同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法技术

本发明专利技术公开了一种同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法


[0001]本专利技术属于煤尘防治
，具体涉及一种同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法
。

技术介绍

[0002]由于煤尘的疏水性和悬浮性导致水雾喷洒抑尘效果并不理想，而降尘剂的存在恰恰弥补了这一缺陷
。
但降尘原材料的选择往往是通过实验进行，一旦涉及到二三十余种原材料，将会面临实验费事费力的难题
。
[0003]随着科学技术的不断创新，分子动力学模拟已成为物理
、
化学
、
材料和生物学等各种领域中认识物质结构
、
特性以及反应机理分析的有力工具，不但可以对发生吸附的分子的结构及相关特性进行分析，还可以模拟吸附过程中分子的动态行为，是除了理论与实验研究之外的另一种探索微观层次的重要方法
。
因此，结合分子模拟技术，提出一种同类表面活性剂对煤尘润湿性进行微观判别方法，对于煤矿井下喷雾降尘表面活性剂的遴选具有重要意义
。

技术实现思路

[0004]针对目前矿用表面活性剂遴选存在费事费力的问题，旨在提出一种同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法，拟大幅度提高润湿煤尘效果优良的表面活性剂遴选效率，为更有效地减少煤尘污染提供一种科学思路
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法，包括以下步骤：
[0006]S1
：从矿区采集现场煤样，粉碎成粉末状后进行红外光谱
、
核磁共振光谱分析，获得煤分子的官能团
、
碳结构的信息；再结合
ACD/ChemSketchR
和
Materials Studio
分子设计软件，分别构建该煤样及至少三种同类表面活性剂的三维大分子模型，同类表面活性剂是指同为阴离子表面活性剂或同为非离子表面活性剂；
[0007]S2
：构建表面活性剂
—
煤静电作用模型，提出异性电势相吸引与竞争吸附结合准则，分析表面活性剂分子与煤分子的轨道能量差与静电势差值；
[0008]表面活性剂
‑
煤分子静电作用模型中涉及到密度泛函理论，选择
B3LYP
‑
D3
泛函，基组选择6‑
311+G**
，通过
Multiwfn+VMD
实现静电势与轨道能量可视化；分析表面活性剂正负静电势极值，若表面活性剂电势负值或正值小于水分子的，则表面活性剂与水分子之间的相互作用强度大于水分子之间相互作用强度，水分子会吸附在表面活性剂分子附件，从而提高润湿性；因此，轨道能量差及静电势极值越大，表面活性剂润湿效果越强，该表面活性剂对煤尘润湿效果越好；
[0009]S3
：对表面活性剂与水分子之间的氢键的强度和能量进行分析，其中强度的判定是形成氢键的键角和键长；统计表面活性剂与水分子之间形成氢键的键长
、
键角和氢键能量的平均值，表面活性剂与水分子之间形成的氢键强度越大，能量越小，吸附水分子效果越
强，对煤尘的润湿效果越好；
[0010]S4
：构建表面活性剂
—
煤
—
水分子周期溶液模型，通过
COMPASSII
力场赋予其电荷后，对其进行几何优化，使其达到稳定构型；
[0011]S5
：对几何优化后的周期溶液模型进行
NPT
模拟，直至煤分子
、
表面活性剂以及水分子的密度与实验条件相一致后，进行
NVT
模拟，观察水分子在不同表面活性剂体系中的运动情况，计算各种表面活性剂平衡状态时与水分子形成的氢键数量以及表面活性剂与水分子之间的相互作用能；
[0012]相互作用能计算公式如下：
[0013][0014][0015]E
int(surfactant
‑
water)
为体系中表面活性剂与水的相互作用能；
E
int(coal
‑
surfactant)
为体系中煤与表面活性剂的相互作用能；
E
total
为体系的总能量；
E
coal
、E
water
和
E
surfactant
分别为煤
、
水和表面活性剂的能量；
E
coal+water
、E
coal+surfactant
、E
surfactant+water
分别表示体系中煤与水
、
煤与表面活性剂
、
表面活性剂与水的两组分的总能量，此两组分的总能量分别通过在体系中去掉第3组分进行能量计算得到，即
E
coal+water
＝
E
total
‑
E
surfactant
，
E
coal+surfactant
＝
E
total
‑
E
water
，
E
surfactant+water
＝
E
total
‑
E
coal
；
[0016]对各种表面活性剂与水分子之间氢键数量与相互作用能进行统计，表面活性剂与水分子之间形成的氢键数量越多，与水分子之间相越强；
[0017]S6
：在
0.01—0.14
％浓度范围内选择多个浓度梯度配置各种表面活性剂溶液，并将表面张力达到最小值时的表面活性剂浓度定义为表面活性剂的最佳使用浓度；按照煤粉
0.5g
：最佳使用浓度的表面活性剂溶液
250mL
的比例，将称量的煤尘倒入盛有最佳使用浓度的表面活性剂溶液的烧杯中，记录从煤尘接触液面直至完全沉入液面需要的时间，时间越短，对煤的润湿性越强；以此验证，在实验条件下的润湿性能与步骤
S2
中通过从量子力学下的轨道能量差值和静电势差值
、
步骤
S3—S5
分子动力学下的氢键数量
、
相互作用能量两个角度的微观判断方法得到的表面活性剂对煤尘润湿性优劣得到结果一致
。
[0018]作为上述方案的优选，
S2
步骤中，构建表面活性剂
—
煤静电作用模型过程中，选定1个煤分子与
50
个水分子；一个表面活性剂分子与
50
个水分子；一个表面活性剂分子和一个煤分子
。
[0019]进一步优选为，
S4
步骤中，构建的表面活性剂
—
煤
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种同类表面活性剂对煤尘润湿性的微观对比及实验验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：从矿区采集现场煤样，粉碎成粉末状后进行红外光谱
、
核磁共振光谱分析，获得煤分子的官能团
、
碳结构的信息；再结合
ACD/ChemSketch
和
Materials Studio
分子设计软件，分别构建该煤样及至少三种同类表面活性剂的三维大分子模型，同类表面活性剂是指同为阴离子表面活性剂或同为非离子表面活性剂；
S2
：构建表面活性剂
—
煤静电作用模型，提出异性电势相吸引与竞争吸附结合准则，分析表面活性剂分子与煤分子的轨道能量差与静电势差值；表面活性剂
‑
煤分子静电作用模型中涉及到密度泛函理论，选择
B3LYP
‑
D3
泛函，基组选择6‑
311+G**
，通过
Multiwfn+VMD
实现静电势与轨道能量可视化；分析表面活性剂正负静电势极值，若表面活性剂电势负值或正值小于水分子的，则表面活性剂与水分子之间的相互作用强度大于水分子之间相互作用强度，水分子会吸附在表面活性剂分子附件，从而提高润湿性；因此，轨道能量差及静电势极值越大，表面活性剂润湿效果越强，该表面活性剂对煤尘润湿效果越好；
S3
：对表面活性剂与水分子之间的氢键的强度和能量进行分析，其中强度的判定是形成氢键的键角和键长；统计表面活性剂与水分子之间形成氢键的键长
、
键角和氢键能量的平均值，表面活性剂与水分子之间形成的氢键强度越大，能量越小，吸附水分子效果越强，对煤尘的润湿效果越好；
S4
：构建表面活性剂
—
煤
—
水分子周期溶液模型，通过
COMPASSII
力场赋予其电荷后，对其进行几何优化，使其达到稳定构型；
S5
：对几何优化后的周期溶液模型进行
NPT
模拟，直至煤分子
、
表面活性剂以及水分子的密度与实验条件相一致后，进行
NVT
模拟，观察水分子在不同表面活性剂体系中的运动情况，计算各种表面活性剂平衡状态时与水分子形成的氢键数量以及表面活性剂与水分子之间的相互作用能；相互作用能计算公式如下：相互作用能计算公式如下：
E
int(surfactant
‑
water)
为体系中表面活性剂与水的相互作用能；
E
int(coal
‑
surfactant)
为体系中煤与表面活性剂的相互作用能；
E
total
为体系的总能量；
E
coal
、E
water
和
E
surfactant
分别为煤
、
水和表面活性剂的能量；
E
coal+water
、E
coal+surfactant
、E
surfactant+water
分别表示体系中煤与水
、
煤与表面活性剂
、
表面活性剂与水的两组分的总能量，此两组分的总能量分别通过在体系中去掉第3组分进行能量计算得到，即
E
coal+water
＝
E
total
‑
E
surfactant
，
E
...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂文，牛文进，鲍秋，田起凡，李若曦，刘华君，杨静，张晓涵，廉洁，郭立典，刘承艺，许长炜，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：