矿井水中无机盐的静电屏蔽效应调节了SDBS表面活性剂辅助的煤尘抑制作用：实验与分子模拟研究

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《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Inorganic salt electrostatic shielding effects in mine water regulate SDBS surfactant-assisted coal dust suppression: experimental and molecular simulation

【字体：大中小】 时间：2026年01月27日 来源：Journal of Environmental Chemical Engineering 7.2

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　　表面活性剂协同无机离子抑制煤尘的机理研究通过实验、分子动力学和密度泛函理论揭示，Na?、K?、Ca2?通过压缩双电层增强静电屏蔽，促进表面活性剂有序排列和氢键网络形成，使接触面积提升15.9%，显著降低界面张力并加速水滴铺展，为优化抑尘剂提供理论依据。

Hongfu Jia|Jiangshi Zhang|Chenjie Kang|Linquan Tong|Qiao Wang

中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083，中国

摘要

表面活性剂辅助的润湿作用对于减少可吸入煤尘至关重要，然而矿井水中无机离子如何调节表面活性剂与煤之间的相互作用的具体分子机制至今尚未明确。本文结合宏观润湿实验、分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT），阐明了Na?、K?和Ca2?离子如何调节十二烷基苯磺酸钠（SDBS）在烟煤表面的界面行为。实验表明，添加的阳离子能够降低界面张力并加速液滴扩散，其中Ca2?的效果最为显著。分子动力学模拟显示，阳离子诱导的电荷双层压缩减少了头基团的排斥力，促进了SDBS在气液界面的有序排列，增强了氢键网络，并增加了煤与水的接触面积；特别是Ca2?–SDBS组合使接触面积增加了约15.9%。密度泛函理论分析表明，离子吸附降低了SDBS和煤功能基团（–OH、–COOH）的负电荷，通过增强的库仑相互作用稳定了界面吸附。这些结果共同证实了无机盐通过两种机制——静电屏蔽和界面结构重排——来增强表面活性剂在煤表面的润湿效果。这些机制性见解为设计高效、低剂量且与矿井水兼容的粉尘抑制剂提供了分子基础，从而减少地下采矿中的有害颗粒物暴露。

引言

长期以来，煤炭一直是中国能源结构的主要组成部分，也是国家能源安全的关键支柱[1]、[2]。然而，煤炭的开采和利用不可避免地会产生大量粉尘，这已成为采矿行业绿色转型和安全生产面临的主要挑战。长期暴露于煤尘中对矿工的呼吸健康构成严重风险，在某些条件下甚至可能引发爆炸[3]、[4]。此外，粉尘还对采矿作业和设备产生多种负面影响，如干扰监测和控制系统、加速机械磨损，并阻碍智能采矿技术的进步[5]、[6]。因此，优先开发高效、环保且耐用的粉尘抑制技术对于实现工业安全与生态保护之间的平衡至关重要。

实际上，湿法粉尘抑制是主要的控制策略，辅以基于通风的粉尘清除方法。常见的湿法抑制技术包括喷雾粉尘控制和煤层注水[7]、[8]。由于喷雾粉尘控制的灵活性和即时性，它已成为矿井粉尘控制的首选方法[9]。喷雾液滴的润湿性和捕尘能力是抑制效率的关键决定因素。具体而言，液滴捕获效率取决于它们快速扩散、均匀覆盖煤表面以及促进颗粒聚集和沉降的能力[10]、[11]。因此，提高液滴的润湿性对于提升粉尘抑制效率至关重要。在各种类型的煤尘中，烟煤粉尘由于其相对较低的煤化程度和柔软的质地，在开采和运输过程中特别容易破碎。开采和运输过程中的粉碎会产生尺寸小、比表面积大且带有明显电荷的细颗粒；这些气溶胶在空气中悬浮时间较长，普通水雾难以有效捕捉，从而加剧了粉尘管理的问题[12]、[13]。

表面活性剂在其分子结构中同时含有亲水基团和疏水基团[14]，表现出优异的界面活性。它们能有效降低液滴表面张力，增强液滴在煤尘表面的雾化、润湿和扩散效果[15]。最近的研究越来越多地探讨了表面活性剂如何调控煤尘的润湿过程。实验表明，非离子型与阴离子型表面活性剂的混合物具有协同作用，进一步降低了表面张力和接触角，从而提高了润湿性和颗粒沉降效率[16]、[17]。光谱分析（如FTIR、XPS）显示，表面活性剂通过增加煤表面的亲水基团密度来提高润湿性[18]、[19]。此外，亲水-疏水结构的变化及其与煤功能基团的相互作用已被确定为影响吸附密度和润湿性能的关键因素[20]、[21]。在现有的表面活性剂中，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为一种环保型阴离子表面活性剂，因其高界面活性和良好的分散性而在煤尘控制中得到广泛应用。通过降低液滴表面张力、提高煤表面润湿性以及促进颗粒聚集，SDBS显著增强了液滴的捕尘能力[22]、[23]。

除了实验方法外，分子模拟已成为研究煤尘润湿和抑制剂机制的重要工具。分子动力学（MD）模拟能够在原子尺度上揭示表面活性剂在气-液-固界面上的吸附构型、扩散行为和分子间相互作用，从而提供实验无法获得的见解[24]、[25]。先前对SDS、SDBS和Triton X-100等表面活性剂及其混合物的MD研究表明，静电相互作用和疏水效应是提高润湿性的主导因素[26]、[27]。此外，将MD与密度泛函理论（DFT）相结合的多尺度方法已被用于阐明液滴扩散、氢键网络形成和界面能量演变的时间依赖过程，为表面活性剂筛选和抑制剂配方优化提供了实用的理论指导[28]。

值得注意的是，矿井水是最常用的喷雾粉尘抑制和煤层注水溶剂。这种水中通常含有丰富的无机盐（如Na?、K?、Ca2?），这些盐来源于周围岩石、矿石和地下水的长期浸出和溶解[29]。同时，压裂液也富含多种无机盐。这些盐进入矿井水循环系统后，会增加喷雾管道中的无机盐含量。离子组成和浓度的变化可能显著改变表面活性剂的界面聚集、吸附和润湿行为，从而影响基于喷雾的粉尘捕获效率。从机制角度来看，溶液中盐解离释放的金属阳离子可以强烈调节表面活性剂分子与煤尘颗粒表面电荷双层结构之间的静电相互作用。煤尘表面通常带有负电荷，尤其是细颗粒的电荷作用尤为强烈[30]。在这种情况下，矿井水中的金属阳离子可以通过静电屏蔽作用调节表面电势，从而影响SDBS的吸附构型和润湿性能。然而，大多数现有研究仅关注单一盐（如NaCl）对表面张力的影响[31]，对不同价态阳离子如何协同调节气-液-固界面的SDBS润湿作用及其背后的分子机制缺乏系统研究。此外，液滴对粉尘的捕获不仅是一个静态的润湿过程，还涉及复杂的动态三相界面相互作用。液滴的扩散速率和范围直接影响粉尘收集效率[32]。然而，目前对于无机盐和SDBS共同作用下的动态润湿行为了解不足，分子层面的机制性认识仍然有限。这一知识空白限制了粉尘抑制剂的优化和实际应用。

在本研究中，我们结合宏观实验、MD模拟和DFT计算，揭示了矿井水中的阳离子（Na?、K?和Ca2?）如何通过静电屏蔽作用调节SDBS溶液中烟煤的润湿性。实验量化了表面张力、吸附、接触角和动态扩散的变化，而DFT/MD则解析了背后的界面相互作用、吸附结构、氢键形成和水扩散过程。这些结果共同为优化润湿剂配方和提高采矿中的喷雾粉尘抑制效果提供了机制基础。

实验煤样

烟煤样品（YM）来自内蒙古的海岱沟矿。新鲜原煤经过破碎和筛分，得到100–200目颗粒。其中一部分样品进行了初步分析，结果总结在表1中。筛分后的煤样经过脱矿处理以减少无机杂质的干扰，密封以防氧化，并用于后续的吸附测量和ζ电位（ζ-potential）测试。此外，还准备了直径为25毫米的原始煤样圆盘。