不同表面活性剂对晋城无烟煤的润湿降尘机制研究

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煤表面的亲水性是影响其被有效润湿的决定性因素。利用添加表面活性剂,改变溶液的性质,通过表面活性剂分子的疏水基团对无烟煤表面的覆盖可以提高溶液对疏水性强的无烟煤的润湿性。煤的润湿效果与表面活性剂分子在煤表面所形成的吸附层构象有关,而吸附层的结构主要取决于表面活性剂溶液分子的结构和组成。传统实验方法只能得出表面活性剂润湿无烟煤的经验性结论,而分子动力学可以从微观分子层面阐释表面活性剂溶液润湿无烟煤的机制。因此,本文通过改进沉降实验、声波雾化降尘实验、动态表面张力和动态接触角实验,结合分子动力学模拟研究不同类型表面活性剂分子结构和组成对表面活性剂溶液性质和对晋城无烟煤润湿性的影响。(1)通过研究脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO9)、十二烷基硫酸钠SDS和十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)在不同浓度下对晋城无烟煤的声波雾化降尘效果和润湿性实验发现,在临界胶束浓度(CMC)以上,表面活性剂溶液才有较好的降尘效果和润湿效果。改进沉降实验达到最佳的沉降速率会有一个最小浓度,分别是AEO9(0.4%)、SDS(0.6%)和DTAB(1.0%)。三种表面活性剂在质量浓度为0.8%时的呼吸性粉尘的降尘效率分别是AEO9(70.99%)、SDS(67.17%)和DTAB(65.62%)。(2)动态表面张力、动态接触角实验表明,AEO9表面活性剂溶液在大于临界胶束浓度(CMC)时,对溶液表面张力改善效果最好,且在无烟煤表面铺展速度最快;结合界面体系和胶束体系的模拟研究可知:CMC浓度下表面活性剂溶液的平衡表面张力值与水表面处表面活性剂吸附层与水分子的相互作用一致,相互作用越强,平衡表面张力值越大;此外,胶束越容易解离,表面活性剂从水体相补充到气液界面的速度就越快,表面活性剂溶液在无烟煤表面的铺展速度也越快。(3)通过分子动力学模拟研究表面活性剂溶液在晋城无烟煤表面的吸附行为可知:表面活性剂分子间的强相互作用会阻碍表面活性剂分子以平躺构象吸附在煤表面。临界胶束浓度下,三种表面活性剂界面吸附层与无烟煤的相互作用能分别是AEO9(-2054.03Kcal/mol)、SDS(-1740.13Kcal/mol)和DTAB(-2022.90Kcal/mol)。(4)通过模拟研究含不同乙氧基数亲水基的脂肪醇聚氧乙烯醚AEO7、AEO9和AEO12在CMC浓度下的界面体系、胶束体系以及在无烟煤表面的吸附行为可知:EO数越多,胶束与水的相互作用越强,表面活性剂在水表面处的吸附层与水的相互作用也越强。临界胶束浓度下表面活性剂与晋城无烟煤的相互作用能分别是AEO7(-2551.79Kcal/mol),AEO9(-2054.03Kcal/mol)和AEO12(-2034.89Kcal/mol),且AEO7的胶束最容易解离,所以AEO7对晋城无烟煤的润湿性最好。
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