表面活性剂协同胺基改性二氧化硅(SiO2@NH2)强化煤体润湿的界面调控机制研究

为解决煤矿粉尘污染问题，中国研究人员创新性地提出通过硅烷偶联剂功能化改性二氧化硅(SiO2@NH2)，并引入表面活性剂协同调控煤体润湿性。研究发现两性表面活性剂(BS-12)因双电荷分子结构展现出最佳润湿效果，较阳离子表面活性剂(DTAB)显著降低表面张力，为煤层注水技术提供新材料与新思路。

　　

煤炭作为中国占比60%的一次能源支柱，在支撑经济发展的同时，高机械化开采带来的粉尘问题日益严峻。每分钟呼吸着3000毫克煤尘的矿工，不仅面临爆炸风险，更承受着尘肺病的致命威胁。传统煤层注水技术因水的表面张力高、煤体渗透性差，难以从源头抑制粉尘。如何破解这一"注得进水、润不透煤"的行业难题？山东科技大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究给出了创新解决方案。

研究团队采用"分子剪刀+润滑剂"的双重策略：首先用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对二氧化硅进行胺基功能化改性，制备出带正电荷的SiO₂@NH₂颗粒；继而引入四类表面活性剂（阴离子SDS、阳离子DTAB、两性BS-12、非离子CDEA）进行二次修饰。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)表征改性效果，结合密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学模拟，揭示界面吸附机制，最终通过表面张力和接触角实验验证润湿性能。

材料表征证实胺基化成功
FTIR光谱在1550 cm^-1处出现N-H弯曲振动峰，XPS显示N1s峰结合能为399.8 eV，证实APTES成功接枝。SEM显示改性后颗粒分散性提升，EDS检测到氮元素含量达4.7%。

表面活性剂类型决定协同效能
两性BS-12因同时携带正负电荷，与SiO₂@NH₂形成"头基静电锚定-尾链伸展"的稳定构象，使表面张力降至28.9 mN/m，接触角降低52%。而阴离子SDS因电荷排斥、非离子CDEA因空间位阻有限，改善效果较弱。

分子模拟揭示作用机制
DFT计算显示BS-12与SiO₂@NH₂的结合能(-67.3 kJ/mol)显著高于其他类型。分子动力学模拟观察到BS-12能在煤-水界面形成定向排列，其疏水尾链插入煤基质裂隙，加速水分渗透。

这项研究不仅开发出新型复合润湿剂，更创新性地建立了"无机核-有机壳"协同润湿理论模型。相比传统技术，该方案使注水效率提升3倍，为煤矿粉尘防控提供了从分子设计到工程应用的全链条解决方案。正如通讯作者Gang Zhou指出："这种表面活性剂调制的胺基二氧化硅，就像给煤体安装了‘分子级输水管道’，实现了润湿性能的精准调控。"该成果对保障矿工职业健康、预防尘肺病具有重要实践价值，也为功能性纳米材料在环境工程中的应用开辟了新路径。