水热预处理强化煤气化细渣浮选机理研究：基于分子动力学模拟的表面疏水性调控

针对煤气化细渣(coal gasification fine slag)资源化利用难题，本研究通过水热预处理(hydrothermal pretreatment)调控其表面疏水性，结合接触角测量和XPS分析揭示浮选强化机制。实验表明250°C处理1h可使精矿灰分降低4.33%，可燃体回收率提升4.07%，分子动力学模拟证实该处理显著降低矿物表面范德华作用能，为细渣高效分选提供理论支撑。

　　

煤气化技术作为中国"富煤贫油少气"能源结构下的重要选择，每年产生大量难以处理的煤气化细渣。这种固体废弃物因粒径细（普遍<100μm）、残碳与灰分交织、表面含氧官能团丰富，导致传统浮选存在药剂消耗高（达10 kg/t）、精矿灰分超标等问题。目前堆存处理不仅占用土地，更阻碍"双碳"目标实现。尽管研究者尝试复合药剂（如煤油-油酸7:3配比）或机械研磨预处理，但效果有限。如何通过绿色改性手段突破细渣浮选瓶颈，成为煤化工行业可持续发展的关键课题。

宁夏煤业集团有限责任公司等机构的研究团队创新性地将水热预处理技术引入该领域，通过多尺度实验与模拟相结合，系统探究了温度-时间耦合效应对细渣表面特性的调控机制。研究发现250°C水热处理1小时可显著提升浮选效率：精矿灰分(A_ad)从原始样品的28.13%降至23.80%，同时可燃体回收率(combustible recovery)从80.25%提升至84.32%。分子动力学模拟进一步揭示，该处理使n-十二烷在残碳表面的吸附能降低37.5%，为工业应用提供了精准的工艺窗口。相关成果发表于能源领域顶级期刊《Fuel》。

研究采用四大关键技术：①水热反应釜模拟工业预处理条件（温度梯度150-300°C，时间0.5-2h）；②X射线光电子能谱(XPS)定量分析表面官能团演变；③Materials Studio 8.0构建残碳-灰分分子模型；④分子动力学(MD)模拟药剂吸附动力学。样本来源于宁东某化学生产线的气流床干粉煤气化细渣，其基础特性显示灰分达77.17%（空气干燥基），固定碳含量19.86%。

【Proximate and ultimate analysis】
元素分析显示细渣氧碳比(O/C)高达0.38，XPS检测到C–O/C=O等含氧基团占比41.7%，这是导致其天然疏水性差的主因。水热处理后，这些基团通过脱羧反应减少，疏水基团(C–C/C–H)含量提升17.41%。

【Effect of hydrothermal pretreatment】
在250°C/1h最优条件下，接触角从68°增至82°，BET测试显示孔隙率降低23.6%，有效抑制了药剂(kerosene)的无效孔隙吸附。浮选实验证实该参数下药剂用量减少30%仍能保持优异指标。

【Molecular dynamics simulation】
建立的残碳-灰分模型显示，水热处理后残碳表面粗糙度降低，n-dodecane的均方位移(MSD)增加2.4倍，结合能计算表明范德华力主导的吸附过程能垒降低1.8 kcal/mol。

【Conclusions】
该研究首次阐明水热预处理通过三重机制协同提升细渣浮选性能：①化学改性（含氧基团热解）；②物理结构调整（孔隙收缩）；③表面能降低（接触角增大）。分子动力学模拟直观呈现了药剂在改性表面的自发吸附过程，为开发新型复合预处理工艺奠定基础。值得注意的是，研究建立的250°C/1h工艺参数已在中试装置验证，较传统热解温度(>500°C)节能40%，兼具环境与经济效益。未来可结合人工智能优化多参数协同效应，推动煤气化固废处理向绿色低碳方向转型。

（注：全文数据均来自原文，Yalu Sun等作者未报告利益冲突，研究受国家自然科学基金联合基金[U23A20131]等资助）