非离子表面活性剂改性沥青煤表面润湿机制的研究

润湿性研究：基于分子模拟与实验表征的非离子表面活性剂对煤炭润湿机制的影响分析

　　

本文针对非离子表面活性剂对煤尘润湿性的影响机制展开系统性研究，以河南平顶山矿区典型煤样为对象，通过多维度实验表征与分子动力学模拟相结合的方法，揭示了表面活性剂分子与煤基质间微观作用机制。研究构建了国内首个精确到分子尺度的煤表面模型，该模型包含179个碳原子，氧含量占比7.97%，硫含量1.37%，氮含量1.19%，符合我国煤炭分类标准中中阶变质煤的特征参数。在煤体微观结构解析方面，结合傅里叶红外光谱（FTIR）与X射线光电子能谱（XPS）发现：煤表面以苯环、萘环和蒽环（2-3环芳烃）为主，占比达76.89%，表面官能团以醚氧（53.55%）和酚羟基（23.69%）为主，其次为羰基氧（22.76%）和硫醚基团。13C核磁共振（NMR）分析显示sp2杂化碳占比80.90%，其中苯环碳占比68.5%，萘环碳占比12.3%，蒽环碳占比0.2%。这种高芳香性结构赋予煤表面显著的疏水性，其表面自由能中非极性Lifshitz-van der Waals力占比达89.7%，极性酸碱相互作用仅占10.3%。表面活性剂作用机制研究显示：X-100（聚氧乙烯月桂苯酚醚）在0.2wt%浓度时达到临界胶束浓度（CMC），此时煤尘沉降时间由纯水处理时的23.6分钟缩短至4.8分钟，表面极性分量提升42.7%。其分子结构中含10个氧乙烯基团，形成稳定的氢键网络，同时苯环结构通过π-π作用与煤基质芳环形成三维吸附层。分子动力学模拟显示，X-100在煤表面的吸附覆盖率（5.79μm2）是JFC-E（3.53μm2）的1.64倍，其疏水链与煤微孔隙的匹配度达78.2%，显著增强水分子渗透能力。实验数据与模拟结果的一致性体现在：表面自由能测试显示X-100处理煤样的总表面能降低至42.1mJ/m2，较纯煤下降37.8%；分子模拟计算表明，X-100与煤基质间的范德华作用能达-104.69kcal/mol，较JFC-E（-99.79kcal/mol）增强5.9%，同时形成18个水分子氢键（较JFC-E多2.5个）。Zeta电位测试显示X-100处理煤样的电位值从-68.3mV提升至-34.7mV，说明表面电荷屏蔽效应增强，静电排斥减少32.4%。该研究突破传统抑尘技术依赖物理阻隔的局限，首次系统揭示非离子表面活性剂通过"疏水锚定-亲水介导"双重机制实现煤尘润湿：疏水链段（C18H37O10）与煤基质芳环通过π-π作用形成稳定吸附位，亲水基团（10个-OCH2CH2）构建连续氢键网络，将水分子引入煤微孔道。这种分子级润湿机制使煤尘表面接触角从纯水的135°降低至X-100处理后的28.5°，润湿效率提升4.7倍。在工程应用层面，研究提出"三段协同"抑尘方案：预处理阶段（0.1% X-100溶液浸泡30分钟）使煤表面形成纳米级吸附层；喷洒阶段（0.2% X-100溶液）构建疏水-亲水交替层；稳定阶段（残留表面能<40mJ/m2）实现长效润湿。经平顶山矿区工业性试验验证，该技术可使综采工作面粉尘浓度从8.7mg/m3降至2.3mg/m3，降幅达73.6%，同时减少90%以上喷洒频次。该成果为智能矿山建设提供理论支撑，通过分子结构设计优化表面活性剂配方，实现"一剂多用"：X-100不仅提升煤尘润湿性，其苯环结构还能吸附重金属离子（Pb2?吸附容量达8.9mg/g），醚氧基团可催化CO?矿化。后续研究将拓展至低阶煤种，并开发基于煤基质表面能调控的绿色抑尘剂体系。