聶 文,牛文進,鮑 秋,于豐寧,田起凡

(1. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地,山東 青島 266590;2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院,山東 青島 266590)

在面臨重大氣象災(zāi)害尤其是寒潮發(fā)生時,國家的能源應(yīng)急調(diào)峰儲備能力備受考驗,在2021年我國面對極冷寒潮的過程中,煤炭資源在解決居民生活需求和工業(yè)發(fā)展用電的過程中發(fā)揮了極其重要的作用,煤炭在中國能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)地位長時間內(nèi)不會改變。如何更安全地產(chǎn)煤是亟待解決的問題,尤其是采煤過程中的煤塵顆粒,其粒徑小于30 μm,往往會懸浮在空氣中,會對人體造成極為嚴(yán)重的危害。如何更簡單有效地抑制煤塵飛揚是煤塵防治中的重要一環(huán)[1]。

在煤塵防控環(huán)節(jié),使懸浮于空氣中的煤塵顆粒在外力作用下主動或被動地發(fā)生沉降,這是抑制浮塵的基本原理。在實踐中,表面活性劑具有良好的潤濕性,通過噴灑表面活性劑溶液來促進水在煤顆粒上的吸附,進而促進煤塵的沉降,因此表面活性劑的優(yōu)劣將直接影響抑塵效果的好壞,如何篩選性能更為優(yōu)異的表面活性劑是現(xiàn)在面臨的主要工作[2-3]。楊靜等[4]通過表面張力實驗進行復(fù)合抑塵劑中的表面活性劑的遴選;王振華[5]采用正向滲透性實驗方法研究表面活性劑溶液對煤塵潤濕性的影響,發(fā)現(xiàn)陰離子表面活性劑溶液中添加無機鹽會使溶液對煤塵的潤濕性有較大提高。張京兆等[6]通過煤塵沉降實驗研究了復(fù)配型表面活性劑溶液對不同粒徑煤塵的潤濕效能。上述研究均是通過實驗進行優(yōu)選,此項工作不僅費時費力、浪費資源,而且效率低下。而基于經(jīng)典物理學(xué)的分子動力學(xué)模擬技術(shù)及相關(guān)軟件已經(jīng)相當(dāng)成熟,并且成功運用到化學(xué)、物理以及材料等領(lǐng)域。吳姁等[7]通過分子動力學(xué)模擬來研究陰離子/兩性離子表面活性劑在油-水界面的分子行為及協(xié)同效應(yīng),并通過疏水尾鏈序參數(shù)(SCD)進一步證明SDS拉伸程度更大,疏水性更好;程瑤爽[8]通過模擬非離子表面活性劑NP-4與稠油的相互作用過程,發(fā)現(xiàn)表面活性劑會吸附于油水界面以提高界面的親水性,從而促進油水混合;EWA Lorenc-Grabowska等[9]研究了孔徑分布對苯酚在PET基活性炭上吸附的影響,證明苯酚吸附的主要機理是微孔填充,吸附苯酚的體積與寬度為0.8～1.4 nm的孔隙體積之間的相關(guān)系數(shù)高達0.96。葛英勇等[10]采用ΔEHOMO-LUMO和鍵合原子靜電荷作為判斷烷基多胺醚陽離子和十二胺陽離子穩(wěn)定性或反應(yīng)活性的依據(jù),進而比較二者對碧玉和磁鐵礦的捕收能力。但利用分子動力學(xué)模擬來進行礦用抑塵劑材料的遴選相關(guān)方面研究較少。因此通過選擇恰當(dāng)?shù)牧?計算分子勢能并進行能量最小化來模擬相關(guān)分子的相互作用,從而更為精確地分析抑塵作用機理,選擇更為恰當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣?來達到提高抑塵效果的目的是具有一定意義的。

筆者通過分子動力學(xué)模擬3種不同的表面活性劑SDBS、快速滲透劑T以及CAB對煤塵潤濕性的影響并分析其潤濕機理。通過前線軌道能量差、靜電勢以及氫鍵形成數(shù)目的角度深入分析不同表面活性劑潤濕性不同的成因,并通過相對濃度分析、徑向函數(shù)分布分析和潤濕性實驗進行論證,結(jié)合現(xiàn)代先進的實驗、檢測和分析手段,實現(xiàn)了材料實際性能和分子間相互作用的宏觀和微觀顯示。

1 儀器和材料

由于陰離子表面活性劑的潤濕效果和應(yīng)用范圍較好,并在此基礎(chǔ)上考慮到環(huán)保與成本因素,筆者選擇了陰離子表面活性劑快速滲透劑T、SDBS以及兩性離子表面活性劑CAB作為實驗樣品。煤是一種疏水物質(zhì),在表面具有大量的疏水位點和少量親水位點,通常對外表現(xiàn)為帶有大量負(fù)電荷。選擇王坡煤礦的煤樣,其與水溶液之間的接觸角69.82°,潤濕性較差,通過偏顯微鏡和工業(yè)分析實驗測定屬于低階煤中的褐煤,實驗結(jié)果見表1。此煤種在世界范圍內(nèi)占比較大,具有較好的代表性,煤的粒徑大小分布由超高速智能粒度分析儀檢測,結(jié)果如圖1所示。煤塵樣品中粒徑小于95.1 μm的顆粒占90%;小于46.8 μm的顆粒占50%;小于1.99 μm的顆粒占10%。表面活性劑及煤分子構(gòu)型如圖2所示[11-12]。表面活性劑材料與儀器使用見表2、3。

表1 煤樣的鏡質(zhì)組反射率與工業(yè)分析

圖1 煤樣粒徑分布Fig.1 Coal particle size distribution

圖2 表面活性劑與煤分子示意Fig.2 Schematic of surfactant and coal molecules

表2 實驗所用藥品

為充分展示水分子的遷移效果,利用Materials Studio軟件構(gòu)建7個表面活性劑分子、1 000個水分子以及10個煤分子的三元模擬體系,為排除邊界效應(yīng),將模型放置在5 nm×5 nm×10 nm的非晶胞盒子中,使得晶胞周圍具有與其相同的粒子排列和運動。力場選擇COMPASSII力場,COMPASSII力場是第1個從頭計算的力場,它可以精確地模擬和預(yù)測大范圍內(nèi)單個分子或凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、概念、振動頻率和熱力學(xué)性質(zhì),通過COMPASSII力場模型賦予相應(yīng)的電荷,然后進行分子動力學(xué)計算。對模型進行幾何優(yōu)化能量最小化模擬,使其達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后,進行在NVT系綜水平下的350 ps的分子動力學(xué)模擬,其中時間步長選擇1.0 fs,并指定0.004 18 kJ/mol為最大能量變化的收斂閾值和20.9 kJ/(mol·nm)為最大作用力的收斂閾值[13]。

表3 儀器

2 表面活性劑潤濕性的微觀判斷

2.1 分子軌道分析

為了從能量角度分析表面活性劑和低階煤表面的相互作用,通過計算量單個表面活性劑分子前線軌道能量,依據(jù)能量判據(jù)分析不同表面活性劑分子結(jié)構(gòu)不同從而導(dǎo)致潤濕性的差異。分子中被占軌道能級最高的軌道稱為最高占據(jù)軌道(HOMO),能級最低的軌道稱為最低空軌道(LUMO)。它們的能量差ΔE是一個重要的穩(wěn)定性指標(biāo),ΔE負(fù)值越大,表明分子穩(wěn)定性越高,反應(yīng)活性越低;ΔE負(fù)值越小,表明分子穩(wěn)定性越低,反應(yīng)活性越高[14-16]。因此通過能級差來度量藥劑與礦物的化學(xué)反應(yīng)能力,其值越小,說明藥劑與礦物親固能力越強?；诖死碚?利用Materials Studio 軟件中的Dmol3模塊,對快速滲透劑T,SDBS以及CAB進行軌道能量分析,結(jié)果如圖3所示?？焖贊B透劑T的軌道能量差最大,CAB的最小,初步反映出快速滲透劑T活性較好,其對煤塵親固能力較強,對煤塵的潤濕效果高于其他表面活性劑。

圖3 不同表面活性劑的前線軌道能量差Fig.3 Energy difference of frontline orbit for different surfactants

根據(jù)分子軌道理論,LUMO、HOMO上電荷密度最大的位置最易發(fā)生反應(yīng)。圖4為不同表面活性劑分子的HUMO,LUMO波函數(shù)分布。其形狀反映了各原子的電荷密度分布,分子的HOMO全部位于陰離子官能團,LUMO更多集中在正電荷中心,這意味著表面活性劑的活性更多地集中在官能團和正電荷中心。因此可以推斷出對HOMO、LUMO貢獻最大的原子或基團,確定分子中活性較高的位置,即容易發(fā)生反應(yīng)的位置。為下一步分子靜電勢分析提供分析依據(jù)。

圖4 軌道能量Fig.4 Orbital energy

2.2 靜電勢分析

通過將分子的靜電勢映射到總電子密度面上,并利用電子密度數(shù)據(jù)構(gòu)建出范德華表面來分析所構(gòu)建分子的靜電性質(zhì)[17]。煤的表面通常帶有負(fù)電荷,富含大量的芳香烴、環(huán)烷烴基團,容易進攻帶正電荷的反應(yīng)物分子,如圖5所示。表面活性劑中藍色區(qū)域最深的部位在極性基團處,極易與溶液中的水分子結(jié)合形成氫鍵;紅色廣泛分布在疏水鏈基團附近,主要是在疏水鍵合作用下與煤分子結(jié)合,進而形成表面活性劑的疏水鏈吸附在煤表面、親水基團伸向水中的吸附結(jié)構(gòu),如圖6、7所示。

圖5 煤分子靜電勢Fig.5 Electrostatic potential of coal molecules

圖6 表面活性劑與煤分子吸附示意Fig.6 Schematic of surfactant and coal molecule adsorption

表面活性劑潤濕性的差異在微觀體現(xiàn)在與水分子形成氫鍵的數(shù)量和難易程度上,越容易形成氫鍵、氫鍵數(shù)量越多則越易在溶液表面快速形成一層密集陣列,從而降低溶液表面張力。對氫鍵形成的位置和難易程度的判斷可以通過靜電勢分布反映出。圖8反映了不同表面活性劑分子的靜電勢分布,其中,快速滲透劑T與SDBS相比,靜電勢極值的絕對值均大于SDBS分子,在圖中是通過顏色區(qū)域的深度來體現(xiàn)的。靜電勢絕對值越大,靜電勢區(qū)域顏色越深,引起靜電吸引相互作用的概率越大,與水分子形成氫鍵的數(shù)量越多;在實際實驗過程中,快滲透表面活性劑溶液的表面張力更小,煤塵沉降速度更快,這與模擬結(jié)果相一致。

圖7 表面活性劑與水分子靜電勢穿透示意Fig.7 Electrostatic potential penetration of surfactant and water molecules

圖8 表面活性劑靜電勢分布Fig.8 Surfactant electrostatic potential distribution

上文通過靜電勢分析初步探索了不同表面活性劑形成氫鍵的難易,本節(jié)通過利用腳本模擬計算表面活性劑水環(huán)境下形成氫鍵的數(shù)量來反映潤濕性的差異。構(gòu)建表面活性劑溶液盒子模型,為控制實驗變量,建立相同的3.2 nm×3.2 nm×3.2 nm的溶液盒子并將水分子和表面活性劑均勻地填充到里面,計算整個體系下氫鍵數(shù)量和平均鍵能。為了更好地研究氫鍵的形成,采用氫鍵幾何標(biāo)準(zhǔn):分子間氫-受體之間的距離小于0.25 nm,供體-氫-受體之間的角度大于135°[18]。不同表面活性劑溶液體系下氫鍵總數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示。在同一條件下,快速滲透劑T較易形成氫鍵且形成的氫鍵數(shù)量最多,CAB與水分子形成氫鍵相對較難且氫鍵數(shù)量最少,因此降低表面張力效果較差,這與上述前線軌道能量分析相一致。這為表面活性劑的遴選初步確定了一個判斷標(biāo)準(zhǔn),為進一步檢驗標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,將從實驗和模擬的角度進行以下分析。

圖9 氫鍵數(shù)量Fig.9 Hydrogen bonding number

3 實驗驗證與模擬分析

3.1 表面張力實驗

配置體積分?jǐn)?shù)梯度為0.02%的系列表面活性劑溶液,利用JK99C表面張力儀對不同體積分?jǐn)?shù)的表面活性劑的表面張力進行測量,觀測不同表面活性劑的潤濕性差異。

不同表面活性劑對于水溶液表面張力的降低程度略有差異(圖10),具體表現(xiàn)在表面活性劑易在水溶液表面形成親水基伸入水中,疏水基朝向空氣的定向排列,減少了水與空氣的接觸,由于烷烴的表面張力小于水溶液的表面張力,因此造成了水溶液表面張力的迅速下降;快速滲透劑T形成的溶液表面疏水基覆蓋率增加、密度增大,導(dǎo)致表面更接近液烴表面,因此表面張力降低幅度最大。而SDBS相比較CAB而言,親水基體積較小,從而影響表面活性劑分子在表面吸附層所占的面積,親水基體積越大,分子吸附量越小,從而降低溶液的張力效果較差。此外,通過表面張力實驗,確定了快速滲透劑T、SDBS以及CAB的最佳體積分?jǐn)?shù)分別是0.04%、0.08%以及0.065%。

3.2 毛細反滲實驗

通過毛細反滲實驗進一步對比不同表面活性劑的潤濕性差異,將實驗煤粉放置100 ℃干燥箱中干燥2 h后取2 g煤粉置于玻璃漏斗中,配置最佳體積分?jǐn)?shù)下的表面活性劑溶液500 mL于試劑瓶中。當(dāng)試液與測量管下部管口接觸時移開膠管,并開始計時,10 h后讀出試液浸潤高度并記錄,實驗儀器與實驗結(jié)果如圖11所示。對于不同種類的試液重復(fù)以上操作,每個實驗做3次取平均值。

圖10 表面活性劑表面張力示意Fig.10 Surfactant surface tension schematic

圖11 毛細反滲透實驗儀器及實驗結(jié)果Fig.11 Capillary reverse osmosis experimental instrument and experimental results

反滲高度見表4,加入快速滲透劑T后溶液的反滲高度最大,達到4.1 cm,高于SDBS(3.2 cm)和CAB(1.4 cm)溶液在煤樣中的滲透高度并遠高于水溶液在煤樣中的反滲高度(0.3 cm),而反滲高度與界面表面活性劑分子吸附量密切相關(guān),由于快速滲透劑T的活性最好,因此單位時間內(nèi)其在固液界面處形成的表面活性劑數(shù)量較多,與煤之間進行吸附的效果越好,對外展現(xiàn)為滲透高度較大。進一步證實了由于煤塵的疏水性導(dǎo)致水溶液無法對煤塵有較好的滲透效果且不同表面活性劑對煤塵的潤濕效果與軌道能量差值之間有直接聯(lián)系。

表4 煤樣反滲高度及接觸角

3.3 接觸角實驗

稱取干燥后的煤粉1.5 g,采用壓片機將煤粉壓成片型,壓力保持15 MPa,壓力保持時間2 min。采用DSA100接觸角測定儀測定各最佳體積分?jǐn)?shù)下的表面活性劑溶液與煤表面的接觸角[19]。每個試樣測量3次取平均值,表4和圖12為溶液剛滴到煤餅時測量結(jié)果。

從表4可以看出,加入表面活性劑后,溶液對煤塵的接觸角都出現(xiàn)了不同程度的下降,接觸角越小,說明表面活性劑對于改善溶液對煤塵的潤濕性的效果越強,其中快速滲透劑T與煤之間的接觸角最小,為27.12°,CAB的接觸角最大,為39.61°,進一步證明了通過軌道能量差值來反映不同表面活性劑對煤塵潤濕性的合理性。

3.4 分子動力學(xué)模擬結(jié)果

構(gòu)建表面活性劑/煤/水分子三元模擬體系(圖13),進行動力學(xué)模擬(圖14)。

圖12 接觸角Fig.12 Contact angle

圖14 模擬結(jié)果Fig.14 Simulation results

從圖14可以看出,不同表面活性劑體系下,水分子在表面活性劑的作用下向煤分子進行移動并向煤分子進行滲透,從而達到潤濕煤塵的目的,但不同的表面活性劑體系下水分子的遷移程度與滲透力度不同,這與前線軌道能量分析中的結(jié)果也相一致,即ΔEHOMO-LUMO越小,表面活性劑分子越易與煤分子形成充分接觸并對煤分子進行包裹,表面活性劑的潤濕能力越強。具體表現(xiàn)為快滲透體系下水分子對煤分子的滲透力度最強,基本形成了對煤分子的完全滲透;CAB體系中的水分子滲透力度最弱,只能大致覆蓋煤分子表面,未能滲入煤分子內(nèi)部對煤進行充分潤濕;此外,在快滲透體系和SDBS體系中,表面活性劑分子的親水基團均朝向水分子,疏水性基團吸附在煤分子表面,從而會盡可能地吸引水分子向煤分子遷移,從而達到潤濕煤塵的目的;在CAB體系中,由于其親水性基團帶有正電荷,在靜電相互作用下,部分親水性基團吸附在呈負(fù)電性的煤分子表面,因此對溶液中水分子的吸引力度減弱,在宏觀上表現(xiàn)為對煤塵的潤濕性較差。

3.5 模擬結(jié)果分析

3.5.1 相對濃度分析

為進一步對比不同表面活性劑的潤濕性,對不同體系下模擬結(jié)果的水分子與煤分子進行相對濃度分析,觀察它們在Z軸方向上位置的分布,進而分析潤濕性差異[20]。

為充分考慮表面活性劑對水分子和煤分子的影響,在模擬之前對煤分子進行約束,因此在相對濃度分布中,表現(xiàn)為不同體系下的煤分子相對濃度分布曲線相同。由圖15可以看出,快滲透體系下水分子的起始位點最小且與煤分子在Z軸方向上重疊面積最大,意味著水分子在煤分子中滲透的力度最強,更容易滲透進煤分子內(nèi)部,潤濕性最好;其次,SDBS體系中水分子的分布曲線略高于CAB體系中水分子的分布,說明SDBS體系下水分子與煤分子的重疊度高于CAB體系,進一步證明了SDBS更能吸引水分子遷移至煤分子中,這與分子軌道能量分析結(jié)果也相一致。

圖15 相對濃度分布Fig.15 Relative concentration distribution

3.5.2 均方位移分析

為探究不同表面活性劑對水分子在體系中擴散程度的影響,利用Forcite模塊對不同體系下的水分子的擴散程度進行了計算[21]。

在進行均方位移(Mean Square Displacement,MSD)分析之前,對所選擇的MSD計算時間范圍進行分析,排除由于動力學(xué)模式時間不夠長而異常擴散的情況。這里利用lg MSD-lgt的斜率是否為1,驗證擴散行為是否符合愛因斯坦擴散。從圖16可以看出,lg MSD-lgt圖中擬合直線斜率趨近于1,證明水分子是正常擴散,運行時間是合理的。

圖16 lg MSD vs lg tFig.16 lg MSD vs lg t

在本文模擬中,鑒于水分子在表面活性劑的影響下,都有向煤分子移動的趨勢,因此擴散程度越高,說明表面活性劑對水分子的影響程度越大,越容易吸附和滲透在煤分子表面及內(nèi)部,在宏觀上顯示為表面張力越低、對煤塵的潤濕效果越好。在圖17中可明顯看出,快滲透體系下的水分子擴散程度遠高于SDBS和CAB體系,這與表面活性劑分子的性質(zhì)有關(guān),陰離子表面活性劑由于其極性部位帶負(fù)電荷,與煤表面具有一定的靜電互斥作用,促使極性基團遠離煤表面,非極性基團更容易吸附在煤表面,較易形成親水基吸引水分子、疏水基吸附煤分子的吸附構(gòu)型;而CAB的親水基含有部分陽性電荷,會在靜電吸引作用下吸附在煤分子表面,而靜電吸引作用強度遠大于疏水基團之間的疏水鍵合作用,因此會導(dǎo)致形成部分疏水基朝向水分子的疏水構(gòu)型,抵制水分子向煤分子移動,宏觀表現(xiàn)為快速滲透劑T對煤塵的潤濕性最好,CAB潤濕性最差,這與軌道能量分析的結(jié)果也相一致。

圖17 均方位移Fig.17 Mean square displacement

3.5.3 徑向分布函數(shù)分析

徑向分布函數(shù)G(r)可以用來研究不同表面活性劑在煤表面的吸附規(guī)律,可以直觀地反映出表面活性劑分子在煤分子表面的吸附行為,其中r為原子距中心的距離[21]。

表面活性劑潤濕煤塵結(jié)構(gòu)性原因在于其獨特的兩親結(jié)構(gòu),即極性基團所在的親水基與碳烴鏈構(gòu)成的親油基,在表面活性劑疏水作用的影響下,疏水基團有逃離水溶液的趨勢,因此形成疏水基朝向空氣親水基伸入水中的吸附構(gòu)型,從而使水分子整體向煤分子移動,從而潤濕滲透煤塵,起到抑塵的目的。

因此可以通過表面活性劑的親水基、疏水基特征原子與煤分子的相對距離來反映表面活性劑潤濕性能的優(yōu)異。即特征原子與煤分子吸附距離越近,說明吸附潤濕效果越好;反之,效果越差。圖18、19為不同體系下褐煤與表面活性劑中特征原子的徑向分布。

圖18 親水基、煤分子與水分子徑向分布Fig.18 Radial distribution of hydrophilic groups,coal and water molecules

圖19 疏水基與煤分子的徑向分布Fig.19 Radial distribution of hydrophobic groups and coal molecules

圖18(a)為表面活性劑親水基與體系中水分子之間的徑向函數(shù)分布,首峰位置均在0.2 nm附近,親水基與水分子之間存在較強的氫鍵作用并形成了第1層吸附層,且快速滲透劑T的首峰更早出現(xiàn)且峰值更高,說明快速滲透劑T更易與水分子形成氫鍵從而促使水分子凝聚在親水基周圍;SDBS的峰值高于CAB的峰值,這與靜電勢分析結(jié)果也相一致,即SDBS靜電勢極值更高,形成的氫鍵數(shù)量較多,在RDF分布反映出的則為SDBS的峰值更高,與水分子形成近鄰的概率更大,因此在宏觀上展現(xiàn)為溶液表面張力越低,更易潤濕煤塵;次峰出現(xiàn)在0.3～0.4 nm附近,峰值較低,并在非氫鍵作用下形成了第2層吸附層,由于非氫鍵作用遠小于氫鍵作用,故而不重點考慮該作用;圖18(b)為水中氫原子與煤中氧原子的徑向分布函數(shù),0.6 nm后均無明顯的峰,故只對0.1～0.4 nm內(nèi)具有代表性的曲線進行分析,明顯看出快速滲透劑T體系下,其峰值高于另外2者,由于本文構(gòu)建的是表面活性劑/水/煤3層體系,因此峰值越高,代表煤分子吸附水分子的概率越大,水分子在表面活性劑的作用下滲透到煤分子內(nèi)部的效果越好。圖19為表面活性劑疏水基與煤分子的徑向分布,由于表面活性劑具有兩親結(jié)構(gòu)。表面活性劑潤濕性的差異,可從煤分子與疏水集團間形成概率值進行比較,在快速滲透劑T體系下,首峰位置出現(xiàn)在0.5 nm左右,徑向函數(shù)分布值為7,遠高于SDBS和CAB體系下的徑向分布值,證明在相同條件下,快速滲透劑T的疏水基易吸附在煤表面,從而形成疏水基接觸煤分子,親水基伸向水中的吸附構(gòu)型,提高煤塵的潤濕效果。其中CAB為兩性離子表面活性劑,帶有一定的正電荷,因此親水基易吸附在煤表面,降低了疏水基與煤分子的作用概率,進一步證明快速滲透劑T對煤表面芳香烴、環(huán)烷烴等基團有較好的吸附效果,使水溶液的表面張力降至低于固體的臨界表面張力從而實現(xiàn)水分子對煤分子的充分潤濕和滲透。

3.5.4 角度分布分析

表面活性劑對煤分子的吸附作用也可以通過表面活性劑分子的親水基和碳烴鏈的角度來分析,該角度同時反映了表面活性劑在水煤界面的伸展性[7]。圖20為模擬時間350 ps后的表面活性劑體系的模擬結(jié)果,隱藏掉水分子后觀察表面活性劑在煤分子表面的伸展,并選擇3個表面活性劑分子進行角度計算?？焖贊B透劑T、SDBS、CAB的平均角度分別為121.70°、117.10°、106.40°,快速滲透劑T的平均鍵角高于SDBS和CAB,說明快速滲透劑T在疏水鍵合作用下在煤分子表面伸展程度較高,在疏水鍵合的作用下容易在煤表面形成吸附,從而增加了在煤分子表面的吸附量,并在親水-疏水吸附構(gòu)型的作用下,吸引更多水分子向煤分子遷移,從而提高潤濕效果。

圖20 不同表面活性角度分布Fig.20 Angle distribution of different surface activity

4 結(jié) 論

(1)表面活性劑分子通過疏水鍵合作用與靜電作用完成了對煤分子和水分子的吸附,形成了疏水基吸附在煤表面,親水基伸向水中的吸附構(gòu)型,從而實現(xiàn)了對煤分子的潤濕。

(2)表面活性劑潤濕性的優(yōu)劣可以通過靜電勢和軌道能量差進行反映。表面活性劑親水基靜電勢極值絕對值越大,越易與水分子形成氫鍵,從而提高表面活性劑的潤濕效果。能量差越小,活性越高,對煤塵的潤濕性越好。

(3)表面張力、毛細反滲透等實驗結(jié)果和相對濃度分析、徑向函數(shù)分布分析等模擬結(jié)果皆證明快速滲透劑T的潤濕性最佳,CAB的潤濕性最差,這與軌道能量差與靜電勢分析結(jié)果也一致。

(4)利用軌道勢能和靜電勢來判斷表面活性劑的潤濕性以及對提高其遴選效率達到更好的抑塵效果具有一定的現(xiàn)實意義。