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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(下)
來(lái)源:礦業(yè)安全與環(huán)保 瀏覽 241 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-28
2.3不同煤種的活性水溶液鋪展系數(shù)
當(dāng)溶液滴到煤表面,溶液底部接觸到煤表面后逐漸在煤表面鋪散開來(lái)的過(guò)程叫作鋪展。鋪展系數(shù)是表征溶液在煤表面的鋪展能力,鋪展系數(shù)越大,潤(rùn)濕性越強(qiáng),其計(jì)算公式如下:
(1)
式中:S為鋪展系數(shù),mN/m;γsg、γsl、γgl分別為氣—固表面張力、液—固表面張力、氣—液表面張力,mN/m;θ為離子液體與煤塵表面的接觸角,(°)。
根據(jù)不同煤種的接觸角擬合得出鋪展系數(shù)與活性水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系,如圖4所示。
圖4鋪展系數(shù)與溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系
從圖4可以看出:
1)3種咪唑類離子液體的鋪展系數(shù)先隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而迅速增大;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到一定程度后,鋪展系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)。這是由于離子液體能夠破壞煤的物理化學(xué)結(jié)構(gòu),隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,煤表面越發(fā)粗糙,孔隙和裂紋數(shù)量也隨之增加,而煤表面孔隙和裂紋越多,則鋪展效果越好;當(dāng)煤體被完全破壞后,溶液在煤表面鋪展隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大變化不大,即鋪展系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。
2)[Emim][BF4]溶液的鋪展系數(shù)明顯大于其他2種溶液,即[Emim][BF4]溶液在煤表面更易于潤(rùn)濕鋪展。這是因?yàn)殡x子液體可以改變煤中官能團(tuán)含量,[Emim][BF4]溶液的加入可以更高效地增加煤中親水性官能團(tuán)含量,減少疏水性官能團(tuán)含量,提高其在煤表面的鋪展能力。
3.不同煤種的高效離子液體水溶液復(fù)配研究
為探究離子液體復(fù)配是否會(huì)起到增效的作用,即復(fù)配溶液對(duì)煤的潤(rùn)濕性能是否優(yōu)于單一溶液。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,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組活性水溶液進(jìn)行表面張力和接觸角試驗(yàn),研究復(fù)配溶液對(duì)煤的潤(rùn)濕效果。
3.1復(fù)配溶液離子數(shù)對(duì)表面張力的影響
不同復(fù)配質(zhì)量比下A、B 2組復(fù)配溶液的表面張力變化情況如圖5所示。
圖5不同復(fù)配質(zhì)量比下溶液表面張力變化情況
從圖5可以看出:
1)與純水相比,復(fù)配后的A、B 2組溶液的表面張力顯著降低,A組復(fù)配溶液的表面張力隨不同復(fù)配質(zhì)量比變化不大,B組復(fù)配溶液的表面張力易受復(fù)配質(zhì)量比變化的影響。
2)相同陽(yáng)離子[Bmim][BF4]和[Bmim][Cl]復(fù)配溶液,表面張力[BF4]-略大于[Cl]-,說(shuō)明在同種陽(yáng)離子的情況下,[Cl]-的表面活性優(yōu)于[BF4]-,這是因?yàn)閇Cl]-的電負(fù)性更強(qiáng),能夠增強(qiáng)液體氫鍵強(qiáng)度,減弱陰陽(yáng)離子間庫(kù)侖力作用,故而表面張力減小。
3)相同陰離子復(fù)配溶液的表面張力小于相同陽(yáng)離子復(fù)配溶液的表面張力,當(dāng)相同陰離子復(fù)配溶液的復(fù)配質(zhì)量比為2∶4時(shí),表面張力達(dá)到最低值27.62 mN/m,且其表面張力均低于2種單一溶液的表面張力,說(shuō)明該復(fù)配溶液的潤(rùn)濕效果最好。推測(cè)相同陰離子復(fù)配溶液中,不同的兩陽(yáng)離子之間可能產(chǎn)生了協(xié)同增潤(rùn)作用。
3.2復(fù)合離子液體對(duì)煤塵接觸角的影響
圖6為A、B組復(fù)配溶液與3種煤樣接觸角的對(duì)比圖,不同煤樣吸液時(shí)間變化情況如圖7所示。
圖6不同陽(yáng)、陰離子復(fù)配溶液的接觸角變化情況
圖7不同煤樣的吸液時(shí)間變化情況
從圖6、圖7可以看出:
1)與純水相比,復(fù)配后的A、B 2組溶液的接觸角明顯降低,對(duì)于焦煤、褐煤、長(zhǎng)焰煤,B組溶液復(fù)配質(zhì)量比為2∶4時(shí)接觸角降低最多,分別為31.131%,27.969%、14.713%;對(duì)于焦煤,A組溶液復(fù)配質(zhì)量比為6∶0時(shí)接觸角降低最多,為26.452%,對(duì)于褐煤、長(zhǎng)焰煤,A組溶液復(fù)配質(zhì)量比為1∶5時(shí)接觸角降低最多,為25.982%、20.026%。
2)對(duì)于3種煤樣,當(dāng)復(fù)配質(zhì)量比由6∶0變化到4∶2時(shí),B組復(fù)配溶液吸液作用增強(qiáng),推測(cè)此時(shí)[Emim]+發(fā)揮主要作用,其中某些基團(tuán)可能破壞了煤活性結(jié)構(gòu),增大B組復(fù)配溶液對(duì)煤的溶解度;但隨著復(fù)配質(zhì)量比由4∶2變化到0∶6時(shí),A組復(fù)配溶液吸液作用增強(qiáng),這可能是因?yàn)榕c[BF4]-比較,Cl-的親水能力更強(qiáng),易于形成結(jié)合水,提高活性水的潤(rùn)濕能力,推測(cè)此時(shí)Cl-發(fā)揮主要作用,Cl-含量不斷增加,活性水對(duì)煤塵的潤(rùn)濕能力不斷增強(qiáng)。
4.結(jié)論
1)添加離子液體后,隨著活性水溶液中離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,表面張力和接觸角迅速減小,陰離子[BF4]-比[Cl]-對(duì)煤樣的潤(rùn)濕作用能力更強(qiáng),陽(yáng)離子[Emim]+比[Bmim]+對(duì)煤樣的潤(rùn)濕作用能力更強(qiáng);
2)3種咪唑類離子液體的鋪展系數(shù)隨離子液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而迅速增大,長(zhǎng)焰煤的親水能力最好,而焦煤的親水能力最差,這與煤中親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的含量有關(guān);
3)相同陰離子的復(fù)配溶液潤(rùn)濕性優(yōu)于相同陽(yáng)離子的潤(rùn)濕性,相同陰離子復(fù)配溶液的復(fù)配質(zhì)量比為2∶4時(shí),表面張力達(dá)到最低值27.62 mN/m,對(duì)焦煤的接觸角降低最多,為31.131%;
4)在一定復(fù)配質(zhì)量比范圍內(nèi),離子液體既可以通過(guò)破壞煤中官能團(tuán)、共價(jià)鍵等,增強(qiáng)對(duì)煤塵結(jié)構(gòu)的溶解能力,也可以通過(guò)降低水的表面張力,提高溶液的潤(rùn)濕能力。