离子液体在长焰煤表面的吸附润湿机制：分子结构调控与抑尘增效机理

为解决煤矿粉尘污染控制中传统水基抑尘剂润湿效率低的问题，研究人员系统研究了不同烷基链长度(C16/C14)和阴离子类型(Br?/Cl?)的咪唑类离子液体(ILs)对长焰煤润湿性能的协同调控机制。通过接触角(CA)、表面张力(ST)测试结合微观表征发现，C16MImBr动态CA变化常数提升至纯水的12倍，分子模拟揭示Br?通过弱氢键促进液膜扩散，为高效抑尘剂设计提供理论依据。

　　

煤矿开采伴随的粉尘污染一直是困扰行业发展的重大难题。据统计，煤炭在全球一次能源消费中占比高达55.3%，但开采过程中产生的煤尘不仅威胁矿工健康，还会引发爆炸等安全事故。目前普遍采用的水基抑尘技术面临核心困境——水的表面张力(ST)高达72 mN/m，实际润湿效率不足30%。如何突破这一技术瓶颈，成为提升煤矿安全生产水平的关键。

河南理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向绿色溶剂新秀离子液体(ILs)。这类物质具有不挥发、热稳定性好等独特优势，近年来在材料领域大放异彩。团队选取C₁₆MImBr、C₁₄MImBr和C₁₆MImCl三种咪唑类ILs，通过多尺度研究揭示了分子结构对长焰煤(LFC)润湿性能的调控规律，相关成果发表在《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》。

研究人员综合运用接触角测定、表面张力分析、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等实验手段，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统评估了ILs的润湿性能与作用机制。实验选用上湾煤矿1-2#煤制备的200目煤样，通过对比不同浓度ILs溶液的ST和动态CA变化，结合分子层面的弱相互作用分析，揭示了结构-性能关系。

ST分析
研究发现三种ILs的临界胶束浓度(CMC)存在显著差异：含Br^?的C₁₆MImBr和C₁₄MImBr均为0.1 g/L，而含Cl^?的C₁₆MImCl需0.2 g/L才能形成胶束。在2 g/L浓度下，ST降低能力排序为C₁₆MImBr > C₁₄MImBr > C₁₆MImCl，说明阴离子类型对表面活性影响更大。

微观表征
FTIR和XPS结果显示，ILs处理能显著增加煤中C-O亲水基团比例，降低-CH疏水基团含量。皮尔逊相关性分析证实C-O与-CH含量呈显著负相关。XRD进一步表明ILs通过重排煤芳香核产生微孔结构，这种结构变化为水分渗透创造了有利条件。

分子模拟
前沿轨道能隙计算发现，C₁₆MImBr的能隙值(3.12 eV)较C₁₆MImCl(3.50 eV)更低，表明长烷基链可增强分子活性。通过独立梯度模型(IGMH)和ETS-NOCV分析确认，ILs在煤表面的吸附过程主要受范德华力支配，其中Br^?能形成弱氢键促进液膜动态铺展。

这项研究首次从分子层面阐明了ILs结构参数（烷基链长度与阴离子类型）对煤尘润湿性能的协同调控机制。特别值得注意的是，阴离子类型对润湿效率的控制优先级高于烷基链长度——Br^?通过弱氢键作用显著提升液膜扩散速度，而长烷基链则通过降低前沿轨道能隙增强分子活性。C₁₆MImBr之所以表现最优，正是这两种效应协同作用的结果。

该成果不仅为开发高效抑尘剂提供了明确的结构设计准则，更创新性地将量子化学计算方法引入传统矿业工程问题研究。团队提出的"分子结构-界面行为-宏观性能"研究范式，对解决其他多相界面相互作用难题具有重要借鉴意义。随着绿色矿山建设要求的不断提高，这种基于分子设计的抑尘技术必将展现出广阔的应用前景。