2 分子動力學(xué)模擬

2.1 模型構(gòu)建

構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化退火優(yōu)化，選用COMPASS力場進(jìn)行分子動力學(xué)模擬。將20個(gè)LRC分子、20個(gè)表面活性劑分子和1000個(gè)水分子放入尺寸為37 ?×37 ?×150 ?的盒子中，構(gòu)建了ALES/LRC/H2O(體系A(chǔ))、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(yīng)。模擬參數(shù)設(shè)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(tuán)朝向水分子的平衡構(gòu)型。

2.2 靜電勢(EP)分析

利用DMol3模塊計(jì)算了表面活性劑分子和LRC分子的EP，EP的大小反映了整個(gè)分子的電荷分布。靜電勢值見表4。

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(diǎn)接觸的EP值大于水分子該位點(diǎn)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(qiáng)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(yīng)計(jì)算總EP來評價(jià)其親水性。根據(jù)表4可得EP值的大小排序?yàn)镾LES>SDS>ALES。因此，3種表面活性劑的親水能力大小排序?yàn)锳LES>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(jià)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(jì)算了3個(gè)體系中氫鍵的數(shù)量，其隨時(shí)間的變化曲線可知，3個(gè)體系中氫鍵數(shù)量的排序?yàn)锳>S>D。因此，ALES在LRC表面的吸附能力較強(qiáng)，這得益于ALES中的EO基團(tuán)、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(gè)體系沿Z軸的密度分布，3個(gè)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(biāo)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(chǔ)、S的界面水層厚度較大(分別為11 ?、13.5 ?)，說明具有EO基團(tuán)的ALES、SLES在LRC表面有較強(qiáng)保水能力。體系A(chǔ)的界面水層厚度(11 ?)略小于體系S(13.5 ?)，這是因?yàn)轶w系A(chǔ)中有部分水分子已進(jìn)入LRC內(nèi)部，而與界面水層分離，導(dǎo)致體系A(chǔ)的界面水層厚度收縮。體系A(chǔ)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(chǔ)、S、D中水分子分別可滲入至24 ?、37 ?、24 ?位置，且體系A(chǔ)中水分子在27 ?處的密度遠(yuǎn)大于體系S、D。因此，ALES、NH4+在LRC表面的滲透能力最強(qiáng)，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(dá)到較好的潤濕LRC的效果。

3 結(jié)論

(1) 3種表面活性劑溶液潤濕LRC存在一個(gè)拐點(diǎn)區(qū)域?yàn)?‰~3‰。當(dāng)濃度小于拐點(diǎn)濃度時(shí)，3種表面活性劑潤濕LRC的能力排序?yàn)锳LES>SLES>SDS；當(dāng)濃度大于拐點(diǎn)濃度時(shí)，3種表面活性劑溶液潤濕LRC的能力排序?yàn)锳LES>SDS>SLES。因此，高、低濃度的ALES溶液對LRC粉塵均具有較強(qiáng)的潤濕性能。

(2) 紅外光譜測試結(jié)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(qiáng)，主要得益于ALES分子結(jié)構(gòu)中的EO基團(tuán)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(chǔ)中的氫鍵數(shù)量最多，從而增強(qiáng)了體系A(chǔ)的穩(wěn)定性。

(3) LRC表面靜電勢計(jì)算結(jié)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(qiáng)，不利于水分子在LRC表面的擴(kuò)散。綜合表面靜電勢由大到小的排序?yàn)镾LES>SDS>ALES，體現(xiàn)了3種表面活性劑親水能力的強(qiáng)弱，排序?yàn)锳LES>SDS>SLES。

(4) 3個(gè)體系沿Z軸的密度分布結(jié)果顯示，具有EO基團(tuán)的ALES和SLES在LRC表面有較強(qiáng)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(qiáng)，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(dá)到較好潤濕LRC的效果。