短链氟碳表面活性剂对变质煤尘处理的相互作用机制：宏观实验与分子动力学模拟的深度解析

为解决煤矿粉尘爆炸和尘肺病等职业健康问题，研究人员通过宏观实验与分子动力学模拟，揭示了短链氟碳表面活性剂对不同变质程度煤尘（褐煤与无烟煤）的润湿与团聚作用机制。研究发现褐煤因低变质度、高氧含量更易被处理，其最大抑尘效率达92.47%，且润湿性能（接触角20.15°、渗透时间1.20 s）显著优于无烟煤。分子模拟表明褐煤分子与水分子间更强的氢键和静电势能（EPE）是性能差异的关键，为高效抑尘剂设计提供了理论依据。

　　

煤矿开采是支撑中国经济发展的重要产业，但伴随而来的粉尘问题却成为威胁工人健康与安全的“隐形杀手”。近年来，全球尘肺病新发病例超6万例，中国2021年报告的1.54万例职业病例中，76.64%为尘肺病，其中55%以上为煤工尘肺(CWP)。更令人担忧的是，过去十年中国发生的20余起煤尘爆炸事故，已造成超千人死亡和8亿美元经济损失。如何有效控制煤尘，成为亟待解决的难题。

针对这一问题，中国矿业大学（根据国内惯例翻译）的研究团队在《Fuel》发表了一项突破性研究。他们发现，不同变质程度的煤尘对表面活性剂的响应差异显著——褐煤因低变质度、高氧含量展现出惊人的抑尘潜力，其最大抑尘效率高达92.47%，远超无烟煤的表现。这项研究通过创新的“宏观-微观”双尺度研究方法，首次揭示了氟碳表面活性剂与煤尘相互作用的分子密码。

研究人员采用接触角测定、浸润时间测试、粒径分析和风洞模拟等宏观实验，结合分子动力学(MD)模拟技术，系统比较了短链氟碳表面活性剂FS-50和FS-3100对褐煤与无烟煤的作用效果。实验样本取自大柳塔煤矿，经真空干燥后按国家标准分类为褐煤与无烟煤。

关键发现如下：

1. 润湿性能差异：褐煤的接触角(20.15°)比无烟煤低18%，渗透时间快3倍(1.20 s)，表明其更易被润湿。

2. 团聚效应显著：褐煤颗粒平均粒径达83.79 μm，表面粗糙度更突出，形成440-497 μm的大颗粒团聚体。

3. 分子机制解析：MD模拟显示褐煤具有更强的静电势能(EPE)和氢键数量(比无烟煤高35%)，其对角项能量、交叉项能量和非键能均更高，系统稳定性提升42%。

结论与意义

这项研究首次从分子层面阐明：褐煤丰富的含氧官能团通过增强静电势能(EPE)和氢键网络，显著提升短链氟碳表面活性剂的吸附效率。该发现不仅解释了传统抑尘剂性能差异的根源，更为定制化粉尘抑制剂设计提供了理论蓝图——针对高氧含量煤尘可优先选择短链氟碳表面活性剂。未来基于此原理开发的抑尘剂，有望将煤矿工作环境粉尘浓度控制在17.8 mg/m³以下，为矿工筑起一道“呼吸防护墙”。

论文中由国家自然科学基金青年项目(52204234)和面上项目(52074218)资助的研究成果，标志着中国在职业健康防护领域的基础研究取得重要进展。这项兼具学术价值与应用前景的工作，为全球煤矿安全生产提供了中国方案。