本文发表于2023年2月21日的《Energy》期刊，由Jian Gan、Deming Wang、Zhongmin Xiao等作者共同完成。研究的主要机构包括中国矿业大学安全工程学院、新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院、山东能源枣庄矿业集团有限公司等。该研究通过实验和分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）探讨了离子表面活性剂对低阶煤（Low-Rank Coal, LRC）润湿性的影响，旨在提高煤矿粉尘抑制泡沫技术的效率。

研究背景

近年来，中国低阶煤的开采量不断增加，低阶煤富含高附加值的油气资源，但其开采过程中产生的粉尘浓度极高，严重威胁煤矿的安全生产和矿工的职业健康。目前，煤矿常用的粉尘控制措施包括喷水、煤层注水和通风除尘等，但这些方法存在效率低、环境湿度大等问题。泡沫抑尘技术因其覆盖面积大、用水量少、抑尘效率高而受到关注。泡沫抑尘的关键在于表面活性剂的润湿性，而现有研究多基于实验方法，缺乏从分子和量子层面的深入分析。

研究方法

研究选取了四种结构相似但特性不同的表面活性剂：ALES（Ammonium Lauryl Ether Sulfate）、SLES（Sodium Lauryl Ether Sulfate）、TD（Dodecyl Triethanolamine Sulfate）和SDS（Sodium Dodecyl Sulfate），通过表面张力、接触角、沉降时间、润湿速率等实验手段，结合扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，评估了这些表面活性剂对煤尘的润湿性和吸附能力。此外，研究还利用Materials Studio软件建立了水-表面活性剂-低阶煤系统，并通过量子化学计算和分子动力学模拟，揭示了表面活性剂分子在煤尘表面的吸附机制。

实验结果

1. 表面张力分析：四种表面活性剂溶液的表面张力随浓度增加而显著降低，最终趋于稳定。ALES和SLES的临界胶束浓度（CMC）低于TD和SDS，表明ALES和SLES在低浓度下具有更强的润湿能力。
2. SEM分析：低阶煤表面存在明显的腐蚀孔、裂纹和矿物颗粒，这些结构影响了溶液的吸附能力。
3. FTIR分析：表面活性剂通过物理吸附改变了煤尘表面的功能基团含量，尤其是C-O-C基团的吸附量显著增加，表明具有EO结构的表面活性剂更容易吸附在煤尘表面。
4. 润湿性分析：ALES和SLES在低浓度下的沉降时间显著短于TD和SDS，表明ALES和SLES在低浓度下具有更好的浸湿润湿性能。

分子动力学模拟结果

1. 相互作用能计算：ALES与煤尘的相互作用能最低，表明其吸附能力最强。
2. 氢键分析：ALES和SLES系统具有更多的氢键，进一步证实了它们在煤尘表面的强吸附能力。
3. 静电势分析：表面活性剂的亲水头基团与煤尘表面的氧原子形成氢键，增强了煤尘的亲水性。
4. 相对浓度分布：ALES的分布范围最广，表明其在煤尘表面的吸附层较厚，有利于水分子渗透。
5. 水分子运动性：ALES系统中的水分子扩散系数最大，表明ALES能够有效改善煤尘表面的润湿性。

结论

1. 表面活性剂的分子结构对其表面张力、CMC和煤尘吸附能力有显著影响，ALES和SLES在低浓度下表现出更好的润湿性能。
2. 低阶煤表面的腐蚀孔和矿物颗粒影响了溶液的吸附能力，表面活性剂通过物理吸附改变了煤尘表面的功能基团含量。
3. 浸湿润湿性能比粘附润湿和铺展润湿更容易识别，ALES和SLES在低浓度下表现出更好的浸湿润湿性能。
4. 分子动力学模拟结果表明，ALES和SLES在煤尘表面的吸附能力最强，且ALES的水解阳离子NH4+能够穿透表面活性剂层，进一步增强煤尘的润湿性。

研究亮点

1. 通过实验和分子动力学模拟相结合，揭示了表面活性剂对低阶煤润湿性的微观机制。
2. 提出了ALES和SLES在低浓度下具有优异润湿性能的新发现，为泡沫抑尘技术的优化提供了理论支持。
3. 首次系统分析了表面活性剂水解阳离子在润湿过程中的作用，揭示了NH4+对煤尘润湿性的增强机制。

该研究为筛选高效润湿剂提供了新思路，对提高煤矿粉尘抑制效率、减少粉尘污染具有重要意义。