摘要:表面活性劑能夠有效輔助抑制煤塵，為了揭示表面活性劑微觀結(jié)構(gòu)對煤塵潤濕性的微觀影響機理，選用了脂肪醇聚氧乙烯醚(AE09)和壬基酚聚氧乙烯醚(OP9)兩種表面活性劑，從多個角度、用多種手段分析了苯環(huán)結(jié)構(gòu)對煤塵潤濕性的影響。采用表面張力儀預(yù)測了含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的OP9具有更低的表面張力和更快的降低速率;接觸角測定和自然沉降試驗表明，含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的OP9能夠通過疏水作用和π-π堆疊作用在褐煤表面的吸附量更大，潤濕性更好;利用密度泛涵理論(DFT)計算了兩種表面活性劑的HOMO和LUMO分布，發(fā)現(xiàn)OP9與褐煤具有更多的吸附位點;計算了不同吸附體系的吸附能、相對濃度分布、水分子的均方位移和體系的氫鍵數(shù)量等，結(jié)果表明OP9改性后的煤能夠產(chǎn)生更多的氫鍵，從而限制水分子在Z軸的運動，增強了褐煤的親水性。研究結(jié)果可為煤塵的抑制提供有力的理論依據(jù)。

引言

據(jù)統(tǒng)計，煤炭仍占據(jù)我國一次能源的主體地位。近年來，隨著煤炭開采效率的大幅度提升，煤塵大量產(chǎn)生，對井下環(huán)境造成污染，嚴(yán)重危害一線人員的身體健康，甚至?xí)l(fā)煤塵爆炸等安全事故。因此，煤塵的治理迫在眉睫。

目前，煤礦經(jīng)常使用的除塵方法主要有注水除塵和噴霧除塵等，但由于煤塵分子表面含有大量的疏水官能團，使得煤塵極難被水潤濕，上述兩種抑塵方法效果均較差。對此，許多研究人員發(fā)現(xiàn)添加表面活性劑可以提升煤塵潤濕性。陳曦等通過測量表面力，研究了不同表面活性劑與煤塵之間的相互作用能大小，得出脂肪醇聚氧乙烯醚(9)(AEO9)達(dá)到最大斥力的時間最短，潤濕能力最強。LIU等通過原子力顯微鏡分析了不同pH下表面活性劑改變煤塵表面的機理，同時闡明了十二烷基硫酸鈉(SDS)和椰子油二乙醇酰胺增強煤塵潤濕性的微觀機制。ZHANG等利用海藻酸鈉和羥甲基纖維素鈉合成了一種高分子抑塵劑，通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和掃描電鏡(SEM)等對噴灑抑塵劑前后的煤塵進(jìn)行表征，得出該抑塵劑在12 m/s的強風(fēng)條件下抑塵效果高達(dá)98%。林明磊等通過試驗得到辛基苯基聚氧乙烯醚和磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽之間存在著明顯的協(xié)同潤濕作用，且現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在合適比例下綜采掘進(jìn)面粉塵抑制率能夠達(dá)到71.04%。NIE等通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽和十二烷基葡萄糖苷在1:5的比例下具有最佳的協(xié)同效果，并通過分子動力學(xué)(MD)模擬和密度泛涵理論(DFT)計算，闡述了潤濕的微觀機制。但是，上述研究僅對表面活性劑單體及復(fù)合協(xié)同作用進(jìn)行研究，并未從微觀機制出發(fā)闡明非離子表面活性劑結(jié)構(gòu)差異對煤塵潤濕性的影響機理。

基于此，本研究利用表面張力儀測定了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下表面活性劑的表面張力，預(yù)測了不同結(jié)構(gòu)表面活性劑在煤塵表面吸附的可能性;開展了不同吸附樣品的接觸角和自然沉降試驗，解釋不同結(jié)構(gòu)表面活性劑改性煤塵的程度;利用DFT計算了不同結(jié)構(gòu)表面活性劑與煤塵分子的HOMO和LUMO，判斷了其可能存在的吸附位點;利用MD模擬闡明了不同結(jié)構(gòu)非離子表面活性劑增強煤塵潤濕性的微觀機理。本研究有望為設(shè)計選用合理的抑塵劑提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究使用的煤樣選自陜西省神木煤礦所產(chǎn)的褐煤，并使用破碎機將煤樣破碎至150~200目，以模擬難以潤濕的細(xì)微煤塵。將制備好的煤塵顆粒放置于60℃的真空干燥箱中烘干12h后取出備用。

非離子表面活性劑在潤濕煤塵方面具有較大的潛力。因此本研究選用了兩種不同結(jié)構(gòu)的非離子表面活性劑，以揭示微觀結(jié)構(gòu)對煤塵潤濕性影響的分子機理。選用的兩種表面活性劑分別為聚合度為9的脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO9)和壬基酚聚氧乙烯醚(OP9),兩種表面活性劑的純度均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 表面張力測定

將上述兩種表面活性劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%、0.20%、0.24%和0.28%的溶液。在25℃的試驗條件下，使用芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動態(tài)表面張力儀采用Du Noüy方法對煤樣進(jìn)行測試，每組樣品測定3次，取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.2 接觸角測定

分別取10g制備好的煤樣放置于1L上述特定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液和去離子水中，將混合體系放于恒溫攪拌器上攪拌8h,然后分別進(jìn)行3次離心和抽濾，最后將處理后的樣品放于60℃的真空干燥箱中烘干12h得到吸附樣品。使用壓片機將0.3g上述吸附樣品在10MPa壓力下壓制成厚度為3mm的圓形薄片，并使用JY-82型接觸角儀測定不同吸附樣品與去離子水之間的接觸角。

1.2.3 自然沉降試驗

取上述制備的吸附樣品各2g放于70mL去離子水中，觀測樣品被去離子水完全潤濕的時間。為減小誤差，每組樣品測定3次，取平均值作為最終試驗結(jié)果。