摘要：

为提高煤尘防治效率，通过表面张力、Walker沉降、扫描电镜、红外光谱等方法测试了十二烷基聚氧乙烯醚硫酸铵(ALES)、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠(SLES)和十二烷基硫酸钠(SDS)3种表面活性剂溶液对煤尘的润湿性能及其在煤尘表面的吸附能力。构建了ALES、SLES、SDS分子模型和LRC模型，采用分子动力学模拟软件对分子结构进行几何优化和退火优化后，计算了不同表面活性剂在煤表面的静电势(EP)、氢键、密度分布，探究了水解离子、特殊基团对润湿煤尘的影响。结果表明：ALES溶液比SDS、SLES溶液具有更强的润湿和吸附煤尘的能力，这主要得益于ALES的水解阴、阳离子可渗入至低阶煤表面27 Å、35 Å处，渗透能力较强；SDS的水解阴、阳离子具有较大的EP值，分别为-0.17759 a.u.、0.32626 a.u.，使其周围水分子受到约束而难以在煤尘表面扩散；NH和EO基团使氢键缔合的数量增加，增强了ALES的吸附能力，改善了其对煤尘的润湿效果。研究结果可为煤尘灾害的防治提供依据。

引言

煤炭开采过程中会产生大量粉尘，粉尘是诱发矿井爆炸事故的主要因素之一，也是尘肺病的根源。尤其粒径小于5 μm的呼吸性粉尘颗粒，可悬浮在空气中较长时间，不易沉降和被捕获。粉尘被吸入人体呼吸道后，50%的粉尘将沉积在肺泡内，进而引起尘肺病，危及人员生命安全。目前，煤矿粉尘治理的主要方法有煤层注水、水喷雾、通风除尘等。由于煤尘疏水性较强，在实施湿式降尘时，通常会添加一定量的表面活性剂以降低水的表面张力，达到改善煤尘润湿性的目的。然而，目前煤尘润湿剂的添加较为盲目，降尘效果不明显，成本与润湿效果难以达到有效的平衡。

以往学者对表面活性剂润湿性能的研究，常注重于亲水的阴离子头基，导致煤尘润湿剂的筛选具有一定的局限性。XU等通过亲水亲油平衡值评价了不同阴离子表面活性剂润湿无烟煤的能力，证实了表面活性剂分子与煤尘之间的疏水作用和静电斥力影响了表面活性剂在煤尘表面的吸附密度。WANG等利用泡沫扫描仪和煤粉润湿法测试了十二烷基苯磺酸钠、脂肪醇醚硫酸盐、烷基多糖苷溶液的起泡和润湿性能，确定了复合溶液的最佳配比。XU等研究了不同表面活性剂的吸附机理，详细阐述了评价表面活性剂抑尘效率的常用方法，讨论了影响抑尘效果的关键因素。上述对煤尘润湿剂的研究主要集中在表面活性剂的亲水头基或表面活性剂本体上，忽视了水解阳离子和分子链中特殊基团的影响，且大多研究基于试验方法，效率低、成本高，无法从微观层面解释表面活性剂润湿煤尘的作用机理。因此，深入探究表面活性剂全结构的综合润湿机制，对提高煤尘防治效率具有重要的理论和现实意义。

本文通过试验研究与分子模拟理论分析相结合的方法，探究了3种结构相似且各具突出特征的表面活性剂对低阶煤(LRC)润湿作用的差异，并从分子、量子层面揭示了水解阳离子、EO基团对煤尘润湿性的影响，以及在煤尘表面吸附的特性。

1 试验方案及试验结果分析

1.1 LRC的表面特征

1.1.1 试验方案

将LRC煤样用导电胶固定，通过扫描电镜观察煤表面微观特征。首先观察煤样的一小部分以确定煤样形态，然后适当调整放大倍数和扫描速度以获得所需图像。每个煤样在不同放大倍数下测量3次。

1.1.2 试验结果分析

LRC表面微观特征如图1所示，由图1可知，LRC表面比较粗糙，附有矿物颗粒(以SiO2为主)，且其表面存在明显的腐蚀孔、裂纹和相互连通的孔隙。SiO2使LRC粉尘具有一定的亲水性能，而溶液与孔隙之间产生的毛细管力则会减少溶液对煤尘颗粒的黏附。因此，LRC同时具备亲水、疏水的能力。

1.2 表面张力测试

1.2.1 试验方案

选取十二烷基聚氧乙烯醚硫酸铵(ALES)、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠(SLES)和十二烷基硫酸钠(SDS)3种表面活性剂，进行表面张力的测试。测试过程中，通过调节芬兰Kibron公司生产的Delta-8全自动高通量抖淫安卓将铂环缓慢浸入溶液中，然后缓慢提起铂环，当铂环与液体样品分离时进行测量，并记录表面张力，每种溶液测量3次。每次测量前，用无离子水(IFW)清洗铂环并在酒精灯上干燥。

1.2.2 试验结果分析

表面张力是表面活性剂溶液最基本、最重要的性质，与表面活性剂分子在气液界面的吸附有关，在一定程度上反映了溶液的润湿性能，表面张力越小，润湿性能越好。CALES、CSLES和CSDS分别代表ALES、SLES和SDS溶液的质量浓度(以下简称“浓度”)。不同浓度溶液的表面张力如图2所示，由图2可知，随着CALES、CSLES的增加，表面张力先急剧下降，然后缓慢上升；随着CSDS的增加，SDS溶液的表面张力缓慢下降，然后保持稳定。当CALES=0.3%、CSLES=0.3%、CSDS=0.7%时，3种溶液的表面张力达到各自的最小值，此时达到临界胶束浓度。当溶液浓度大于0.7%时，3种表面活性剂溶液的表面张力保持稳定，表明气液界面表面活性剂的吸附密度达到饱和。因此，为了避免临界胶束浓度对试验结果的影响，选用浓度为1%的溶液开展红外光谱测试。