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基于表面張力、Walker沉降等研究3種表面活性劑對低階煤(LRC)潤濕作用的差異（三）
來源：礦業(yè)研究與開發(fā) 瀏覽 127 次 發(fā)布時間:2026-02-27
2 分子動力學模擬
2.1 模型構建
構建的ALES、SLES和SDS分子模型，LRC分子模型是基于WENDER等開發(fā)的模型構建的，該模型具有LRC的基本特征(包括羧基、酮基、酚基、醇基、醚基、呋喃環(huán))。
利用Materials Studio的Forcite模塊對分子結構進行幾何優(yōu)化退火優(yōu)化，選用COMPASS力場進行分子動力學模擬。將20個LRC分子、20個表面活性劑分子和1000個水分子放入尺寸為37 ?×37 ?×150 ?的盒子中，構建了ALES/LRC/H2O(體系A)、SLES/LRC/H2O(體系S)和SDS/LRC/H2O(體系D)，體系中增加了60 ?厚度的真空層，以避免周期性效應。模擬參數(shù)設置見表3。
模擬后表面活性劑、H2O和LRC在分子間相互作用力的影響下聚集在一起，并在固液界面處呈現(xiàn)出表面活性劑分子疏水尾鏈吸附在LRC表面，親水基團朝向水分子的平衡構型。
| 系綜 | 溫度/K | 時間步長/fs | 階段距離/? | 溫度控制 | 精度/(kcal/mol) | 模擬時長/ps |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NVT | 298.0 | 1.0 | 18.5 | Nose | 1×10-4 | 500 |
2.2 靜電勢(EP)分析
利用DMol3模塊計算了表面活性劑分子和LRC分子的EP，EP的大小反映了整個分子的電荷分布。靜電勢值見表4。
| 分子類型 | EPmin/a.u. | EPmax/a.u. | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 陽離子 | 陰離子 | 合計 | 陽離子 | 陰離子 | 合計 | |
| SDS | 0.31800 | -0.17760 | 0.14040 | 0.32630 | -0.0268 | 0.29949 |
| SLES | 0.31800 | -0.17440 | 0.14360 | 0.32630 | -0.01822 | 0.30808 |
| ALES | 0.22470 | -0.17440 | 0.05030 | 0.23130 | -0.01822 | 0.21308 |
| H2O | -0.03755 | 0.03889 | ||||
| LRC | -0.04486 | 0.04923 | ||||
界面水層中表面活性劑分子的形態(tài)為親水性頭基朝向水相，疏水性尾鏈朝向LRC表面，表明表面靜電勢的存在使水分子可以通過氫鍵緊密地連接在一起，表面活性劑分子在提高LRC親水性方面起到橋聯(lián)作用。理論上，如果水分子與其他分子位點接觸的EP值大于水分子該位點的最大值(0.03889 a.u.)或小于其最小值(-0.03755 a.u.)，則水分子與其他分子之間的相互作用力大于分子間存在的氫鍵作用，則可判定該分子具有較強的親水性，且該分子親水能力隨最大和最小表面靜電勢絕對值的增加而增大。鑒于表面活性劑分子由水解陰、陽離子組成，因此應計算總EP來評價其親水性。根據(jù)表4可得EP值的大小排序為SLES>SDS>ALES。因此，3種表面活性劑的親水能力大小排序為ALES>SDS>SLES。
2.3 氫鍵分析
表面活性劑分子與LRC之間形成的氫鍵數(shù)量可以用來評價其在LRC表面的吸附能力。為了定量分析不同表面活性劑在LRC表面的吸附能力，利用perl腳本計算了3個體系中氫鍵的數(shù)量，其隨時間的變化曲線可知，3個體系中氫鍵數(shù)量的排序為A>S>D。因此，ALES在LRC表面的吸附能力較強，這得益于ALES中的EO基團、NH增加了各自體系中的氫鍵數(shù)量，從而使體系更加穩(wěn)定。
2.4 密度分布
3個體系沿Z軸的密度分布，3個體系在Z方向的密度分布曲線中，兩條黑色虛線分別代表水分子密度為0.1 g/cm3和0.9 g/cm3的位置(顏色標識見電子版)，兩條虛線之間的距離代表Z方向的界面水層厚度(d)。其中，體系D的界面水層厚度最小(7 ?)，體系A、S的界面水層厚度較大(分別為11 ?、13.5 ?)，說明具有EO基團的ALES、SLES在LRC表面有較強保水能力。體系A的界面水層厚度(11 ?)略小于體系S(13.5 ?)，這是因為體系A中有部分水分子已進入LRC內(nèi)部，而與界面水層分離，導致體系A的界面水層厚度收縮。體系A中ALES和NH4+、體系S中SLES和Na+以及體系D中SDS和Na+滲入LRC表面最深的位置分別為27 ?、35 ?、30 ?、38 ?、32 ?、42 ?。體系A、S、D中水分子分別可滲入至24 ?、37 ?、24 ?位置，且體系A中水分子在27 ?處的密度遠大于體系S、D。因此，ALES、NH4+在LRC表面的滲透能力最強，從而使其周圍水分子能夠最大程度突破LRC的限制而深入其內(nèi)部，從而達到較好的潤濕LRC的效果。
3 結論
(1) 3種表面活性劑溶液潤濕LRC存在一個拐點區(qū)域為2‰~3‰。當濃度小于拐點濃度時，3種表面活性劑潤濕LRC的能力排序為ALES>SLES>SDS；當濃度大于拐點濃度時，3種表面活性劑溶液潤濕LRC的能力排序為ALES>SDS>SLES。因此，高、低濃度的ALES溶液對LRC粉塵均具有較強的潤濕性能。
(2) 紅外光譜測試結果顯示ALES、SLES、SDS在LRC表面均發(fā)生了不同程度的吸附，其中ALES在LRC表面的吸附能力最強，主要得益于ALES分子結構中的EO基團以及NH4+，增加了該體系中氫鍵供體和受體的數(shù)量，使體系A中的氫鍵數(shù)量最多，從而增強了體系A的穩(wěn)定性。
(3) LRC表面靜電勢計算結果顯示，SDS的水解陰、陽離子具有較大的EP，分別為-0.17759 a.u.、0.32626 a.u.，使其對周圍水分子的約束力較強，不利于水分子在LRC表面的擴散。綜合表面靜電勢由大到小的排序為SLES>SDS>ALES，體現(xiàn)了3種表面活性劑親水能力的強弱，排序為ALES>SDS>SLES。
(4) 3個體系沿Z軸的密度分布結果顯示，具有EO基團的ALES和SLES在LRC表面有較強的保水作用。ALES的水解陰、陽離子可滲入至低階煤表面27 ?、35 ?處，說明ALES在LRC表面的滲透能力最強，使其周圍水分子能夠最大程度突破LRC的限制而深入其內(nèi)部，從而達到較好潤濕LRC的效果。