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的過程叫作鋪展。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，潤濕性越強(qiáng)，其計算公式如下：

(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)配是否會起到增效的作用，即復(fù)配溶液對煤的潤濕性能是否優(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、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)配溶液對煤的潤濕效果。

3.1復(fù)配溶液離子數(shù)對表面張力的影響

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)相同陽離子[Bmim][BF4]和[Bmim][Cl]復(fù)配溶液，表面張力[BF4]-略大于[Cl]-，說明在同種陽離子的情況下，[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，減弱陰陽離子間庫侖力作用，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，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，說明該復(fù)配溶液的潤濕效果最好。推測相同陰離子復(fù)配溶液中，不同的兩陽離子之間可能產(chǎn)生了協(xié)同增潤作用。

3.2復(fù)合離子液體對煤塵接觸角的影響

圖6為A、B組復(fù)配溶液與3種煤樣接觸角的對比圖，不同煤樣吸液時間變化情況如圖7所示。

圖6不同陽、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，對于焦煤、褐煤、長焰煤，B組溶液復(fù)配質(zhì)量比為2∶4時接觸角降低最多，分別為31.131%，27.969%、14.713%；對于焦煤，A組溶液復(fù)配質(zhì)量比為6∶0時接觸角降低最多，為26.452%，對于褐煤、長焰煤，A組溶液復(fù)配質(zhì)量比為1∶5時接觸角降低最多，為25.982%、20.026%。

2)對于3種煤樣，當(dāng)復(fù)配質(zhì)量比由6∶0變化到4∶2時，B組復(fù)配溶液吸液作用增強(qiáng)，推測此時[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)配溶液對煤的溶解度；但隨著復(fù)配質(zhì)量比由4∶2變化到0∶6時，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，提高活性水的潤濕能力，推測此時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(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]-對煤樣的潤濕作用能力更強(qiáng)，陽離子[Emim]+比[Bmim]+對煤樣的潤濕作用能力更強(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)配溶液潤濕性優(yōu)于相同陽離子的潤濕性，相同陰離子復(fù)配溶液的復(fù)配質(zhì)量比為2∶4時，表面張力達(dá)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(fù)配質(zhì)量比范圍內(nèi)，離子液體既可以通過破壞煤中官能團(tuán)、共價鍵等，增強(qiáng)對煤塵結(jié)構(gòu)的溶解能力，也可以通過降低水的表面張力，提高溶液的潤濕能力。

咪唑類離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規(guī)律（上）

咪唑類離子液體對不同煤塵潤濕性能的影響規(guī)律（下）