不同pH条件下Al2O3纳米流体调控煤体润湿性与气体吸附-解吸机制的分子模拟与实验研究

本文系统研究了不同pH值及浓度Al2O3纳米流体对煤体润湿性、含氧官能团演化及气体吸附-解吸行为的影响机制。通过分子动力学模拟（MD）、接触角测定、Zeta电位、汞侵入法（MIP）、甲烷吸附实验及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多维度分析，揭示了纳米流体"分散-润湿-腐蚀"协同作用机制，为高瓦斯煤层高效瓦斯抽采与粉尘防治提供了创新性理论支撑。

　　

Highlight

煤样（Coal sample）

本研究所用煤样采集自甘肃兰州金河煤矿（图1）。原煤经球磨机粉碎研磨后，通过200目标准筛获得粒径0.074 mm的煤粉。样品在60°C烘箱中干燥48小时后密封保存备用（图2a）。

纳米流体溶液（Nanofluid solution）

本实验采用平均直径30 nm、纯度99.9%、分布均匀的Al₂O₃纳米颗粒制备纳米流体溶液。

MD吸附状态分析（Analysis of MD adsorption states）

图6展示了经过500 ps分子动力学（MD）模拟后H₂O/煤和H₂O/Al₂O₃/煤体系的平衡吸附构型。如图所示，两个体系中的水分子与煤分子初始均未直接相互作用，通过动态模拟逐渐趋向吸附平衡。

在H₂O/煤体系（图6a）中，水分子从煤分子层外部缓慢渗透，形成相对均匀但稀疏的吸附层。

结论（Conclusion）

(1) 在煤/Al₂O₃/H₂O体系中，Al₂O₃纳米颗粒的引入显著使水分子分布向煤表面偏移，将煤-水重叠深度增加至32.96 ?，较煤/H₂O体系提升44.43%。

(2) Al₂O₃纳米流体在酸性条件下表现出优异的分散稳定性，这体现在较高的绝对Zeta电位值。相反，在接近零电荷点（PZC）的pH 9条件下，颗粒易发生聚集。