本文介绍了一项关于阴离子表面活性剂AES（脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠）对煤的微观结构和润湿性影响的研究。该研究由Yihan Wang、Wei Yang、Wenming Yang、Liming Luo和Jieyao Lyu等作者共同完成，分别来自中国矿业大学和新加坡国立大学。研究结果于2023年12月23日在线发表在《Energy》期刊上，论文编号为130118。
研究背景与目的
煤炭开采过程中，瓦斯快速解吸和涌出容易引发煤与瓦斯突出事故，严重影响煤矿的高效生产。向煤层注水是缓解和管理瓦斯灾害的关键技术之一。煤的润湿性和结构特性是影响注水效果的重要因素。表面活性剂是改善煤体微观物理结构和润湿性的主要手段之一。然而，由于煤的复杂物理化学结构，如何从微观和分子动力学角度选择合适的表面活性剂，并通过表面活性剂实现煤微观结构的变化以调节煤的润湿性，仍需进一步探索。
本研究选择了经济、无污染且环保的AES表面活性剂，旨在通过实验和分子动力学模拟，研究AES对神木烟煤微观结构和润湿性的影响，揭示AES润湿煤的分子机制，为高效表面活性剂的选择提供新思路，并为瓦斯抽采和灾害防治提供理论支持。
研究方法与流程
研究主要分为以下几个步骤：
样品制备与处理：
- 将神木烟煤样品分为四部分，分别标记为SM-0（原煤）、SM-1、SM-2和SM-3。
- 将SM-1、SM-2和SM-3分别浸泡在质量分数为0.01%、0.1%和1.0%的AES溶液中48小时。
- 浸泡后，用清水冲洗并过滤样品，去除附着在煤上的溶液杂质，然后在60°C的干燥箱中干燥24小时。
实验测试：
- 使用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测量煤样处理前后官能团的变化。
- 使用电子自旋共振光谱仪（ESR）测试煤样中自由基的变化特征。
- 使用Zeta电位分析仪测试煤样的Zeta电位变化规律。
- 使用接触角测量仪测试煤样的接触角，分析润湿性变化。
分子动力学模拟：
- 基于神木煤的分子结构，构建了煤-AES-水三相动力学模型。
- 使用Materials Studio 8.0软件中的Forcite模块进行分子动力学模拟，研究AES分子在煤-水界面的吸附行为及其对润湿性的影响。
主要结果
官能团变化：
- 随着AES质量分数的增加，煤中的极性官能团（-OH、C-O-C、-COOH、-C-O）比例显著增加。1% AES处理后的煤样中，-OH、C-O-C、-COOH和-C-O的峰面积分别增加了118.18%、108.12%、52.78%和62.50%。
自由基含量：
- AES处理后的煤样中，自由基的相对含量（Ng）和线宽（δH）均随AES质量分数的增加而增加，表明AES分子与煤表面接触后，增加了自由基的数量和相互作用。
Zeta电位：
- 随着AES质量分数的增加，煤的Zeta电位从-22.3 mV降至-68.1 mV，表明煤表面负电荷增加，润湿性增强。
接触角：
- AES处理后的煤样接触角显著降低，1% AES处理后的接触角从84.86°降至47.56°，降低了43.95%。接触角与极性官能团和自由基含量呈显著负线性关系，与Zeta电位呈正线性关系。
分子动力学模拟：
- 模拟结果表明，AES分子通过疏水基团吸附在煤分子表面，亲水基团延伸至水中，降低了煤-水界面的表面张力，增强了润湿性。随着AES分子数量的增加，水分子在系统中的扩散系数增加，表明AES分子促进了水分子在煤表面的吸附。
结论与意义
结论：
- AES表面活性剂显著改变了煤的官能团结构，增加了极性官能团和自由基含量，降低了煤的接触角，增强了润湿性。
- AES分子通过疏水基团吸附在煤表面，亲水基团延伸至水中，降低了煤-水界面的表面张力，实现了煤的有效润湿。
- 分子动力学模拟验证了AES分子对煤润湿性的微观调控机制，表明AES分子促进了水分子在煤表面的吸附和扩散。
意义：
- 本研究为选择高效表面活性剂提供了新思路，并为瓦斯抽采和灾害防治提供了理论支持。
- 通过优化AES溶液的浓度，可以在工程实践中实现煤的有效润湿，降低瓦斯释放的初始速度，有效预防和控制煤与瓦斯突出事故，提高煤层气的安全高效开采。
研究亮点
- 重要发现：AES表面活性剂显著增加了煤中的极性官能团和自由基含量，降低了接触角，增强了润湿性。
- 方法创新：通过分子动力学模拟揭示了AES分子在煤-水界面的吸附行为及其对润湿性的影响。
- 应用价值：研究结果为瓦斯抽采和灾害防治提供了理论支持，具有重要的工程应用前景。
其他有价值的内容
- 研究还探讨了AES分子与煤表面之间的相互作用能，发现AES分子通过疏水相互作用和静电力吸附在煤-水界面，增强了系统的稳定性。
- 通过径向分布函数（RDF）分析，发现AES分子的亲水基团与水分子之间存在强烈的氢键相互作用，进一步增强了煤的润湿性。
总体而言，本研究通过实验和分子动力学模拟相结合的方法，深入探讨了AES表面活性剂对煤微观结构和润湿性的影响，为相关领域的研究提供了重要的理论依据和实践指导。