题目与作者信息

文章题目为“Experimental study on the effect of hydrophilic/hydrophobic SiO2 nanofluids on the wettability of coal samples with different surface roughnesses”，由Fanbo Jin, Daolong Yang, Songquan Wang, Tianqi Yang, Qi Liu, Zhuo Cheng, Jiangnan Liu, Zijie Li联合署名。其中，Daolong Yang和Songquan Wang为通讯作者。作者所属机构为Jiangsu Normal University的School of Mechatronic Engineering。该研究发表在国际期刊《Fuel》，文章编号为381 (2025) 133461，在线发布时间为2024年10月28日。

学术背景

本研究的核心方向是煤体表面润湿性（wettability）的研究，尤其针对利用亲水性和疏水性二氧化硅（SiO2）纳米液体（nanofluids）改良不同粗糙度煤样表面润湿性展开实验探索。

煤炭是重要的能源资源之一，占全球一次能源消耗比例高达56%。然而，煤矿开采过程中产生的大量煤尘成为安全生产的一项关键制约。煤尘不仅影响作业环境，还会诱发矽肺病等职业病，甚至引发爆炸等重大安全事故。传统的煤尘抑制技术多基于喷雾湿润，但由于煤尘表面润湿性弱，喷雾降尘效率不足。为提升降尘效果，化学润湿剂被用于提高煤尘表面润湿性。然而，许多化学润湿剂在制备工艺中存在复杂性、成本高等局限性。近年来，SiO2纳米液体因其显著的润湿性能、易制备、环保性和高耐久性成为新型润湿剂研究的热点。

本研究的目的在于探索亲水性/疏水性SiO2纳米液体对煤样润湿性的改良效果，揭示相关的作用机理，并为煤矿喷雾降尘技术提供实验依据。同时，本研究探索煤样粗糙度对润湿性能的影响，以丰富对煤体表面润湿性调控的理论理解。

研究流程与实验细节

本研究分为以下几大实验步骤：

1. 煤样准备

煤炭样本选自中国河南省巩义市的上庄无烟煤。对煤样进行了工业分析，其固定碳（Fixed Carbon, FCad）含量为84.29%，主要矿物成分包括Al2(Si2O5)(OH)4和MgB3O3(OH)5⋅5H2O。实验中将煤块制备为方块状样品，用300目、600目、800目和1000目砂纸分别进行表面抛光以调节粗糙度。最终获得20个抛光样品，其表面粗糙度范围为1.02 μm至2.39 μm。

2. 纳米液体的制备

实验使用20 nm粒径、浓度99%的SiO2纳米颗粒。亲水性SiO2纳米颗粒经过高温改性后转化为疏水性颗粒。采用两步法（two-step method）制备纳米液体：将1.0 g SiO2纳米颗粒分别分散于99.0 g去离子水和酒精中，并使用超声波清洗机以确保分布均匀，最终制备出质量分数为1.0%的亲水性与疏水性SiO2纳米液体。

3. 测量煤样表面粗糙度

使用接触表面粗糙度仪测量煤样表面粗糙度，并以每种粗糙度测量5次取均值，最终得到煤样No.1至No.4的粗糙度分别为1.02 μm、1.24 μm、1.40 μm和2.39 μm。

4. 润湿改性实验

将不同粗糙度煤样分别浸泡在去离子水、酒精溶液、亲水性和疏水性SiO2纳米液体中24小时，以去离子水和酒精溶液作为对照组，纳米液体作为实验组。浸泡后的煤样在20°C条件下干燥24小时，完全蒸发表面水分后用于后续实验。

5. 吸湿性能测试

为了研究改性后煤样的吸湿性能，实验记录各煤样在14天内的质量变化。通过分析天数与样品增重的关系，计算煤样的水分含量。

6. 接触角测量

使用接触角测量仪HS-150B测量煤样表面液滴接触角。改性前先记录初始接触角，改性后每天测量并连续14天，以评估润湿性能的变化趋势。

7. 表面纳米颗粒沉积与吸附表征

实验使用工业金相显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察煤样表面纳米颗粒的沉积情况，并结合能量色散光谱仪（EDS）分析煤样表面元素以研究纳米颗粒在煤表面的吸附特性。

研究结果

1. 煤样水分含量变化

实验发现： - 亲水性SiO2纳米液体使煤样水分含量显著提升，增加幅度达66.7%，表现出较强的吸水能力。 - 疏水性SiO2纳米液体显著减少水分含量，降幅达41.7%，表现出良好的抗水性能。 从趋势上看，不同粗糙度煤样的水分含量会随着时间逐渐趋于稳定。

2. 接触角变化

• 亲水性纳米液体使接触角显著下降，最终稳定在54°-67°之间，表现出增强的亲水性。
• 疏水性纳米液体显著提升接触角，最终稳定在123°-134°之间，表现出强疏水性。

实验还表明，随着煤样表面粗糙度增加，其接触角呈增大趋势，润湿性能逐渐下降。

3. 纳米颗粒表面沉积

SEM和EDS图像显示，改性后大量SiO2纳米颗粒吸附在煤样表面，主要表现为球形或链状聚集结构。亲水性纳米液体在煤表面形成多羟基结构，增强了与水分子的结合能力；而疏水性纳米液体以硅烷键形式形成低表能屏障，显著提升了疏水性。

研究结论

本研究指出，SiO2纳米液体对煤样润湿性的改性效果显著。亲水性纳米液体能够显著增强煤样的亲水性，改良润湿性能；而疏水性纳米液体则显著提升煤样的抗水性。这一特性表明SiO2纳米液体可作为煤矿降尘领域的有效湿润剂。研究还揭示了纳米颗粒吸附及润湿性变化机制，为煤尘污染控制提供了理论支持。

研究亮点与意义

1. 创新性实验方法：使用SiO2纳米液体针对不同粗糙度煤样润湿性能的实验研究尚属首次。
2. 实际应用价值：提出了经济高效且环保的SiO2纳米液体技术，为煤矿降尘措施的改进提供了全新方案。
3. 理论意义：通过SEM和EDS揭示了SiO2纳米颗粒吸附行为对煤样润湿性改性的微观机理，丰富了表面物理化学的研究内容。

总结

该研究不仅在改善煤矿生产安全方面具有重要应用价值，同时对其他高粉尘环境的污染防治也具有借鉴意义，为未来深入研究提供了重要方向。