王 帥，陳 凱，高嘉慧，王 林，王永峰，劉 龍，王 浩

(1.神華包頭能源有限責任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024)

中國煤炭工業(yè)協(xié)會(CNCA)在大型煤炭企業(yè)報告中指出，2019年1—6月，原煤產(chǎn)量達到12.8億t，同比增長152.6萬t，增幅0.1%[1]。同年，國家衛(wèi)生委員會發(fā)布的《2019年中國衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2019年累計新增各類職業(yè)性疾病19 428例，職業(yè)性疾病及塵肺病等疾病15 947例(圖1)。連續(xù)8年病例占各類職業(yè)病病例報告中總病例的80%以上，長期以來，它一直是中國最嚴重的職業(yè)病之一[2]。

圖1 2018—2019年全國各類職業(yè)病新增病例Fig.1 New cases of occupational diseases in China in 2018 and 2019 year

當煤塵達到一定的條件及濃度時，會引起火災和粉塵爆炸，導致大量有毒有害氣體產(chǎn)生，威脅礦井的財產(chǎn)安全和職工的生命安全。如果煤塵的含量較高，會造成機器磨損，井下能見度低，員工因為誤操作導致事故發(fā)生，工傷數(shù)量增加。目前，我國煤炭行業(yè)正處于綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展階段。根據(jù)國家“十三五”的計劃，國家致力于發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，強調(diào)煤炭開采的綠色健康環(huán)保，這為煤炭燃爆防治領域的科學研究提出了更高要求[3-6]。

現(xiàn)階段，為防治煤塵災害，我國煤礦企業(yè)大多采用通風除塵、水霧降塵、煤層注水、個體防護等方法捕集或隔絕煤塵。上述技術(shù)雖能夠防治煤塵，但不是根本性的防塵方法。若能開發(fā)新型降塵劑，既能降低水的表面張力又能改進煤的潤濕性，則為潤濕煤塵、防治煤塵提供關(guān)鍵技術(shù)。

降塵劑可提高煤塵潤濕效果，從源頭上防治煤塵災害。開發(fā)新型降塵劑，合乎本質(zhì)安全、綠色的科學發(fā)展理念，能為其他作業(yè)場所的防塵工作提供有效的參考資料，還有助于改善職工的健康，減少安全問題，達到井下安全生產(chǎn)、保護環(huán)境的目的。

1 煤塵防治技術(shù)

長久以來，煤塵導致職工患塵肺病及井下粉塵爆炸事故屢見不鮮，我國就礦塵特性及其防治技術(shù)領域展開了多角度、多方位的研究探討[7-8]?，F(xiàn)階段常見的除塵措施見表1。

表1 煤塵防治技術(shù)分類Tab.1 Classification of dust control technology

上述4種降塵技術(shù)均采用物理降塵方法，但物理降塵效果較差，如何更有效地提高煤塵的除塵率已成為粉塵治理的關(guān)鍵?；瘜W降塵方法在提高煤塵降塵率方面，效果優(yōu)于物理降塵方法，一般認為是一種有效的降塵方法。進入21世紀以來，化學抑塵劑進入國內(nèi)外研究人員的視野，科研工作者為此進行了大量的研究。根據(jù)不同的分類方法，抑塵劑各個類別均有其特殊的使用環(huán)境，且隨著社會的發(fā)展，各種合成的抑塵劑層出不窮，抑塵率也在不斷提高[9-10]。

2 煤的潤濕性

1920年，英國學者在解決礦井開采巷道粉塵溢散問題時，研究發(fā)現(xiàn)了一些潤濕劑的特性。1930年，美國礦務局應用某種潤濕劑來抑制煤礦巷道粉塵飛揚問題[11]。潤濕劑的研究是從20世紀60年代開始的[12]，80年代前后在中國推廣起來。

溶液的表面張力對煤的潤濕性有著較大影響。陳紹杰等[13]通過表面張力試驗得出，在水中加入表面活性劑后，溶液的表面張力會小于煤的臨界表面張力，使煤被充分潤濕。楊靜等[14]研究得出，氣液界面張力、氣固界面張力以及液固界面張力均可影響煤塵的潤濕性。

煤的潤濕性與煤中組分、煤表面官能團有關(guān)。趙振保等[15]從FTIR圖譜中看出，煤的潤濕性受煤塵表面官能團和固定碳含量的重要影響。

為了研究煤的表面官能團，村田逞詮[16]采用化學方法進行定量分析，猜測影響煤潤濕性的官能團為：—COOH>—OH>—CO、R—O—R，得到煤塵所含官能團種類和含量對煤的潤濕性產(chǎn)生影響。Dey[17]得出：由于表面活性劑本身具備特殊的雙親分子結(jié)構(gòu)，在接觸含大量含氧官能團的褐煤及氧化煤后，會在煤表面產(chǎn)生靜電和吸附氫鍵，提高潤濕效果。程衛(wèi)民等[18]得出：煤塵中礦物質(zhì)官能團、表面官能團，如芳香羥基以及有機大分子結(jié)構(gòu)(芳環(huán)C—H 鍵)，對煤塵潤濕性有較大影響，對煤表面潤濕起促進作用的，是煤表面不同的—COOH和—OH。

周剛等[19]利用 XRD、NMR等技術(shù)對煤塵潤濕性能的受阻和煤塵影響微觀顆粒結(jié)構(gòu)的直接影響分析研究結(jié)果得出，煤的巖相學成分、物理孔隙構(gòu)造等也影響著煤的潤濕性。Howard W等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在煤礦實際開采過程中，煤中含有大量的礦物質(zhì)，能夠?qū)γ褐械臐駶櫺援a(chǎn)生極大影響，在含有陰離子表面活性劑的水溶液中，加入鉀鹽和適量鈉鹽，煤的潤濕性顯著提高。

煤—溶液接觸角與水的pH值的密切相關(guān)。Savitskyi等[21]發(fā)現(xiàn)褐煤的接觸角在堿性介質(zhì)中減小，得到煤潤濕性與pH值變化有關(guān)。Chaturvedi等[22]研究發(fā)現(xiàn)煤—水接觸角的大小受水的pH值影響，在pH值=4時接觸角最大，其他pH值時接觸角減小。

綜上所述，研究煤的潤濕性的根本是提高煤的潤濕效果，主要是通過調(diào)整煤表面潤濕性相關(guān)因素，增加煤的親水性。

3 表面活性劑對煤潤濕性的影響

馬艷玲等[23]研究得出，通過疏水吸附作用，在水和表面活性劑相互溶解時，親水基團橫向插入水中，疏水基團從反面吸入空氣，并在表面活性溶劑和水溶液的相界面之間形成疏水吸附層，表面張力逐漸降低。此時，由于改變了疏水狀態(tài)的疏水基團與疏水顆粒之間的水存在較強的張力，水和表面活性劑之間的表面耦合張力逐漸降低接觸角逐漸減小、體系自由能減小，這就是煤塵在加入表面活性劑之后容易被潤濕的原因。

蔣仲安等[24]研究得出應用十二烷基苯磺酸鈉為最佳表面活性溶劑，氯化鈉可作為最佳活性材料的實驗結(jié)論。使用這種降塵催化劑和水，可有效地降低煤塵的濃度。

Singh[25]研究得出2種表面活性劑均具有快速吸附能力，但陽離子的效果優(yōu)于陰離子，且吸附效果滿足Langmuir模型，用于計算自由能，得出表面活性劑的吸附引起煤表面潤濕性的變化。徐海宏等[26]得出表面活性劑結(jié)構(gòu)是影響表面活性劑浮選性能的重要因素的結(jié)論。Glanville等[27]通過研究復合磷酸鈉鹽對煤塵潤濕性的作用機理，不僅了解到表面活性劑可以吸附在煤層表面，還揭示了金屬陰離子是影響表面活性劑潤濕速率的因素之一。Crawford[28]通過將表面活性劑注入煤表面，隨著時間的變化，會使煤的 Zeta電位發(fā)生改變，煤—水的接觸角有明顯減小。

4 離子液體對煤結(jié)構(gòu)的影響

曹敏等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在離子液體的作用下，隨著實驗時間的增加和實驗室溫度的升高，煤的膨脹度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化。從FTIR的變化趨勢可以看出，當離子液體與煤發(fā)生接觸時，煤的化學結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。耿勝楚等[30]應用[BMIm]BF4，在這種離子液體作用下，神華礦煤體采用溶脹預熱處理技術(shù)，分析發(fā)現(xiàn)該離子液體的作用可直接破壞神華煤中的共價鍵、離子鍵，從而大大提高神華煤的固體溶脹度。Lei Zhiping等[31]等應用[BMIm]Cl對先鋒褐煤進行萃取研究，從紅外光譜圖得出，該離子液體能破壞煤中非共價鍵間彼此作用，然后從褐煤中將芳香族化合物萃取出來。之后，Lei Zhiping等[32]研究了在200 ℃溫度下，褐煤在6種不同離子液體中的溶解性，發(fā)現(xiàn)影響萃取效率和萃取物化學性質(zhì)的一個重要因素是咪唑類離子液體中陰離子類離子液體溶解褐煤，主要與離子液體破壞煤中普遍存在的氫鍵有關(guān)，其中[BMIm]Cl幾乎能明顯溶解褐煤中存在的一切氫鍵。之后，為了解褐煤的結(jié)構(gòu)特征，又利用N-甲基吡咯烷酮、[BMIm]Cl對褐煤進行連續(xù)順序萃取，通過破壞煤中不同強度的氫鍵進一步發(fā)現(xiàn)，[BMIm][BF4]和[BMIm]Cl分別能破壞煤中弱的和強的氫鍵[33]。

Painter等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在溶解煤的過程中，加入氯鹽類的離子液體，煤的破裂分散過程均有所加快，可知氯鹽類離子液體對煤的溶解可以起到促進作用。Painter等[35]進一步研究指出，[BMIm]Cl破碎、分散和混合溶解煤的能力好于[BMIm][BF4]。Pulati等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度低于100 ℃的環(huán)境下，離子液體[BMIm]Cl、[BMIm][BF4]、[BMIm][CF3SO3]溶于煤中，可溶解并破壞Illinois No.6煤的分子結(jié)構(gòu)，相比之下，離子液體溶解液中含有Cl-抗衡離子，對煤的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的效果要明顯優(yōu)于含較大陰離子的離子液體溶解液。Jin等[37]制備了一系列新型雙咪唑陽離子液體，其中2個咪唑環(huán)通過不同長度、不同氧原子數(shù)的烷基醚鏈相連，并研究它們在煤中的溶解和分散性能。通過對離子液體/煤分散體系的簡單混合，發(fā)現(xiàn)增加咪唑環(huán)間烷基醚鏈長度可以顯著地提高咪唑環(huán)的溶解性能和輕烴生成量。

Saikia等[38]研究發(fā)現(xiàn)，這些離子液體可以去除原煤樣品中的大部分有機和無機硫(芳基)組分，使樣品更干凈。

王蘭云等[39-45]提出離子液體影響煤中氧化活性的想法，并研究了離子液體[AMIm]Cl、[BMIm]Cl、[BMIm][OTf]、[BMIm]Ac、[EMIm]Ac[AOEMIm][BF4]、[HOEtMIm][BF4]、[EPy]Br和[EPy][BF4]影響煙煤樣品在其中的溶解。研究發(fā)現(xiàn)，離子液體不僅有可能直接破壞和降解、分散煤的氧化活性結(jié)構(gòu)，而且它還能最大限度地直接破壞含氧煤化物中的諸如羥基結(jié)構(gòu)、芳香族鏈烴結(jié)構(gòu)、脂肪族鏈烴、羰基結(jié)構(gòu)等多種含氧煤的官能基基團。Zhang Weiqing等[44-45]進一步深入研究了褐煤氧化反應過程的宏觀氣體氧化產(chǎn)物、微觀有序碳離子結(jié)構(gòu)在咪唑和季膦鹽類離子液體的相互影響下，發(fā)生的間接變化，得到各種不同鹽類的離子液體直接影響有機煤化物氧化的反應過程，發(fā)現(xiàn)包括季膦鹽類離子液體對有機煤化物氧化活性的直接削弱及其效果普遍強于咪唑類離子液體。

趙紅紅[9]發(fā)現(xiàn)離子液體潤濕煤結(jié)構(gòu)能力的差異與離子液體對煤中官能團的改變程度有關(guān)。秦桐[46]研究發(fā)現(xiàn)離子液體能夠破壞煤中的O—H鍵和C—O鍵。

胡強[47]研究發(fā)現(xiàn)，煤塵的潤濕性與煤塵組分、表面官能團有關(guān)。通過煤的工業(yè)分析、元素分析，結(jié)果顯示煤化程度的提高，則揮發(fā)分、水分比例降低，固定碳比例升高，碳元素含量增加而氧含量減少。潤濕性與水分、揮發(fā)分、碳含量表現(xiàn)為正相關(guān)，和固定碳、碳元素表現(xiàn)為負相關(guān)。通過IR和XPR實驗發(fā)現(xiàn)，親水性含氧官能團與潤濕性表現(xiàn)為正相關(guān)，脂碳、芳香碳類疏水官能團與潤濕性表現(xiàn)為負相關(guān)。

綜上所述，離子液體不僅可以破壞煤的分解結(jié)構(gòu)，破壞氫鍵和共價鍵的相互作用，影響煤中的活性結(jié)構(gòu)，還可以進行脫硫脫灰，去除煤中的有害成分，起到清潔作用。此外，還可以設計離子液體，調(diào)節(jié)其化學和物理性質(zhì)。在不同的環(huán)境條件下，可以制備具有不同性質(zhì)和表面活性的離子液體。

5 研究展望

目前，化學抑塵劑在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的討論和研究。作為一種新穎、發(fā)展?jié)摿^大的綠色表面活性溶劑，離子液體近年來才被科研工作者認識并研究，因其能夠在各種不同環(huán)境下發(fā)揮作用，且作用效果良好，明顯優(yōu)于表面活性劑的特性，充分研究其物理及化學方面的特性，對于今后材料替換、綠色健康發(fā)展能夠起到促進作用，具有廣闊的應用前景。但目前學術(shù)界對離子液體對煤潤濕性影響的研究較少，作者認為有必要進一步研究離子液體對煤塵的潤濕性，并在前人研究成果的基礎上，進一步分析離子液體對煤塵潤濕性的增強作用，為高效防塵材料的研究提供理論參考。