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。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。

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。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 D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 Q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([Bmim][Cl])、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF4])、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Emim][BF4])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。

1.2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]、[Bmim][BF4]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[Bmim][BF4]和[Bmim][Cl]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。

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[Emim][BF4]>[Bmim][BF4]>[Bmim][Cl]。

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。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。

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：

1)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[Emim][BF4]>[Bmim][BF4]>[Bmim][Cl]。

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。

咪唑类离子液体对不同煤尘润湿性能的影响规律（上）

咪唑类离子液体对不同煤尘润湿性能的影响规律（下）