摘要：

為提高煤塵防治效率，通過表面張力、Walker沉降、掃描電鏡、紅外光譜等方法測(cè)試了十二烷基聚氧乙烯醚硫酸銨(ALES)、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉(SLES)和十二烷基硫酸鈉(SDS)3種表面活性劑溶液對(duì)煤塵的潤(rùn)濕性能及其在煤塵表面的吸附能力。構(gòu)建了ALES、SLES、SDS分子模型和LRC模型，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化和退火優(yōu)化后，計(jì)算了不同表面活性劑在煤表面的靜電勢(shì)(EP)、氫鍵、密度分布，探究了水解離子、特殊基團(tuán)對(duì)潤(rùn)濕煤塵的影響。結(jié)果表明：ALES溶液比SDS、SLES溶液具有更強(qiáng)的潤(rùn)濕和吸附煤塵的能力，這主要得益于ALES的水解陰、陽(yáng)離子可滲入至低階煤表面27 ?、35 ?處，滲透能力較強(qiáng)；SDS的水解陰、陽(yáng)離子具有較大的EP值，分別為-0.17759 a.u.、0.32626 a.u.，使其周圍水分子受到約束而難以在煤塵表面擴(kuò)散；NH和EO基團(tuán)使氫鍵締合的數(shù)量增加，增強(qiáng)了ALES的吸附能力，改善了其對(duì)煤塵的潤(rùn)濕效果。研究結(jié)果可為煤塵災(zāi)害的防治提供依據(jù)。

引言

煤炭開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，粉塵是誘發(fā)礦井爆炸事故的主要因素之一，也是塵肺病的根源。尤其粒徑小于5 μm的呼吸性粉塵顆粒，可懸浮在空氣中較長(zhǎng)時(shí)間，不易沉降和被捕獲。粉塵被吸入人體呼吸道后，50%的粉塵將沉積在肺泡內(nèi)，進(jìn)而引起塵肺病，危及人員生命安全。目前，煤礦粉塵治理的主要方法有煤層注水、水噴霧、通風(fēng)除塵等。由于煤塵疏水性較強(qiáng)，在實(shí)施濕式降塵時(shí)，通常會(huì)添加一定量的表面活性劑以降低水的表面張力，達(dá)到改善煤塵潤(rùn)濕性的目的。然而，目前煤塵潤(rùn)濕劑的添加較為盲目，降塵效果不明顯，成本與潤(rùn)濕效果難以達(dá)到有效的平衡。

以往學(xué)者對(duì)表面活性劑潤(rùn)濕性能的研究，常注重于親水的陰離子頭基，導(dǎo)致煤塵潤(rùn)濕劑的篩選具有一定的局限性。XU等通過親水親油平衡值評(píng)價(jià)了不同陰離子表面活性劑潤(rùn)濕無煙煤的能力，證實(shí)了表面活性劑分子與煤塵之間的疏水作用和靜電斥力影響了表面活性劑在煤塵表面的吸附密度。WANG等利用泡沫掃描儀和煤粉潤(rùn)濕法測(cè)試了十二烷基苯磺酸鈉、脂肪醇醚硫酸鹽、烷基多糖苷溶液的起泡和潤(rùn)濕性能，確定了復(fù)合溶液的最佳配比。XU等研究了不同表面活性劑的吸附機(jī)理，詳細(xì)闡述了評(píng)價(jià)表面活性劑抑塵效率的常用方法，討論了影響抑塵效果的關(guān)鍵因素。上述對(duì)煤塵潤(rùn)濕劑的研究主要集中在表面活性劑的親水頭基或表面活性劑本體上，忽視了水解陽(yáng)離子和分子鏈中特殊基團(tuán)的影響，且大多研究基于試驗(yàn)方法，效率低、成本高，無法從微觀層面解釋表面活性劑潤(rùn)濕煤塵的作用機(jī)理。因此，深入探究表面活性劑全結(jié)構(gòu)的綜合潤(rùn)濕機(jī)制，對(duì)提高煤塵防治效率具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過試驗(yàn)研究與分子模擬理論分析相結(jié)合的方法，探究了3種結(jié)構(gòu)相似且各具突出特征的表面活性劑對(duì)低階煤(LRC)潤(rùn)濕作用的差異，并從分子、量子層面揭示了水解陽(yáng)離子、EO基團(tuán)對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響，以及在煤塵表面吸附的特性。

1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析

1.1 LRC的表面特征

1.1.1 試驗(yàn)方案

將LRC煤樣用導(dǎo)電膠固定，通過掃描電鏡觀察煤表面微觀特征。首先觀察煤樣的一小部分以確定煤樣形態(tài)，然后適當(dāng)調(diào)整放大倍數(shù)和掃描速度以獲得所需圖像。每個(gè)煤樣在不同放大倍數(shù)下測(cè)量3次。

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

LRC表面微觀特征如圖1所示，由圖1可知，LRC表面比較粗糙，附有礦物顆粒(以SiO2為主)，且其表面存在明顯的腐蝕孔、裂紋和相互連通的孔隙。SiO2使LRC粉塵具有一定的親水性能，而溶液與孔隙之間產(chǎn)生的毛細(xì)管力則會(huì)減少溶液對(duì)煤塵顆粒的黏附。因此，LRC同時(shí)具備親水、疏水的能力。

1.2 表面張力測(cè)試

1.2.1 試驗(yàn)方案

選取十二烷基聚氧乙烯醚硫酸銨(ALES)、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉(SLES)和十二烷基硫酸鈉(SDS)3種表面活性劑，進(jìn)行表面張力的測(cè)試。測(cè)試過程中，通過調(diào)節(jié)芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的Delta-8全自動(dòng)高通量表面張力儀將鉑環(huán)緩慢浸入溶液中，然后緩慢提起鉑環(huán)，當(dāng)鉑環(huán)與液體樣品分離時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并記錄表面張力，每種溶液測(cè)量3次。每次測(cè)量前，用無離子水(IFW)清洗鉑環(huán)并在酒精燈上干燥。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表面張力是表面活性劑溶液最基本、最重要的性質(zhì)，與表面活性劑分子在氣液界面的吸附有關(guān)，在一定程度上反映了溶液的潤(rùn)濕性能，表面張力越小，潤(rùn)濕性能越好。CALES、CSLES和CSDS分別代表ALES、SLES和SDS溶液的質(zhì)量濃度(以下簡(jiǎn)稱“濃度”)。不同濃度溶液的表面張力如圖2所示，由圖2可知，隨著CALES、CSLES的增加，表面張力先急劇下降，然后緩慢上升；隨著CSDS的增加，SDS溶液的表面張力緩慢下降，然后保持穩(wěn)定。當(dāng)CALES=0.3%、CSLES=0.3%、CSDS=0.7%時(shí)，3種溶液的表面張力達(dá)到各自的最小值，此時(shí)達(dá)到臨界膠束濃度。當(dāng)溶液濃度大于0.7%時(shí)，3種表面活性劑溶液的表面張力保持穩(wěn)定，表明氣液界面表面活性劑的吸附密度達(dá)到飽和。因此，為了避免臨界膠束濃度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用濃度為1%的溶液開展紅外光譜測(cè)試。