有的研究成果僅局限在表面活性劑對煤塵潤濕方面，針對離子液體對煤潤濕性影響的研究還處于空白階段。鑒于此，筆者以焦煤、褐煤、長焰煤3種煤樣為研究對象，從離子液體潤濕機理著手，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行潤濕特性試驗，探究咪唑類離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規律，旨在為煤礦作業環境革命和保障礦工職業生命全周期職業安全健康提供新思路。

1.試驗方法

1.1試驗樣品

 選取不同變質程度的褐煤、焦煤及長焰煤，將煤樣放入球磨機中粉碎，并通過篩網過濾出粒徑在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。利用全自動工業分析測定儀對3種煤樣的水分、灰分和揮發分進行測定，計算固定碳，其工業分析結果如表1所示。

1.2試驗設備和方案

表面張力和接觸角是評判活性水溶液對煤塵潤濕性能的重要指標。試驗所用儀器有球磨機、真空干燥箱、標準篩、電子天平、壓片機、磁力加熱攪拌器、表面張力儀、接觸角測量儀。

具體試驗過程如下：

 1)表面張力測試。在室溫為25℃的環境中，利用電子天平將[Emim][BF4]、[Bmim][Cl]、[Bmim][BF4]分別配制質量分數為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%的活性水溶液，測定不同質量分數下離子液體溶液的表面張力3次，取平均值。

 2)接觸角測試。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；利用接觸角測定儀測定煤樣的接觸角3次，取平均值。

 3)根據以上表面張力和接觸角的測定結果，計算活性水溶液在不同煤樣表面的鋪展系數。以此評價3種咪唑類離子液體對煤樣的潤濕性能。

 4)取質量分數為2%的3種離子液體按照陽、陰離子不同復配成A、B 2組活性水溶液，A組為陽離子相同、陰離子不同的[Bmim][BF4]和[Bmim][Cl]復配溶液，B組為陽離子不同、陰離子相同的[Bmim][BF4]和[Emim][BF4]復配溶液。A、B 2組溶液的復配質量比為6∶0、5∶1、4∶2、3∶3、2∶4、1∶5、0∶6。分別對A、B 2組復配溶液進行表面張力和接觸角試驗。

2.離子液體溶液對煤塵潤濕性能的影響

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，離子液體對煤的潤濕性越好[18]。不同質量分數離子液體表面張力測試結果如圖1所示，3種離子液體表面張力隨質量分數的變化情況如圖2所示。

圖1不同質量分數離子液體表面張力測試結果

圖2表面張力與離子液體質量分數之間的關系

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量分數的增大而逐漸降低，這說明活性水溶液質量分數越大，對煤塵的潤濕性越顯著。其原因是陽離子[Emim]+和[Bmim]+能有效屏蔽陰離子[BF4]-、Cl-之間的靜電作用，促進陰離子[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)在離子液體質量分數繼續增大到一定階段后，表面張力逐漸趨于穩定。這是由于當質量分數繼續增大到一定值時，陰陽離子形成膠束，此時質量分數增大對表面張力的影響較小。分析得出3種離子液體單一溶液對降低表面張力的能力大小為[Emim][BF4]>[Bmim][BF4]>[Bmim][Cl]。

2.2不同離子液體對煤塵接觸角的影響

 對于光滑的煤樣，離子液體對煤樣的潤濕程度采用接觸角作為評價指標。3種煤樣的接觸角與不同離子液體質量分數之間的關系如圖3所示。

圖3各煤樣接觸角與離子液體質量分數之間的關系

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，隨著離子液體質量分數增大，3種活性水溶液的接觸角都迅速減小。這是因為離子液體能迅速與煤塵表面形成較強的分子間作用力，咪唑環上的H原子、烷基側鏈上的H原子均可與煤中的—OH、—COOH等基團形成氫鍵，破壞煤中原有氫鍵，同時其正負電子轉移到煤表面，破壞煤中共價鍵，提高離子液體對煤的溶解能力。

 2)當質量分數達到某個特定值之后，離子液體中的官能團與煤中基團達到穩定結構，溶液接觸角的變化開始減緩。將3種煤樣的接觸角進行對比發現，長焰煤和褐煤的親水能力大于焦煤，這可能與煤中親水基團和疏水基團的含量有關。活性水溶液在離子液體質量分數相同時接觸角大小排序為[Emim][BF4]>[Bmim][BF4]>[Bmim][Cl]。

 3)由接觸角和表面張力試驗結果可知，相同陽離子[Bmim]+條件下，陰離子[BF4]-比[Cl]-對煤樣的潤濕作用能力更強。相同陰離子[BF4]-條件下，陽離子[Emim]+比[Bmim]+對煤樣的潤濕作用能力更強。這是因為[Emim]+烷基側鏈多了2個亞甲基(—CH2)，而—CH2含量與接觸角的大小呈負相關關系。由此，推測離子液體中某些基團的含量、類別和位置破壞了煤的活性結構，進而溶解分散煤體，增強煤塵的潤濕性。

咪唑類離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規律（上）

咪唑類離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規律（下）