基于分子动力学模拟的非离子表面活性剂对煤润湿性影响机制

张建国; 刘依婷; 王满; 王英伟; 李红梅; 谢晶; 赵赟; 周伟奇; 叶思琪; 李露明; 漆锐

doi:10.15961/j.jsuese.202100356

工程科学与技术 ›› 2022, Vol. 54 ›› Issue (05) : 191 -202. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100356

基于分子动力学模拟的非离子表面活性剂对煤润湿性影响机制

张建国, 刘依婷, 王满, 王英伟, 李红梅, 谢晶, 赵赟, 周伟奇, 叶思琪, 李露明, 漆锐

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摘要

煤矿深部开采条件下煤尘灾害严重，采用非离子表面活性剂可有效改善煤尘润湿性，抑制煤尘的产生和扩散。为了探究非离子表面活性剂对煤尘表面的润湿过程和润湿机理，采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法，研究非离子表面活性剂月桂基葡糖苷（APG）与曲拉通X–100(Triton X–100)对煤尘表面润湿性能的影响；基于苯环碳骨架结构建立3组煤–水界面吸附体系模型，对比分析表面活性剂在煤表面的吸附平衡构型和分子空间分布，计算煤–表面活性剂–水间相互作用能及能量组成变化，考察APG和Triton X–100与水分子形成氢键的能力；以河南平顶山矿区丁、戊、己3组煤层煤样为测试对象，开展沉降和接触角实验并计算煤样表面自由能组成，验证模拟结果，利用傅立叶红外光谱（FT–IR）测试煤样芳香烃基团特征，验证Triton X–100与煤分子间的作用机制。结果表明：达到吸附平衡状态时，非离子表面活性剂分子通过烷基链相互连接，形成聚集状态，在煤–水界面与水–气界面均有分布；Triton X–100通过增强与水分子的相互作用，促进水分子在煤表面的吸附，对煤表面润湿性能影响较大。室内试验结果表明，Triton X–100对煤表面的润湿效果优于APG，质量分数为1.5%时效果最优，且煤尘中的芳香烃含量越高，越利于Triton X–100的吸附。研究成果可为深部开采的高效抑尘剂研发提供理论指导和借鉴。