《Journal of Environmental Management》：Unveiling the multi-droplet dynamics in dust suppression: a combined numerical and molecular dynamics study on the wetting, coating, and agglomeration using biomass-betaine surfactants
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本研究通过多滴液数值模拟与分子动力学揭示复合表面活性剂（SDBS-RL-NaCl）抑制煤尘的协同机理，发现其显著提升除尘效率8.48%，降低表面张力至39.39 mN/m，促进煤粒聚集（D90达194.7 μm），主要归因于表面张力降低、生物分子渗透增强及双电层压缩效应。
Xuhan Ding|Qian Xu|Fei Liu|Huitian Peng|Yuting Wang|Minjun Ma|Yongzhe Zhang|Tao Wang|Zhenmin Luo
西安科技大学安全科学与工程学院，中国陕西省710054
摘要
本研究采用数值模拟和分子动力学方法，研究了使用复合生物质-表面活性剂系统（SDBS-RL-NaCl）抑制煤尘过程中多液滴的动态行为。该复合配方显著提升了抑尘效果，使抑尘效率提高了8.48%，溶液表面张力降至39.39 mN/m，并促进了煤粒子的聚集（D90达到194.7 μm）。介观尺度分析表明，其具有优异的润湿性能，表现为更快的扩散速度和更广泛的覆盖范围，这得益于协同作用机制：SDBS降低表面张力，RL促进生物分子进入微孔，NaCl压缩双电层以增强吸附效果。最佳润湿条件为液滴与粒子直径比大于1，撞击速度在5–10 m/s范围内；超过此范围后，过高的动能会导致表面包裹现象。在分子尺度上，SDBS-RL系统中的轨道能量互补性促进了更紧密的界面吸附，而更强的表面活性剂-煤粒子静电相互作用及水分子扩散共同增强了系统的吸水能力和优异的润湿性能。
引言
作为全球能源消耗的主要组成部分，煤炭在开采、加工和运输过程中会产生煤尘颗粒污染，这已成为阻碍能源清洁利用和生态环境可持续发展的关键问题（Gopinathan等人，2024；Jiang等人，2021）。煤尘不仅通过大气传输引发区域性雾霾和跨区域污染，其表面还携带多环芳烃（PAHs）和重金属等有毒物质。这些物质通过呼吸系统进入人体，导致尘肺病和肺癌等职业病，对矿工和周边居民的健康构成严重威胁（Nie等人，2022a；Chen等人，2024）。根据世界卫生组织（WHO）的统计数据显示，煤尘污染每年导致全球超过200万人过早死亡（Wang等人，2020；Ding等人，2025a）。截至2024年，新诊断的尘肺病病例占中国所有新确认职业病的90%，其中煤矿工人占多数（Xia等人，2024；Zou等人，2024）。因此，制定有效策略并开发高效、环保、经济的煤尘抑制剂以控制和减轻煤尘污染对环境保护和公共卫生至关重要。
在煤尘控制技术领域，湿法除尘方法因其高效性和环保性而得到广泛应用（Qi等人，2023；Amoah等人，2025）。Fan等人（2018）通过优化配方和选择不同的润湿剂提升了润湿性能，从而提高了喷雾抑尘效率。Zhang等人（2018）利用复合合成技术制备并优化了一种有机抑尘剂，通过测量润湿和聚集性能参数来研究和分析其抑尘机制。在湿法除尘过程中，液滴与煤粒子之间的相互作用是核心。液滴撞击煤粒子时的动态行为（如碰撞、扩散、润湿、聚集和反弹）直接影响煤尘的捕获效率和沉降效果（Niu等人，2021）。深入理解这些动态过程对于优化湿法除尘过程和提高除尘效率具有重要的理论指导意义。近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法在研究液滴与粒子相互作用方面显示出独特优势。通过构建精确的数值模型，可以详细捕捉液滴撞击煤粒子过程中的复杂物理现象，揭示其内在机制，并为实验研究提供有力补充和验证（Cai等人，2019；Zhang等人，2022）。Malgarinos等人（2016）识别了液滴撞击静止球形粒子时的两种不同状态：部分/完全反弹和涂层形成。Zhu等人（2023）对实际尺寸的水滴与煤粒子的碰撞进行了数值模拟和实验研究，确定了四种不同的碰撞结果：液滴反弹、包裹、破裂和飞溅。此外，还提出了不同尺寸液滴的最佳碰撞速度范围。Han等人（2021）数值模拟了液滴撞击球形煤粒子前的变形过程及撞击过程中的动态润湿特性，探讨了液滴速度、粒子与液滴直径比以及液滴在煤尘表面扩散长度之间的关系。此外，还观察到了液-尘界面处气泡的捕获现象。Xu等人（2023）模拟了单个液滴撞击球形煤尘的过程，发现当尺寸比超过2时，液滴可以完全包裹煤尘。在较低初始速度下，液滴接触尘后会收缩并反弹；随着速度增加，煤尘迅速被润湿并包裹。Sarma等人（2024）以表面张力差（K）为参数，研究了二元液滴碰撞的动态和扩散行为。实验结果表明，表面张力差影响液滴的最大扩散长度，且随着差值的增大，扩散长度减小。Sun等人（2023）通过实验和分子模拟方法研究了带电水滴对煤尘的吸附效果，发现带电水雾增强了与煤尘的静电相互作用。Ding等人（2024a）结合分子尺度实验研究和理论分析，对短链氟碳表面活性剂FS-50和FS-3100进行了研究，得出FS-50优于FS-3100的关键在于其更大的静电势差、更多的氢键、更短的键长以及与煤分子更大的键角。
然而，目前大多数研究主要集中在单个液滴撞击单个粒子的场景上，缺乏对多个液滴同时撞击煤粒子的复杂场景的深入系统研究，尤其是三个液滴协同作用下的动态行为。在实际工作条件下，煤尘环境通常具有高浓度和多粒子分布特征，液滴在沉降过程中可能同时与多个煤粒子相互作用。因此，对三个液滴撞击煤粒子的数值模拟不仅能更真实地反映湿法除尘过程中的实际情况，还能帮助更深入地理解多液滴协同作用下的煤尘润湿和聚集机制，为优化除尘设备设计和提高除尘效率提供科学依据。
因此，本研究结合数值模拟和分子动力学模拟，研究了使用生物质衍生的甜菜碱表面活性剂进行抑尘时多个液滴的动态行为。润湿、涂层和聚集现象得到了清晰阐释。通过开发高精度数值模型，系统地考察了液滴特性、撞击速度、液滴尺寸等相关参数的影响。这旨在揭示多液滴协同作用下的润湿和聚集原理，为煤炭行业湿法除尘技术的创新和发展提供理论支持。此外，微观尺度上的分子动力学模拟有助于更深入地理解抑尘机制。总之，本研究将有助于开发新型高效抑尘剂，促进生物质和碳氢基表面活性剂在环境保护中的应用，并通过综合数值和分子模拟方法加深对多尺度相互作用的理解。
材料
根据煤粒径和稳定性的实验要求，选用了大理uta煤矿的烟煤作为测试材料。原始煤样首先经过破碎和筛分，得到粒径小于50 μm的均匀样品。随后进行了工业分析以确定煤的基本物理化学性质，结果见表1。为防止氧化，煤样在真空条件下进行了干燥
抑尘性能
图5展示了六种溶液组合对烟煤的除尘过程及剩余悬浮煤尘浓度结果。对于烟煤颗粒，当SDBS的浓度从0.1 wt%增加到0.3 wt%时，达到稳定剩余煤尘浓度所需的时间从25秒缩短至23秒。加入0.3 wt% RL和0.1 wt% NaCl后，烟煤达到相同剩余煤尘浓度所需的时间为
结论
本研究采用数值模拟和分子动力学模拟，研究了使用生物质衍生的甜菜碱表面活性剂进行抑尘时多个液滴的动态行为。润湿、涂层和聚集现象得到了清晰阐释。实验结果表明，将生物质表面活性剂（RL）和电解质（NaCl）引入碳氢表面活性剂（SDBS）系统中显著提升了抑尘效果
作者贡献声明
Xuhan Ding：撰写初稿、获取资金、概念构思。Qian Xu：软件开发、方法论设计、实验研究。Fei Liu：资源调配。Huitian Peng：数据整理。Yuting Wang：撰写与编辑。Minjun Ma：结果验证。Yongzhe Zhang：数据可视化。Tao Wang：形式分析。Zhenmin Luo：项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52204234）的支持。
