2.3不同煤種的活性水溶液鋪展系數

當溶液滴到煤表面，溶液底部接觸到煤表面后逐漸在煤表面鋪散開(kāi)來(lái)的過(guò)程叫作鋪展。鋪展系數是表征溶液在煤表面的鋪展能力，鋪展系數越大，潤濕性越強，其計算公式如下：

(1)

式中：S為鋪展系數，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，(°)。

根據不同煤種的接觸角擬合得出鋪展系數與活性水溶液質(zhì)量分數的關(guān)系，如圖4所示。

圖4鋪展系數與溶液質(zhì)量分數之間的關(guān)系

從圖4可以看出：

1)3種咪唑類(lèi)離子液體的鋪展系數先隨溶液質(zhì)量分數的增大而迅速增大；當質(zhì)量分數增加到一定程度后，鋪展系數逐漸趨于平穩。這是由于離子液體能夠破壞煤的物理化學(xué)結構，隨溶液質(zhì)量分數的增大，煤表面越發(fā)粗糙，孔隙和裂紋數量也隨之增加，而煤表面孔隙和裂紋越多，則鋪展效果越好；當煤體被完全破壞后，溶液在煤表面鋪展隨質(zhì)量分數繼續增大變化不大，即鋪展系數逐漸趨于穩定。

2)[Emim][BF4]溶液的鋪展系數明顯大于其他2種溶液，即[Emim][BF4]溶液在煤表面更易于潤濕鋪展。這是因為離子液體可以改變煤中官能團含量，[Emim][BF4]溶液的加入可以更高效地增加煤中親水性官能團含量，減少疏水性官能團含量，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配研究

為探究離子液體復配是否會(huì )起到增效的作用，即復配溶液對煤的潤濕性能是否優(yōu)于單一溶液。取質(zhì)量分數為2%的3種離子液體按照陽(yáng)、陰離子不同復配成A、B 2組活性水溶液，復配質(zhì)量比為6∶0、5∶1、4∶2、3∶3、2∶4、1∶5、0∶6；分別對A、B 2組活性水溶液進(jìn)行表面張力和接觸角試驗，研究復配溶液對煤的潤濕效果。

3.1復配溶液離子數對表面張力的影響

不同復配質(zhì)量比下A、B 2組復配溶液的表面張力變化情況如圖5所示。

圖5不同復配質(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，復配后的A、B 2組溶液的表面張力顯著(zhù)降低，A組復配溶液的表面張力隨不同復配質(zhì)量比變化不大，B組復配溶液的表面張力易受復配質(zhì)量比變化的影響。

2)相同陽(yáng)離子[Bmim][BF4]和[Bmim][Cl]復配溶液，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?xún)?yōu)于[BF4]-，這是因為[Cl]-的電負性更強，能夠增強液體氫鍵強度，減弱陰陽(yáng)離子間庫侖力作用，故而表面張力減小。

3)相同陰離子復配溶液的表面張力小于相同陽(yáng)離子復配溶液的表面張力，當相同陰離子復配溶液的復配質(zhì)量比為2∶4時(shí)，表面張力達到最低值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)明該復配溶液的潤濕效果最好。推測相同陰離子復配溶液中，不同的兩陽(yáng)離子之間可能產(chǎn)生了協(xié)同增潤作用。

3.2復合離子液體對煤塵接觸角的影響

圖6為A、B組復配溶液與3種煤樣接觸角的對比圖，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，復配后的A、B 2組溶液的接觸角明顯降低，對于焦煤、褐煤、長(cháng)焰煤，B組溶液復配質(zhì)量比為2∶4時(shí)接觸角降低最多，分別為31.131%，27.969%、14.713%；對于焦煤，A組溶液復配質(zhì)量比為6∶0時(shí)接觸角降低最多，為26.452%，對于褐煤、長(cháng)焰煤，A組溶液復配質(zhì)量比為1∶5時(shí)接觸角降低最多，為25.982%、20.026%。

2)對于3種煤樣，當復配質(zhì)量比由6∶0變化到4∶2時(shí)，B組復配溶液吸液作用增強，推測此時(shí)[Emim]+發(fā)揮主要作用，其中某些基團可能破壞了煤活性結構，增大B組復配溶液對煤的溶解度；但隨著(zhù)復配質(zhì)量比由4∶2變化到0∶6時(shí)，A組復配溶液吸液作用增強，這可能是因為與[BF4]-比較,Cl-的親水能力更強，易于形成結合水，提高活性水的潤濕能力，推測此時(shí)Cl-發(fā)揮主要作用，Cl-含量不斷增加，活性水對煤塵的潤濕能力不斷增強。

4.結論

1)添加離子液體后，隨著(zhù)活性水溶液中離子液體質(zhì)量分數增大，表面張力和接觸角迅速減小，陰離子[BF4]-比[Cl]-對煤樣的潤濕作用能力更強，陽(yáng)離子[Emim]+比[Bmim]+對煤樣的潤濕作用能力更強；

2)3種咪唑類(lèi)離子液體的鋪展系數隨離子液體質(zhì)量分數的增大而迅速增大，長(cháng)焰煤的親水能力最好，而焦煤的親水能力最差，這與煤中親水基團和疏水基團的含量有關(guān)；

3)相同陰離子的復配溶液潤濕性?xún)?yōu)于相同陽(yáng)離子的潤濕性，相同陰離子復配溶液的復配質(zhì)量比為2∶4時(shí)，表面張力達到最低值27.62 mN/m，對焦煤的接觸角降低最多，為31.131%；

4)在一定復配質(zhì)量比范圍內，離子液體既可以通過(guò)破壞煤中官能團、共價(jià)鍵等，增強對煤塵結構的溶解能力，也可以通過(guò)降低水的表面張力，提高溶液的潤濕能力。

咪唑類(lèi)離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規律（上）

咪唑類(lèi)離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規律（下）