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表面活性剂微观理化特性对宏观煤尘湿润性能的影响机制研究。采用多尺度方法整合宏观实验、介观碰撞模拟和分子动力学，系统揭示SDS、AES、APG、DTAB的湿润性能差异及跨尺度作用机理，发现静电势极值强度与水分子吸附量正相关，提出基于电子结构的表面活性剂理性筛选标准。
聂文|刘飞|牛文进|田启凡|李若曦
由山东省和科学技术部共同资助的矿山灾害防治国家重点实验室，位于中国青岛市山东科技大学，邮编266590
摘要
表面活性剂在矿尘控制中得到广泛应用；然而，微观物理化学性质如何决定宏观润湿性能的机制尚未完全阐明，这限制了高效试剂的合理设计。为了解决这一问题，本研究采用多尺度方法，结合宏观实验、介观尺度尘滴碰撞建模和分子动力学模拟，系统地揭示了四种典型表面活性剂（SDS、AES、APG和DTAB）的润湿性能差异及其多尺度机制。宏观实验（包括表面张力测量和基于喷雾的粉尘抑制测试）确定了润湿性能的顺序为SDS > AES > APG > DTAB。介观尺度碰撞模拟阐明了尘滴的物理化学性质、速度和大小如何影响煤尘的包裹和润湿效率。分子模拟定量揭示了润湿性与界面水化层结构和氢键网络之间的内在关联。关键在于，亲水头基区域内静电势极值的强度和空间分布是水分子吸附能力和量的决定性因素。这些发现不仅阐明了煤尘润湿的跨尺度机制，还为从传统的经验试错方法转向基于电子特性的表面活性剂合理筛选和设计提供了重要的理论基础。
引言
煤炭的安全生产是国家战略发展的基石，因为它是中国的主要能源来源。安全生产的一个挑战是细小的煤尘颗粒容易深入肺部，导致炎症、肺纤维化和呼吸功能障碍，从而引发尘肺病。因此，煤尘在煤炭开采作业中的普遍存在已成为采矿行业一个紧迫的职业健康问题（Nie等人，2022, 2023, 2025, 2026；Li等人，2024；Liu等人，2026；Niu等人，2026；Peng等人，2026；Xu等人，2023）。为了减少尘肺病的发生，中国和澳大利亚分别制定了“健康中国2030”计划和国家尘病工作组等国家政策。尽管做出了这些努力，与煤尘相关的职业病的预防和控制仍面临重大挑战。例如，2023年底中国报告了103.4万例职业病病例，其中约93.1万例为职业性尘肺病。煤矿工人占尘肺病病例的一半以上，表明这对矿工的生命构成了严重威胁，同时也带来了巨大的社会经济负担（Peng等人，2024；Wu等人，2025；Wang等人，2016, 2019, 2022, 2025；Gao等人，2023, 2025；Luo等人，2026；Meng等人，2019；Nie等人，2024；Xu等人，2023；Yang等人，2025；Yu等人，2025）。
目前的粉尘控制方法主要包括煤层注水、通风除尘和水雾抑制。其中，水雾抑制是最广泛应用的粉尘控制技术之一，通过添加表面活性剂或对水溶液进行磁化可以进一步提高其效率（Fan等人，2025）。Ding等人采用多尺度方法，结合宏观实验和分子建模，研究了短链氟碳表面活性剂（FS-50和FS-3100）对煤尘的润湿和聚集机制（Ding等人，2024）。他们的研究发现，FS-50在沉积煤尘方面比FS-3100更有效，因为FS-50的除尘率更高，抑制时间更短。Zhou等人利用红外光谱和ζ电位分析研究了不同表面活性剂吸附后煤尘表面物理化学性质的变化（Zhou等人，2023）。他们发现阴离子表面活性剂比非离子表面活性剂更容易吸附在煤尘表面，而阴离子和非离子表面活性剂的组合可以提供更强的粉尘抑制效果。同样，Zhou等人还研究了不同表面活性剂溶液的表面张力和接触角，发现α-烯烃磺酸钠和十二烷基羟丙基磺甜菜碱的复合溶液具有良好的耐盐性和润湿性，显著提高了水雾抑制的效果（Zhou等人，2025）。然而，尽管这些研究在识别宏观模式和优化表面活性剂选择方面取得了进展，但它们主要集中在现象学描述或平衡态分子模拟上，缺乏对表面活性剂性能差异内在原因的定量阐释，难以建立通用的分子设计标准。
在介观尺度上，一些研究人员关注了液滴包裹和润湿球形粉尘颗粒的过程。Amani等人分析了液滴总能量各组分之间的平衡关系，用无量纲参数描述能量，并通过理论计算验证了模拟结果，为理解和预测液滴碰撞行为提供了坚实的基础（Amani等人，2019）。Milacic等人使用耦合浸没边界和体积流体（VOF）方法的直接数值模拟研究了液滴在球形表面上的扩散行为（Milacic等人，2019）。通过跟踪液滴接触面积并拟合接触角与界面曲率之间的幂律关系，他们发现随着表面曲率的增加，液滴扩散面积减小。此外，幂律关系的前因子受接触角显著影响，而指数随表面曲率的增加而线性减小。Yang等人利用VOF方法建立了三维（3D）模型，并得出结论：对于给定的韦伯数，液滴在亲水表面上扩散更快，达到更大的最大扩散直径（Yang等人，2021）。尽管这些流体动力学模型能够充分描述理想条件下的液滴扩散，但其适用性仍较弱，与实际工程的结合不足。
总之，尽管在各个尺度上积累了大量研究，但在跨尺度相关性和机制阐释方面仍存在显著限制。目前，缺乏系统性地结合宏观实验、介观尺度尘滴碰撞和微观尺度分子润湿机制的研究。具体来说，现有研究通常仅限于总结宏观模式或单尺度分析，缺乏基于量子化学视角的定量分子级标准。特别是，不同离子表面活性剂之间润湿性能差异的电子结构起源缺乏深入阐释。此外，控制介观尺度动态液滴-颗粒包裹的机制尚不清楚，难以建立从微观电子结构到宏观润湿行为的映射机制。因此，高效粉尘抑制剂的筛选和设计缺乏深入的理论支持。
为了解决上述问题，本研究采用多尺度方法，结合微观尺度分子动力学和量子化学模拟、介观尺度尘滴碰撞建模以及宏观尺度喷雾抑制实验，系统研究了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基醇醚硫酸钠（AES）、非离子表面活性剂烷基聚葡萄糖苷（APG）以及阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）在煤尘上的润湿和聚集机制。这项工作确定了表面活性剂提高润湿性能的机制，确定了不同类型表面活性剂的最佳喷雾速度范围和液滴尺寸标准，并建立了分子水平上的润湿性能定量评估标准。这些发现不仅阐明了煤尘润湿的跨尺度机制，还创新性地提出了基于静电势（ESP）极值和前沿轨道分布的表面活性剂筛选标准。这些贡献为高效粉尘抑制剂的合理设计和喷雾参数的科学优化提供了理论支持。
材料与仪器
本研究使用的表面活性剂为SDS、AES、APG和DTAB。煤样来自中国陕西省的大柳塔煤矿。收集的原始煤经过破碎和筛分，得到粒径小于200目（<74 μm）的实验样品。模拟中使用的分子结构（如图1所示）基于以往的研究（ChemicalBook，无日期；Han等人，2024）。
实验和分析所使用的设备包括电子分析仪等
物理模型
最初，假设液滴和粉尘颗粒为完美球体，如图3所示。为了消除计算边界对模拟结果的影响，模型域设置为300 × 100 × 100 μm3。模拟的边界远大于液滴和粉尘颗粒的最大直径，从而消除了边界效应。域内的环境处于正常大气压。
表面张力和接触角分析
如图5所示，较低的表面张力值表明表面活性剂溶液更容易润湿煤表面。图中包含了表示三次测量标准偏差的误差条。这些误差条的狭窄范围（通常< 0.5 mN/m）表明独立实验之间的变异性很小，证明了测量表面张力数据的高统计可靠性和稳健性。
结论
通过结合宏观实验、介观尺度液滴-粉尘碰撞建模和微观分子模拟，本研究系统地构建了从表面活性剂的分子电子结构到液滴-粉尘相互作用动态行为，最终到宏观润湿效率的全面映射关系。研究结果阐明了基于静电势和前沿轨道的分子设计标准，以指导表面活性剂的合理选择
CRediT作者贡献声明
聂文：撰写 – 审稿与编辑、研究、资金获取、概念化。刘飞：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、研究、数据管理。牛文进：撰写 – 初稿撰写、软件应用、研究、概念化。田启凡：可视化处理、软件应用、研究。李若曦：可视化处理、软件应用。
利益冲突声明
√ 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国自然科学基金（52174191、52374213）、国家重点研发计划（2023YFC2509300）、国家高层次人才特殊支持计划（SQ2022QB01009）、山东省自然科学基金（ZR2022JQ26）、山东省泰山学者和青年专家计划（tsqn202211155）、青年人才支持基金（2023GJJLJRC-069）以及中国留学基金委计划（202408370219）的资助。
