聚氧乙烯型表面活性劑對(duì)無(wú)煙煤潤(rùn)濕的影響

寇凱博，嚴(yán)國(guó)超，董金發(fā)，馮志忠，丁宏強(qiáng)，相海濤

（1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原 030024；3.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限公司大柳塔煤礦，陜西神木 719315）

近年來(lái)，我國(guó)正處于工業(yè)迅速發(fā)展時(shí)期，一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍以煤炭為主[1]。采掘煤炭產(chǎn)生的粉塵所引起的塵肺病一直是職業(yè)病防治工作的重中之重[2-4]。因此如何利用表面活性劑潤(rùn)濕粉塵成為治理煤塵很重要的一環(huán)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外的科研工作者進(jìn)行了大量防塵理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。李樹剛等[5]從分子層面微觀解釋了SDBS 對(duì)褐煤潤(rùn)濕性的影響；張建國(guó)等[6]提出了芳香環(huán)對(duì)抑塵劑改性的新思路；XIA Y 等[7-8]、張雷等[9-10]通過(guò)分子模擬研究了非離子表面活性劑對(duì)低階煤潤(rùn)濕性的調(diào)控；張鵬等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)推測(cè)表面活性劑對(duì)煤瀝青范德華吸附的影響；趙迪[12]進(jìn)行了工業(yè)分析，研究分析了不同煤化程度煤樣的潤(rùn)濕特性；趙振保等[13]通過(guò)紅外光譜實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了官能團(tuán)與煤塵潤(rùn)濕性的關(guān)系。

研究表面活性劑對(duì)煤體潤(rùn)濕已有大量報(bào)道[14-15]，但在非離子型表面活性劑潤(rùn)濕煤體的研究仍然欠缺。非離子表面活性劑穩(wěn)定性高，與其他表面活性劑相容性好，安全性高[16]。因此研究非離子表面活性劑對(duì)無(wú)煙煤的潤(rùn)濕性便極其有意義。為此，以畢節(jié)無(wú)煙煤為研究對(duì)象，采用分子模擬和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)合的手段，探究聚氧乙烯型非離子表面活性劑：脂肪醇聚氧乙烯醚AEO-9 和烷基酚聚氧乙烯醚NP-10對(duì)無(wú)煙煤的潤(rùn)濕能力，對(duì)聚氧乙烯型表面活性劑對(duì)無(wú)煙煤的潤(rùn)濕性影響有一定的理論指導(dǎo)意義和實(shí)驗(yàn)支撐，也為新型抑塵劑的復(fù)配起到借鑒作用。

1 分子模擬

1.1 無(wú)煙煤分子的構(gòu)建及優(yōu)化

模擬采用煤化程度較高的無(wú)煙煤，煤樣為畢節(jié)無(wú)煙煤。根據(jù)物理研究法，得到畢節(jié)無(wú)煙煤的微觀結(jié)構(gòu)[17-21]。畢節(jié)無(wú)煙煤平均分子結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 畢節(jié)無(wú)煙煤平均分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Average molecular structure of Bijie anthracite

通過(guò)對(duì)畢節(jié)無(wú)煙煤平均分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化和退火動(dòng)力學(xué)計(jì)算來(lái)獲取較為穩(wěn)定的三維空間結(jié)構(gòu)。先使單個(gè)煤分子的復(fù)雜勢(shì)能面達(dá)到局部能量最小，進(jìn)而通過(guò)退火達(dá)到整個(gè)勢(shì)能面上的能量最低。采用Smart 方法，迭代步數(shù)為5 000，進(jìn)行能量?jī)?yōu)化，畢節(jié)無(wú)煙煤結(jié)構(gòu)模型的最低能量幾何構(gòu)型如圖2。

圖2 畢節(jié)無(wú)煙煤結(jié)構(gòu)模型的最低能量幾何構(gòu)型Fig.2 Minimum energy geometric configuration of Bijie anthracite structural model

單個(gè)的畢節(jié)無(wú)煙煤分子模型不具有體相結(jié)構(gòu)，無(wú)法提供與實(shí)際相符的煤表面，同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)處理能力，確定建立包含5 個(gè)畢節(jié)無(wú)煙煤大分子的三維聚集態(tài)模型。通過(guò)Amorphous Cell 建立空間構(gòu)型，用Forcite 模塊優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)。分子力學(xué)幾何優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為：任務(wù)項(xiàng)Geometry optimization，力場(chǎng)選用COMPASS，電荷選擇Forcefieldassigned。

退火動(dòng)力學(xué)模擬參數(shù)設(shè)置為：任務(wù)項(xiàng)Anneal，精度選用Medium，對(duì)每個(gè)溫度段均進(jìn)行正則系綜（NVT）分子動(dòng)力學(xué)模擬，初始溫度設(shè)置為298 K，因?yàn)樵贑OMPASS 力場(chǎng)中，分子動(dòng)力學(xué)模擬不能模擬化學(xué)鍵的斷裂，采用高溫使分子有足夠的動(dòng)能去克服能壘，所以最高溫度設(shè)置為600 K，控溫器為Nose，時(shí)間步長(zhǎng)1.0 fs，循環(huán)次數(shù)5 次力場(chǎng)、參數(shù)設(shè)置與分子力學(xué)相同。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，模型變得更加緊湊、穩(wěn)定、合理，畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型如圖3。

圖3 畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型Fig.3 Bijie anthracite aggregation model

運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型穩(wěn)定時(shí)的密度，通過(guò)對(duì)畢節(jié)無(wú)煙煤的真實(shí)密度的比較，判斷所構(gòu)建畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型的合理性[22]。畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型的密度模擬運(yùn)用Forcite 模塊。參數(shù)設(shè)置：因?yàn)闇囟群蛪簭?qiáng)對(duì)分子結(jié)構(gòu)的影響較大，此模擬是物理反應(yīng)，未涉及粒子數(shù)目的改變，故選擇等溫等壓系統(tǒng)（NPT），精度設(shè)置為Medium，溫度為298 K，壓力為0.000 1 GPa；Nose 控溫方法；Berendsen 控壓方法；時(shí)間步長(zhǎng)為l fs，模擬時(shí)長(zhǎng)為500 ps×10-12s；密度模擬所涉及的分子均在COMPSS 適用范圍之內(nèi)，并且COMPASS 力場(chǎng)可以精準(zhǔn)、快速的預(yù)測(cè)體系的構(gòu)象及熱物理性質(zhì)，故選用COMPASS 力場(chǎng)，電荷為Use current，范德華作用截?cái)喟霃綖?2.5 ?（1 ?＝10-10m）。畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型密度隨時(shí)間變化曲線如圖4。

圖4 畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型密度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Density variation curve of Bijie anthracite aggregation model with time

由圖4 可知，開(kāi)始時(shí)畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)密度隨時(shí)間的變化波動(dòng)幅度較大。隨著模擬時(shí)間的增加，系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，模擬密度圍著1 個(gè)中間值上下進(jìn)行小幅度波動(dòng)。模擬結(jié)果得出畢節(jié)無(wú)煙煤密度為1.44 g/cm3，通過(guò)密度實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出畢節(jié)無(wú)煙煤的真實(shí)密度為1.50 g/cm3。模擬密度略小于實(shí)驗(yàn)密度，這是因?yàn)樵诿芏葘?shí)驗(yàn)過(guò)程中，煤樣的微量元素以及小分子物質(zhì)填充在煤的孔隙中，難以排除這些微量雜質(zhì)的影響；另外，在無(wú)煙煤分子建模時(shí)，煤所含的灰分未曾體現(xiàn)。結(jié)合上述因素，推斷出模擬所使用的畢節(jié)無(wú)煙煤平均分子結(jié)構(gòu)與真實(shí)煤樣相符。

1.2 表面活性劑分子的構(gòu)建及優(yōu)化

擬選用聚氧乙烯型非離子表面活性劑：NP-10和AEO-9。根據(jù)AEO-9 和NP-10 的分子結(jié)構(gòu)，利用Visualizer 模塊建立表面活性劑的三維立體模型。根據(jù)量子力學(xué)原理，采用DMol3 模塊對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2 種表面活性劑能量?jī)?yōu)化具有可重復(fù)性。隨著優(yōu)化步長(zhǎng)的增加，能量降低并趨于平衡。最終NP-10 與AEO-9 的能量分別為-2 199.87、-1 932.91 Ha（1 Ha=27.21 eV）。表面活性劑能量隨優(yōu)化步長(zhǎng)變化曲線如圖5。表面活性劑優(yōu)化構(gòu)型、前線軌道及靜電勢(shì)圖如圖6。

圖5 表面活性劑能量隨優(yōu)化步長(zhǎng)變化曲線Fig.5 Surfactant energy curves with optimized step size

圖6 表面活性劑優(yōu)化構(gòu)型、前線軌道及靜電勢(shì)圖Fig.6 Optimized configuration, frontier orbit and electrostatic potential of surfactant

分子間的相互作用主要來(lái)源于分子HOMO 與LUMO 之間的能量差[23]，NP-10 分子的前線軌道受芳香烴的影響較大，其HOMO 和LUMO 均集中在苯環(huán)周圍，表明NP-10 的活性更多地集中在苯環(huán)附近。AEO-9 的其最高占據(jù)分子軌道集中在親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)結(jié)合處附近，最低未占據(jù)分子軌道集中在親水基團(tuán)末端的乙氧基原子上。通過(guò)比較，得出苯環(huán)使表面活性劑分子的電子云發(fā)生了重新排布，從而改變表面活性劑的活性。通過(guò)對(duì)靜電勢(shì)分布結(jié)果分析可知，NP-10 和AEO-9 的環(huán)氧乙烷的氧原子的靜電勢(shì)相對(duì)較小，是與煤分子最佳吸附的活性位點(diǎn),易進(jìn)行吸附作用。

1.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬

1.3.1 模擬方法

以優(yōu)化后的畢節(jié)無(wú)煙煤聚集態(tài)模型、水模型、AEO-9 和NP-10 模型為基礎(chǔ)，通過(guò)Build layers 分別構(gòu)造畢節(jié)無(wú)煙煤/水兩相模型、畢節(jié)無(wú)煙煤/AEO-9/水三相模型、畢節(jié)無(wú)煙煤/NP-10/水三相模型。不同系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Different system parameters

為避免鏡像對(duì)周期性結(jié)構(gòu)的影響，系統(tǒng)的上方添加30 ? 的真空層。這些系統(tǒng)涉及大量原子，因此將畢節(jié)無(wú)煙煤模型的底部的2/3 分子進(jìn)行約束，這種約束方式節(jié)省了模擬時(shí)間，降低了運(yùn)算成本，對(duì)模擬結(jié)果基本無(wú)影響。通過(guò)Smart 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，隨后進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬具體參數(shù)為：選擇NVT 系綜，溫度設(shè)置是298 K，Nose 控溫方法，步長(zhǎng)為1 fs，截?cái)喟霃綖?2.5 ??？偰M時(shí)長(zhǎng)為500 ps，然后對(duì)其軌道文檔進(jìn)行分析。

1.3.2 吸附構(gòu)型

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的最初構(gòu)型和最終構(gòu)型的比較，可以解釋表面活性劑對(duì)畢節(jié)無(wú)煙煤潤(rùn)濕的影響。系統(tǒng)Ⅰ中水分子向下移動(dòng)與煤接觸。這是新的系統(tǒng)的能量較高，系統(tǒng)在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，在水和煤之間相互作用力的驅(qū)動(dòng)下，水自發(fā)地附著在煤的表面，達(dá)到了新的平衡狀態(tài)。系統(tǒng)Ⅱ和系統(tǒng)Ⅲ在分子作用力的情況下，水分子和表面活性劑均向下移動(dòng)，達(dá)到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)最初和最終吸附構(gòu)型如圖7。

圖7 系統(tǒng)最初及最終吸附構(gòu)型Fig.7 Initial and final adsorption configurations of three systems

AEO-9 分子與NP-10 分子吸附在無(wú)煙煤表面后都發(fā)生彎曲，尤其是疏水鏈的碳鏈發(fā)生了明顯纏繞，在煤與水的界面發(fā)生聚集，表面活性劑吸附在無(wú)煙煤表面空心位點(diǎn)上，嚴(yán)密地覆蓋在畢節(jié)無(wú)煙煤表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)畢節(jié)無(wú)煙煤起著包裹作用，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)使水與無(wú)煙煤之間的相互作用降低，但會(huì)使無(wú)煙煤脂肪族碳?xì)滏湹暮吭龆?，?dǎo)致改性后的無(wú)煙煤極性增大，同時(shí)會(huì)改變無(wú)煙煤的比表面積，因此無(wú)煙煤的潤(rùn)濕性得到大幅度的提升，達(dá)到“改性”的目的。由側(cè)視圖可以看出表面活性劑在煤表面定向排列，疏水鏈靠向煤側(cè)，親水鏈靠向水側(cè)，此結(jié)論在相對(duì)濃度分布中予以詳細(xì)說(shuō)明。NP-10與AEO-9 吸附煤表面俯視圖和側(cè)視圖如圖8。

圖8 NP-10 與AEO-9 吸附煤表面俯視圖和側(cè)視圖Fig.8 Top view and side view of adsorption coal surface of NP-10 and AEO-9

1.3.3 相對(duì)濃度

為了進(jìn)一步解釋表面活性劑的機(jī)理，對(duì)系統(tǒng)沿z 軸方向的密度分布展開(kāi)分析，不同系統(tǒng)沿z 軸方向的密度分布如圖9。

圖9 不同系統(tǒng)沿z 軸方向的密度分布Fig.9 Density distribution of different systems along the z direction

因?yàn)槊旱南旅?/3 進(jìn)行了固定，所以3 個(gè)系統(tǒng)煤的密度分布類似。煤分子處于0～35 ? 之間，NP-10 處于23～46 ? 之間，AEO-9 處于24～46 ? 之間。NP-10 的親水鏈主要集中在39.70 ?，疏水鏈主要集中在33.61 ?；AEO-9 的親水鏈主要集中在34.59 ?，疏水鏈主要集中在31.03 ?。表面活性劑在煤表面定向排列，疏水鏈靠向煤側(cè)，親水鏈靠向水側(cè)。

系統(tǒng)Ⅰ中，在煤的表面，煤和水有交叉部分，因?yàn)闊o(wú)煙煤表面凹凸不平，有孔隙，水填充在煤表面的孔隙中。系統(tǒng)Ⅱ和系統(tǒng)Ⅲ中，煤和水沒(méi)有重疊，表明畢節(jié)無(wú)煙煤的表面的孔隙被表面活性劑填滿，表面活性劑的覆蓋隔離了水和煤，孔隙的懸掛鍵減少，極性變小，表面能變小，使得煤對(duì)水的吸附能力變大；疏水鏈主要靠近煤分子，主要因?yàn)闊o(wú)煙煤的核心是逐漸石墨化的縮聚芳香環(huán)呈憎水性，還有可能是表面活性劑的烷烴鏈與無(wú)煙煤表面的疏水點(diǎn)位之間的疏水鍵合；親水鏈主要靠近水分子，表面活性劑親水端的含氧官能團(tuán)容易跟水分子發(fā)生氫鍵作用，使無(wú)煙煤的親水性提高。

1.3.4 非鍵相互作用

相互作用能量越低，負(fù)相互作用能越大，代表水與煤之間吸附越穩(wěn)定，更有利于潤(rùn)濕。相互作用能為系統(tǒng)的總能量減去系統(tǒng)組成單元的能量和。煤/改性的煤與水的相互作用能計(jì)算如下：

式中：Ei、Et為表面活性劑與煤的相互作用能、系統(tǒng)的總能量，kcal/mol（1 cal=4.19 J）；Ec、Es+c、Ew為煤、改性后的煤、水的能量，kcal/mol。

通過(guò)pel 腳本Interaction-Energy.pl 直接進(jìn)行計(jì)算，將水分子和無(wú)煙煤/改性的無(wú)煙煤分別通過(guò)set命令定義為“l(fā)ayer1”和“l(fā)ayer2”，腳本計(jì)算原理為上述的相互作用能計(jì)算公式，運(yùn)行腳本得到兩者的結(jié)合能。不同系統(tǒng)的非鍵相互作用見(jiàn)表2。

表2 不同系統(tǒng)的非鍵相互作用Table 2 Non-bond interactions of different systems

系統(tǒng)Ⅰ中，水吸附在煤的表面主要依靠范德華力；系統(tǒng)Ⅱ和系統(tǒng)Ⅲ，隨著表面活性劑的加入，水吸附在改性的煤表面主要依靠靜電力。以系統(tǒng)Ⅱ?yàn)槔琋P-10 使范德華作用能由-328.41 kcal/mol 增到-343.32 kcal/mol，靜電作用能由-61.11 kcal/mol增到-791.51 kcal/mol。由于聚氧乙烯型表面活性劑的加入，對(duì)范德華力影響不大，但是靜電力大幅度提升，非鍵相互作用中的靜電力所占比例大幅度增加。用NP-10 改性后的無(wú)煙煤與水的非鍵作用能為-1 578.4 kcal/mol，用AEO-9 改性后的無(wú)煙煤與水的非鍵作用能為-1 134.8 kcal/mol。由非鍵相互作用能的角度得出，對(duì)無(wú)煙煤的潤(rùn)濕性AEO-9＞NP-10。

1.3.5 氫鍵作用

無(wú)煙煤被表面活性劑覆蓋，煤表面的表面活性劑和水分子之間存在氫鍵作用，判斷是否產(chǎn)生氫鍵采用幾何標(biāo)準(zhǔn)，具體為：氫原子與受體之間最大距離為2.5 ?，供體-氫原子受體之間的角度至少為135°。為了研究氫鍵與無(wú)煙煤表面潤(rùn)濕改性的關(guān)系，分別對(duì)無(wú)煙煤/水、NP-10/無(wú)煙煤/水和AEO-9/無(wú)煙煤/水三相體系中與水界面之間所形成的氫鍵數(shù)目做了統(tǒng)計(jì)，氫鍵數(shù)目分別為3、32、39。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，伴隨表面活性劑對(duì)煤表面的附著，改性后的無(wú)煙煤表面的酚基和羥基迅速增多，使無(wú)煙煤與水的氫鍵作用大幅度增強(qiáng)。對(duì)無(wú)煙煤與水形成的氫鍵的供體和受體進(jìn)行分析：水分子與無(wú)煙煤表面作用所形成的氫鍵分為2 類：①NP-10 和AEO-9 的醚氧原子與水分子羥基中的氫原子形成了氫鍵；②NP-10 與AEO-9 末端的羥基氧原子與水分子的羥基中的氫原子形成的氫鍵。氫鍵供體為表面活性劑，受體為水分子。表面活性劑與水的氫鍵的形成可能源于共軛作用。通過(guò)3 個(gè)系統(tǒng)氫鍵數(shù)目對(duì)比，聚氧乙烯型表面活性劑使煤與水的氫鍵作用大幅度提升，對(duì)無(wú)煙煤的潤(rùn)濕性：AEO-9＞NP-10。

1.3.6 水的均方位移

表面活性劑會(huì)影響水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種動(dòng)力學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)水分子在無(wú)煙煤表面上的均方位移MSD 及擴(kuò)散系數(shù)D 來(lái)反映，MSD 可以量化水分子在煤表面聚集特征隨時(shí)間的變化，進(jìn)而明確不同表面活性劑對(duì)煤潤(rùn)濕性能的影響機(jī)制，因3 個(gè)系統(tǒng)在最后200 ps 時(shí)，能量最小且穩(wěn)定，故對(duì)最后200 ps 進(jìn)行均方位移分析，分析范圍為全部的水分子，計(jì)算公式如下：

式中：MSD 為均方位移，?2；N 為擴(kuò)散分子的數(shù)量；ri（t）、ri（0）分別為分子在時(shí)間t 和t＝0 的位置矢量；t 為模擬時(shí)間，10-12s；D 為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；k 為MSD 的曲線斜率。

水分子均方位移如圖10。計(jì)算得出，系統(tǒng)Ⅰ～系統(tǒng)Ⅲ的擴(kuò)散系數(shù)依次為7.32×10-5、5.43×10-5、4.52×10-5cm2/s；水/煤系統(tǒng)的水分子的擴(kuò)散系數(shù)大于水/表面活性劑/煤系統(tǒng)。起初階段，水分子被束縛在空穴中做微小運(yùn)動(dòng)，隨后水分子在空穴之間發(fā)生躍遷運(yùn)動(dòng)，加入表面活性劑后，水的運(yùn)動(dòng)范圍減少，表面活性劑使煤對(duì)水分子的束縛能力增強(qiáng)，水對(duì)煤的“貼合”地更親密。表面活性劑的極性基團(tuán)對(duì)水分子的范德華作用和氫鍵作用增強(qiáng)，使改良沉降法水分子吸附在無(wú)煙煤表面，提高了煤的潤(rùn)濕性。

圖10 水分子均方位移Fig.10 Azimuth shift of water molecules

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 改良沉降法

傳統(tǒng)的沉降實(shí)驗(yàn)靠肉眼觀測(cè)產(chǎn)生的誤差較大，改良沉降實(shí)驗(yàn)提高實(shí)驗(yàn)精度，精度提高到0.000 1 g[24]。改良沉降法裝置示意圖如圖11。

圖11 改良沉降法裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of improved sedimentation method device

裝置由鐵架臺(tái)、吊線、電子天平及2 個(gè)容器組成。實(shí)驗(yàn)前，先將容器2 放在電子天平上。容器1 通過(guò)吊線懸于容器2 的上方，不與容器2 接觸。容器1的側(cè)壁有2 個(gè)小孔。將潤(rùn)濕劑倒入容器1。潤(rùn)濕液通過(guò)容器1 的小孔流入容器2。待潤(rùn)濕液液面漫過(guò)小孔的位置，停止加潤(rùn)濕液。此時(shí)吊線對(duì)容器1 的拉力和電子天平對(duì)容器2 的支持力之和等于容器1、容器2 和潤(rùn)濕液的重力。實(shí)驗(yàn)中，先將煤塵均勻?yàn)⒃谌萜? 的溶液上，煤塵逐漸沉降在容器1 中，容器1 重力增加，支架對(duì)容器1 提供拉力，使系統(tǒng)平衡狀態(tài)。容器2 下部的電子天平可稱量出沉降在溶液中的煤塵的質(zhì)量，精確測(cè)量沉淀在容器一中的煤塵質(zhì)量。從而定量表示煤塵的潤(rùn)濕能力。

1）煤樣的配制。實(shí)驗(yàn)選取的煤樣為畢節(jié)無(wú)煙煤，嚴(yán)格按GB 475—1983 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取樣，將煤樣使用氣流粉碎機(jī)粉碎，然后用75 μm 超音波振動(dòng)篩進(jìn)行篩選。隨后進(jìn)行干燥處理，用電子天平稱量700 mg 的煤塵備用。

2）溶液配制。溶劑使用去離子水，用磁力攪拌器分別配制溶液，分別測(cè)定2 種表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%；配置過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，需吹風(fēng)機(jī)吹泡，并靜置一段時(shí)間，防止氣泡對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差。

3）由于溫度對(duì)煤塵沉降有較大影響，因此溶液溫度采用298 K，并用溫控儀使室溫保持在298 K。將煤塵倒入溶液，根據(jù)電子天平傳出的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算隨時(shí)間變化煤塵損失質(zhì)量（即煤塵落入容器1 底部的質(zhì)量）。

通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下，NP-10 的沉降速率均低于AEO-9。NP-10 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%和1.0%時(shí)，無(wú)煙煤沉降速率趨近一致；AEO-9 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%和0.6%時(shí)，無(wú)煙煤沉降速率趨近一致?？紤]到沉降速率和經(jīng)濟(jì)成本，NP-10和AEO-9 的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和0.4%；畢節(jié)無(wú)煙煤在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的NP-10 溶液的完全浸沒(méi)時(shí)間為15.2 s，畢節(jié)無(wú)煙煤在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的AEO-9 溶液的完全浸沒(méi)時(shí)間為13.8 s。2 種表面活性劑對(duì)無(wú)煙煤的潤(rùn)濕性：NP-10＜AEO-9，這與前文模擬研究的結(jié)果一致。改良沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12。

圖12 改良沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experimental results of improved settlement

2.2 噴霧降塵實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

噴霧降塵系統(tǒng)由產(chǎn)塵裝置、噴霧降塵裝置、測(cè)塵裝置和除塵裝置4 部分組成。干粉氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)塵，隨著風(fēng)機(jī)氣流營(yíng)造巷道粉塵環(huán)境。噴霧裝置由水泵抽取抑塵液并通過(guò)噴嘴形成水霧，在噴霧段前后分別安裝粉塵濃度測(cè)定儀，用于測(cè)定噴霧段前后模擬巷道空氣中的粉塵濃度。噴霧降塵系統(tǒng)如圖13。

圖13 噴霧降塵系統(tǒng)Fig.13 Spray dust removal system

實(shí)驗(yàn)前，調(diào)定風(fēng)機(jī)風(fēng)速；把改良沉降實(shí)驗(yàn)中制好的煤塵加入干粉氣溶膠發(fā)生器中，將一定濃度的潤(rùn)濕劑加入到配液池，并利用粉塵濃度測(cè)量?jī)x調(diào)定發(fā)塵器的發(fā)塵量與空氣中含塵濃度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)水泵，調(diào)整好水壓；向配液池中添加潤(rùn)濕劑，開(kāi)始噴霧降塵實(shí)驗(yàn)，測(cè)定噴霧前、后塵室中煤塵的濃度。每次實(shí)驗(yàn)保證實(shí)驗(yàn)溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速，噴霧噴嘴孔徑相同，從而減少溫度、重力沉降等誤差的影響。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

0.4%的AEO-9 在供水壓強(qiáng)為9 MPa 時(shí)除塵效率最高。通過(guò)對(duì)潤(rùn)濕劑種類的比較得出表面活性劑降低了液體的表面張力，使液體的潤(rùn)濕性得到提高，降塵效果較為明顯。同時(shí)對(duì)于螺旋式噴嘴，全塵的噴霧降塵效率隨著供水壓力的增加和表面活性劑的加入得到提高。當(dāng)供水壓強(qiáng)增大，水流量增加，噴霧的霧滴數(shù)目增多，霧滴的初速度變大，霧滴與粉塵的碰撞效果越明顯，越有利于潤(rùn)濕劑對(duì)煤塵的捕集。通過(guò)對(duì)除塵效率的分析，驗(yàn)證改良沉降法結(jié)果的準(zhǔn)確性。供水壓強(qiáng)為3、6、9 MPa 時(shí)的除塵效率見(jiàn)表3～表5。

表3 供水壓強(qiáng)為3 MPa 時(shí)的除塵效率Table 3 Dust removal efficiency when water supply pressure is 3 MPa

表4 供水壓強(qiáng)為6 MPa 時(shí)的除塵效率Table 4 Dust removal efficiency when water supply pressure is 6 MPa

表5 供水壓強(qiáng)為9 MPa 時(shí)的除塵效率Table 5 Dust removal efficiency when water supply pressure is 9 MPa

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)密度模擬驗(yàn)證畢節(jié)無(wú)煙煤平均分子結(jié)構(gòu)合理性。

2）運(yùn)用量子力學(xué)原理對(duì)表面活性劑分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出NP-10 和AEO-9 的環(huán)氧乙烷中的氧原子是容易發(fā)生吸附作用的活性位點(diǎn)，易發(fā)生吸附作用。

3）通過(guò)潤(rùn)濕過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬，表面活性劑會(huì)吸附在無(wú)煙煤表面空心位點(diǎn)上，嚴(yán)密地覆蓋在煤的表面，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。表面活性劑在煤表面定向排列，疏水鏈靠向煤側(cè)，親水鏈靠向水側(cè)。未添加表面活性劑時(shí)，水吸附在煤的主要作用力是范德華力。聚氧乙烯型表面活性劑對(duì)范德華力影響不大，但使水吸附煤表面的靜電力和氫鍵作用力大幅度提升，從而使無(wú)煙煤改性為潤(rùn)濕性。

4）通過(guò)改良的沉降法確定了NP-10 和AEO-9 潤(rùn)濕無(wú)煙煤的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和0.4%，AEO-9 的潤(rùn)濕性高于NP-10，為新型抑塵劑復(fù)配提供實(shí)驗(yàn)支撐。

5）通過(guò)噴霧降塵實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)供水壓強(qiáng)增大，水流量增加，噴霧的霧滴數(shù)目增多，霧滴的初速度變大，霧滴與粉塵的碰撞效果越明顯，越有利于潤(rùn)濕劑對(duì)煤塵的捕集，通過(guò)對(duì)除塵效率的分析，驗(yàn)證改良沉降法結(jié)果的準(zhǔn)確性。