离子液体对煤尘的润湿作用及其对煤氧化性的影响

摘要

矿井粉尘和煤自燃火灾严重制约着煤炭工业安全可持续发展。目前利用润湿剂或表面活性剂增强煤的润湿性研究是矿尘防治的热点。室温离子液体（简称离子液体）具有优良的溶解能力、其结构具有可设计性以及对煤有优良的溶解溶胀能力，是目前绿色化学化工的前沿热点。本论文以增强煤的润湿性为宗旨，分析研究双亲性离子液体增强煤的润湿性，同时分析对煤氧化性的影响，为寻找能显著增强煤润湿性并减弱煤氧化活性的新型试剂提供依据。 首先本文利用紫外分光光度法测量 4 种咪唑类离子液体[HOEMIm][BF4]、[HOEMIm][NTf2]、[C12MIm]Br、[C14MIm]Br 以及 2 种季铵盐类离子液体[N8,8,8,1]Cl、[N2,2,2,2]Cl的临界胶束浓度（CMC）；利用表面张力和煤的润湿性实验测试不同离子液体CMC、5%和20%浓度时的表面张力并作润湿值 W2-t图，结果显示离子液体溶液的表面张力都比水低，浓度值由CMC增加到20%时表面张力基本不变，且润湿效果较好。其中[N8,8,8,1]Cl、[C12MIm]Br和[C14MIm]Br润湿性较强，[HOEMIm][NTf2]和[HOEMIm][BF4]次之，[N2,2,2,2]Cl最弱。选用CMC和 5%浓度的[C12MIm]Br、5%和 20%浓度的[HOEMIm][BF4]、[HOEMIm][NTf2]和[N8,8,8,1]Cl都能达到较好的润湿效果。推测离子液体润湿性的强弱与相对分子质量有关，相对分子质量越大，双亲性结构越明显。 通过热重、差热、程序升温以及红外光谱分析技术研究了20%浓度时的六种离子液体对煤氧化活性的影响及其微观结构变化过程。热重、差热、程序升温实验可以直观有效的表征这六种离子液体抑制煤氧化活性的强弱效果。红外光谱能进一步揭示离子液体处理后煤官能团的变化。通过热重、差热实验分析了六种离子液体的热稳定性，得出离子液体[HOEMIm][NTf2]和[HO EMIm][BF4]的热稳定性较好，[N8,8,8,1]Cl和[N2,2,2,2]Cl的热稳定性较差。热重实验结果显示440℃之后[HOEMIm][BF4]阻化煤样的失重量开始小于原煤，差热结果显示达到最大失重速率的温度延迟了40℃左右，DTA曲线也显示加入[HOEMIm][BF4]的煤样波谷温度相对于未处理煤向高温方向移动，且DTA值小于未处理煤，说明加入该离子液体延迟了煤的氧化进程，降低了放热反应速率，减弱煤氧化活性的效果最佳。程序升温实验结果显示20%浓度的[HOEMIm][BF4]离子液体阻化率在55~75%之间，对煤氧化性有阻化作用，并且提升了煤氧化反应的活化能，抑制煤氧化活性的效果最好。红外光谱结果显示六种离子液体对煤中的氢键和醚键都有不同程度的破坏，破坏作用越大越有利于抑制煤的氧化活性，其中破坏作用较大的是[HOEMIm][NTf2]和[HOEMIm][BF4]。结合定量分析得出烷基链CH2/CH3和氢键的相对含量Ahy/Aar减小，芳香度Aar/Aal增大，即抑制煤氧化活性效果好的离子液体为[HOEMIm][BF4]。 最后得出[HOEMIm][BF4]是六种离子液体中最适合用来抑制煤氧化活性的离子液体，浓度为20%时既能有效润湿煤又能抑制煤的氧化活性。

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