关于亲水基团在静电作用主导下对烟煤润湿性影响的研究

《Applied Surface Science》：Study on the influence of hydrophilic groups on bituminous coal wettability under electrostatic dominance

本研究系统探究了四种不同亲水基团（硫酸根、磺酸根、羧酸根、羟基）的十二烷基表面活性剂对煤沥青润湿性的影响机制。通过宏观实验、FTIR、分子动力学模拟和DFT计算，揭示了表面活性剂通过增强煤-水界面相互作用、促进水分子迁移及稳定水化层等途径提升润湿性，其中阴离子表面活性剂（SDS）效能最优，降低接触角59.1°，并首次量化了静电作用的主导贡献。研究结果为高效煤尘润湿剂的设计提供了理论依据。

　　

Jinzhang Jia|Chaoyang Li|Peng Jia|Yinghuan Xing|Fengxiao Wang|Jiangfan Gao

辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，抚顺123000，中国

摘要

本研究通过实验和模拟技术，探讨了四种具有不同亲水基团的十二烷基型表面活性剂对烟煤润湿性能的影响机制。表面张力和润湿实验表明，这四种表面活性剂均能有效降低水的表面张力，其中阴离子表面活性剂的降张能力更为显著。随着溶液浓度的增加，润湿性能也随之提升。在0.8 wt%的浓度下，SDS表面活性剂表现出最佳的润湿效果，其降低的表面张力比纯水高出59.1°，降幅达71%。FTIR红外光谱分析显示，经过表面活性剂处理后，煤表面的官能团成分发生了变化：疏水基团的相对含量减少，而亲水基团的相对含量增加。分子动力学模拟表明，表面活性剂通过增强煤与水之间的相互作用、提高水分子的扩散系数以及促进其向煤表面的迁移，从而提高了煤的润湿性。DFT计算结果显示，阴离子表面活性剂具有较高的反应性和亲电性，能够增强水分子的极化作用并提高水化层的稳定性。本研究采用多尺度方法量化了不同亲水基团的效能差异，并揭示了静电相互作用的主要机制，填补了当前在理解微观机制方面的研究空白，为高效煤尘润湿剂的合理设计提供了理论基础和预测工具。

引言

在当今工业快速发展时代，煤炭的开采和加工活动十分普遍，由此产生了大量的煤尘。这不仅浪费了煤炭资源，还对生态环境、职业健康和生产安全构成了严重威胁[1,2]。在各种防尘和抑尘策略中，利用表面活性剂来提高煤尘的润湿性受到了广泛关注[3]。因此，研究表面活性剂与煤尘之间的润湿机制对于煤尘控制具有重要意义。

Liu等人[4]通过实验证明，向溶液中添加表面活性剂可以增强煤尘的润湿性。Huang等人[5]指出，表面活性剂的类型和浓度以及煤尘的固有性质是影响润湿效率的主要因素。Gui等人[6]选择了四种不同的表面活性剂，通过表面张力、接触角和沉降实验研究了影响煤尘润湿性的因素，结果表明表面活性剂的润湿性能随质量分数的增加而提高。Wang[7]筛选了四种高性能表面活性剂进行配比实验，证实混合表面活性剂的润湿性能优于单一表面活性剂。Shi等人[8]将阴离子-阴离子和阴离子-非离子表面活性剂混合使用，发现这种组合产生了协同效应。

随着计算机技术的进步，分子模拟逐渐成为研究界面吸附的有效工具。Han等人[9]利用实验和分子模拟技术研究了AEO₃表面活性剂在褐煤上的润湿性能和机制，并通过量子化学方法计算了表面活性剂分子的静电势。Meng等人[10]通过分子动力学模拟分析了水分子密度和表面活性剂吸附位点，阐明了表面活性剂在煤尘上的润湿机制。Yuan等人[11]通过分子动力学模拟研究了表面活性剂分子在煤尘上的润湿和吸附微观过程。Zhang等人[12]构建了煤/表面活性剂/水体系，研究了非离子表面活性剂水溶液在煤表面的聚集和吸附行为。

综上所述，现有研究证实表面活性剂可以改善煤尘的润湿性[13]，其中阴离子型表面活性剂通常优于非离子型表面活性剂，为本研究奠定了坚实基础。然而，当前的研究仍存在以下局限性：(1) 大多数研究仅停留在宏观性能比较层面，缺乏对不同阴离子基团效能差异的定量机制解释；(2) 从电子结构到宏观性能的多尺度关联分析尚不充分，特别是在表面活性剂在煤/水界面的吸附过程中，静电相互作用和氢键的定量贡献及其对水分子动力学的影响方面；(3) 尚未建立能够有效预测表面活性剂润湿效能的分子描述符，导致高效抑尘剂的开发主要依赖于经验方法。

本研究选择了四种十二烷基型表面活性剂作为模型系统：SDS（硫酸基团）、SDBS（磺酸基团）、LASS（羧基团）和AEO（羟基团）。这些表面活性剂的亲水基团涵盖了从高电荷密度阴离子（SO₄?、SO₃?）到非离子（OH）阴离子的完整梯度，从而能够系统地分析电荷对润湿性调节的影响。此外，这些表面活性剂在煤矿除尘中得到广泛应用，其均匀的十二烷基链消除了疏水链长度的干扰，确保了亲水基团的主导作用。本研究采用多尺度策略，结合宏观实验、FTIR、分子动力学模拟和DFT计算，旨在系统地研究不同亲水基团表面活性剂对烟煤润湿行为的调控机制。除了验证宏观性能差异外，研究还重点阐明了分子层面的相互作用细节，量化了关键驱动力，并探索了润湿性能的预测模型，为煤炭行业的除尘工作提供了更深入的理论基础和设计指导。

实验材料

实验中使用的煤为烟煤。原煤样品经过粉碎和筛分，得到粒径为100–200目的粉末。处理后的煤样品在40°C的干燥箱中干燥24小时。煤样品的元素分析结果见表1。

由于本研究关注的是不同亲水基团表面活性剂对煤尘润湿性的影响，因此选择了四种含有不同亲水基团的十二烷基型表面活性剂。

表面张力和煤尘沉降分析

纯水在室温下的表面张力为72.013 mN/m。煤尘沉降过程如图4所示。表面张力与煤尘沉降之间的关系如图5所示。

实验结果表明，这四种表面活性剂均能有效降低水的表面张力。当质量分数低于0.2%时，所有溶液的表面张力随浓度的增加而显著降低。

结论

• (1)
  通过系统的宏观尺度实验测量，发现了四种具有不同亲水基团的表面活性剂对烟煤润湿性能的显著差异及其浓度依赖性。在相同的质量分数（0.8 wt%）下，它们的润湿效果排序为：SDS（SO₄?）> SDBS（SO₃?）> LASS（COO?）> AEO（OH）。其中，SDS的润湿效果最显著，接触角相对于纯水降低了59.1°。

未引用参考文献

[2], [26]。

作者贡献声明

Jinzhang Jia：资源获取、项目管理、方法论制定、实验设计、资金筹集、数据分析、概念构建。Chaoyang Li：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件应用。Peng Jia：项目监督、资金筹集、数据分析。Yinghuan Xing：数据可视化、结果验证、项目监督、方法论制定、实验设计、数据分析。Fengxiao Wang：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52374203和52174183）和辽宁省教育厅（项目编号：LJ212410147002）的财政支持。