一种提高煤尘润湿性的方法技术

本发明专利技术提供一种提高煤尘润湿性的方法，该方法通过计算表面活性剂相互作用参数，利用分子模拟方法得出针对某种特定煤尘的最优表面活性剂复配方案。该方法包括的步骤有：步骤1，通过工业分析、元素分析等煤尘分析实验获得煤分子成分及结构信息，合理构建煤尘分子模型；步骤2，根据表面活性剂相互作用参数计算公式，计算相互作用参数，确定表面活性剂复配方案；步骤3，应用Materials Studio8.0中Sorption模块对各复配方案模拟，比较各方案下体系吸附水量，优选一种最佳表面活性剂复配方案；步骤4，将最优表面活性剂复配方案应用于煤层注水工作中，提升煤尘润湿性。该发明专利技术提供了一种切实可行的优选表面活性剂复配方案的方法，在煤层注水工作中有相当可观的应用前景。

A method to improve the wettability of coal dust

【技术实现步骤摘要】
一种提高煤尘润湿性的方法
本专利技术属于分子模拟领域，涉及一种针对某种特定煤分子，基于相互作用参数计算以及分子模拟方法，得出能够最大程度上提升其润湿性的复配方案的方法。
技术介绍
煤层注水是在开采煤炭资源的过程中防止煤尘飞扬的主要方法之一，但是由于煤本身含有大量疏水官能团，这使得该方法效果并不理想。表面活性剂由亲水头部及疏水尾部两部分组成，其特点是可以将水与煤二者紧密连接在一起，进而起到提升煤尘润湿性的作用。且有相关研究表明，表面活性剂的合理复配可以进一步提升煤尘的润湿性，故研究表面活性剂的复配方式已经成为一项重大课题，如何合理的进行表面活性剂复配，也就成为了问题的关键。为此，专利技术一种充分利用两种表面活性剂之间的相互作用，且能通过分子模拟呈现该种复配方式提升煤尘润湿性的方法，可精确确定复配方案并显著提升煤尘润湿性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的关键问题是难以确定哪两种表面活性剂复配可以最大程度上优化煤尘的润湿性。本专利技术提供了一种基于表面活性剂之间相互作用参数计算公式，并利用分子模拟将该种方案提升煤尘润湿性的效果呈现出来的方法，确定针对某种特定煤尘的最佳表面活性剂复配方案。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种提高煤尘润湿性的方法，该种方法包括以下步骤：采集煤矿开采现场煤尘样品，经过工业分析、元素分析、核磁共振实验、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FTIR)以及X射线衍射(XRD)等实验手段，定性定量分析得出煤尘元素、官能团及化学键的种类和数量并分析分子结构，依据上述实验结果表征其结构特征。在上述步骤研究基础之上，利用MaterialsStudio8.0软件合理构建煤尘分子模型，该模型将作为后续阶段分子模拟的基础模型。查阅相关文献及资料，了解针对某一特定煤矿在煤层注水过程中常用的表面活性剂种类，确定所要选择的表面活性剂，同时还需要了解各类表面活性剂的最佳浓度区间，利用MaterialsStudio8.0软件合理构建各类表面活性剂分子立体结构。当两种或两种以上表面活性剂相互混合时，由于活性剂分子之间的相互作用，整个表面活性剂溶液体系便会产生增效作用或者对抗作用，致使新溶液的性质有别于单体表面活性剂溶液。若两种表面活性剂复配，所产生的润湿效果比单体溶液好，则称这两种表面活性剂具有协同效应，反之，称之为对抗作用。混合表面活性剂的相互作用对于同系物或者同一类表面活性剂而言，绝大多数均属于理想混合，分子间相互作用力较小，而不同种类表面活性剂的混合，则属于或者接近非理想型混合。二元混合表面活性剂溶液存在如下关系式：式(A)与(B)中：α为混合表面活性剂溶液中组分1的摩尔分数；x为混合单分子吸附层中表面活性剂组分1的摩尔分数；为表面活性剂组分1在溶液中的浓度；为表面活性剂组分2在溶液中的浓度；c12为混合物在溶液中的浓度；βσ为表面活性剂分子间相互作用参数。为获得协同效应，必须满足以下条件：(1)0<x<1，即βσ的值必须为负；(2)绝对值小于βσ的绝对值时方有协同效应。当βσ为负值时，说明两组分之间有协同作用，反之，则是对抗作用，βσ的绝对值大小直接反应分子作用的强弱程度。依照式(A)与(B)以及所了解的针对某特定煤矿的表面活性剂最佳浓度区间，计算得出不同种类表面活性剂两两复配的相互作用参数，比较βσ的绝对值大小，βσ绝对值最大时两种表面活性剂的浓度，理论上即为最优表面活性剂复配方案。模拟首先采用MaterialsStudio8.0软件Forcite模块中的SmartMinimizer方法，使用DreadingMolecularforcefield进行计算，对表面活性剂分子、煤分子以及水分子进行了能量最低优化，设置参数如下：迭代次数50000次；收敛准则为超细；能量差为0.001kcal/mol；RMS力标准为0.5kcal/mol·A。利用Moudles中的AmorphousCell模块构建盒子，利用BuildLayers功能将三者合并为煤分子-复配表面活性剂分子-水分子模拟体系，同时建立一个的真空层，使整个模拟在体系内部进行，排除外界影响因素的干扰。其中，两种表面活性剂的复配的分子个数比例应当严格按照计算βσ时所得二者浓度比例分配，并对基于某特定煤分子的吸附体系Layer中的煤分子固定，防止其移动对模拟产生影响。整个吸附过程在Sorption模块下进行；任务选择FixedPressure；方法选择Metropolis；拟平衡步数为104步。吸附水量的结果输出形式为一个最大值、一个最小值和一个平均值，最大值与最小值仅代表一个吸附量的区间范围，平均值可代表其吸附能力的强弱，故主要分析其平均值。比较模拟所得不同复配方案下体系的吸附水量，可直观且精确地比较各种不同复配方案下吸附水量，吸附水量平均值最大者，代表该种复配方案可以最大程度上提高煤尘润湿性，即为针对该种煤尘的最佳表面活性剂复配方案。附图说明图1为提高煤尘润湿性的方法的流程图图2为本专利技术通过实验数据绘制出的煤大分子立体结构图图3为本专利技术通过分子模拟所得出的不同复配体系下的吸附水量比较图表1为本专利技术通过计算相互作用参数所得出的表面活性剂复配方案表表2为接触角实验所得到结果表具体实施方案为使本专利技术方法的特征及优点更明显易懂，下文特举出表面活性剂复配提升赵庄煤尘润湿性的实例，并配合图示，做详细说明如下。该种提高煤尘润湿性的方法的流程图如图1所示。对赵庄煤矿进行采样，并对煤样进行粉碎、筛选得到200目粉末状固体，用无机酸进行托矿处理。将上述样品置于恒温干燥箱中干燥,结束后立即放入塑封袋中密封，尽量避免与外界空气接触。对赵庄煤样进行工业分析、元素分析、核磁共振实验、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FTIR)以及X射线衍射(XRD)等实验，通过以上实验数据及分峰拟合得到赵庄煤分子的成分组成及结构信息，利用MaterialsStudio8.0软件构建相应的赵庄煤大分子模型，如图2所示。阅读相关文献及查阅资料得知，SDBS、SDS、AEO3、AEO7和AEO9均是煤层注水工作中常用的表面活性剂。其中SDBS与SDS两种表面活性剂是离子型表面活性剂，二者最佳浓度范围分别为0.05％-0.2％和0.1％-0.5％；AEO3、AEO7和AEO9三种表面活性剂是非离子型表面活性剂，三者最佳浓度范围均为0.1％-0.9％，此浓度范围为计算相互作用参数提供了浓度取值范围。阅读相关文献及查阅资料得知，当离子型表面活性剂与非离子型表面活性剂二者进行复配时，通常可以达到比两种离子型表面活性剂或两种非离子表面活性剂复配更优的提升煤尘润湿性的效果，故本例中采用排列组合的方法，将所选表面活性剂按照“离子-非离子”的复配方式进行配对，共有六种复配方式。根据上述步骤中式(A)、式(B)，分别计算出六种复配方式下的相互作用参数，并记录在相互作用参数绝对值最大时所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高煤尘润湿性的方法，其特征在于，提高煤尘润湿性的方法包括：/n步骤1，通过工业分析、元素分析等煤尘分析实验获得煤大分子成分及结构信息，并利用Materials Studio8.0软件合理构建煤尘分子模型。/n步骤2，优选表面活性剂，根据表面活性剂相互作用参数计算公式，分别计算得到每两种表面活性剂之间的相互作用参数，列举不同复配方案。/n步骤3，应用Materials Studio8.0中的Sorption模块对各复配方案模拟，比较各方案下的体系吸附水量，优选出一种最佳复配方案。/n步骤4，将最优表面活性剂复配方案应用于煤层注水工作中，提升煤尘润湿性。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高煤尘润湿性的方法，其特征在于，提高煤尘润湿性的方法包括：
步骤1，通过工业分析、元素分析等煤尘分析实验获得煤大分子成分及结构信息，并利用MaterialsStudio8.0软件合理构建煤尘分子模型。
步骤2，优选表面活性剂，根据表面活性剂相互作用参数计算公式，分别计算得到每两种表面活性剂之间的相互作用参数，列举不同复配方案。
步骤3，应用MaterialsStudio8.0中的Sorption模块对各复配方案模拟，比较各方案下的体系吸附水量，优选出一种最佳复配方案。
步骤4，将最优表面活性剂复配方案应用于煤层注水工作中，提升煤尘润湿性。


2.根据权利要求1所述的提高煤尘润湿性的方法，其特征在于，在步骤1中通过工业分析、元素分析等实验手段，合理构建可代表某种特定煤尘的三维立体结构模型，该模型可表征煤尘组分及结构信息。


3.根据权利要求1所述的提高煤尘润湿性的方法，其特征在于，在步骤2中根据表面活性剂相互作用参数公式计算得到每种复配方案中的相互作用参数以及数值，比较二者大小以确定复配方案是否具备协同效应，并确定每种复配方案所需两种表面活性剂浓度。


4.根据权利要求1所述的提高煤尘润湿性的方法，其特征在于，在步骤3中利用Amorph...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟筠青，夏捃凯，孟含燮，牛家兴，王琛，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11