研究表面活性剂混合物对无烟煤粉尘的润湿效果：结合实验和分子模拟方法

《Scientific Reports》：Investigating the wetting effectiveness of surfactant blends on anthracite coal dust: combined experimental and molecular simulation approaches

　　

摘要

传统的喷水方法由于这些煤尘颗粒的润湿性较差而常常效果不佳。为了解决这个问题，本研究采用了一种综合策略，将分子动力学（MD）模拟与实验室实验相结合，系统地探索了表面活性剂复合体系的润湿性能，并开发出了适用于阳泉矿区无烟煤粉尘的高效润湿剂。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及近似分析和终极分析对无烟煤样品进行了表征，发现其表面存在大量疏水基团。针对这一问题，利用Spiro无烟煤模型进行了分子动力学模拟，研究了煤-水以及煤-表面活性剂-水体系的行为。关键模拟指标（包括非键合相互作用能、均方位移（MSD）、静电势（ESP）分布和相对浓度）表明，选定的表面活性剂显著增强了水与煤表面的相互作用，降低了煤表面的疏水性。根据模拟数据，十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和十二烷基醇醚硫酸钠（AES）被认定为最有效的单体表面活性剂。这些发现通过接触角测量、表面张力分析及渗透测试得到了进一步验证。与不含表面活性剂的体系相比，所选表面活性剂显著提升了润湿性能：接触角降低了62.3%，表面张力降低了57.15%，渗透速率提高了4.4倍，证实了它们在改善润湿行为方面的实际效果。通过单因素实验验证了各表面活性剂的润湿能力，并测定了它们的临界胶束浓度（CMC）。结合正交实验进一步优化了化合物配方，最终确定最佳比例为0.25 wt% SDS + 0.20 wt% SDBS + 0.35 wt% AES。这种优化的表面活性剂复合材料具有良好的性质，如弱碱性、优异的流动性、低腐蚀性以及良好的环境兼容性，并且显著增强了无烟煤粉尘的润湿效果。