表面活性剂对硅尘润湿性影响的分子模拟_孟筠青.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2360-06表面活性剂对硅尘润湿性影响的分子模拟*孟筠青1，2，3，王丽娟1，2，王顾儒1，王婕1，2(1 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083;2 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083;3 中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083)摘要:研究表面活性剂对 SiO2粉尘润湿性影响，对 SiO2粉尘治理具有重要意义。以 SiO2 表面活性剂 水模型为基础，采用蒙特卡罗和分子动力学的方法，结合沉降试验，探究不同表面活性剂对 SiO2润湿性的影响。模拟结果表明:表面活性剂能够提高 SiO2的吸水量，且在十六烷基三甲基溴化铵(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide，CTAB)条件下吸水量提升得最多;分子动力学模拟后，SiO2 CTAB 水模拟体系中分子间相互作用能最大，表明 CTAB 对 SiO2润湿性的影响最大;当 CTAB 和月桂基葡萄糖苷(Alkyl Polyglucoside，APG1214)以物质的量比 3 1复配时 SiO2的吸水量最高。沉降试验表明，SiO2粉尘在单体 CTAB 和物质的量比 3 1复配的 CTAB/APG1214 溶液中沉降时间较短，说明这 2 种溶液对SiO2的润湿效果较好，与模拟结果一致。关键词:安全工程;表面活性剂;SiO2粉尘;吸附模拟;分子动力学中图分类号:X931文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0127*收稿日期:2021 01 21作者简介:孟筠青，副教授，博士，从事安全科学与工程研究，mengjunqing cumtb edu cn。基金项目:北京高校大学生创新创业训练项目校际合作计划项目(202198028);大学生创新创业训练计划项目(202112016)0引言日常生活中恶劣的沙尘天气和城市道路运输都会带来大量的扬尘，这些悬浮在空气中的粉尘不仅会对环境造成污染，也会给人体健康带来危害1 3，如皮肤病、眼部疾病和尘肺病等。SiO2粉尘是导致人类硅肺病的主要原因，在煤矿开采、建筑施工、石材加工等行业生产中，工人们更是需要长时间面临含有大量游离 SiO2粉尘的生产环境，不可避免会吸入大量的 SiO2粉尘，最终极易发展为以肺部广泛结节性纤维化为主的硅肺病4，给人体造成不可逆的损害。因此对于有 SiO2粉尘产生的场所，如何高效降低空间内的 SiO2粉尘便成为急需解决的问题。利用化学抑尘剂降尘是一种常用的粉尘治理方法5。通过向水中添加表面活性剂等化学物质，可大大提高水溶液对粉尘的润湿性，进而实现对空间内粉尘的有效治理。2005 年，吴桂香6 从分子热力学和表面物理化学的角度出发，分析了极性基湿润剂与矿岩粉尘间的相互作用机理，认为润湿剂减小了界面表面张力和体系自由能，从而增加了水对岩石粉尘的润湿性，为润湿剂的选择与开发奠定了理论基础。Bao 等7 探究了表面活性剂对细颗粒物去除效率的影响，研究结果表明不同表面活性剂均能提高细颗粒物的去除效率。2018 年，Zhou 等8 提出了表面活性剂磁化水的概念，利用表面活性剂与磁化之间的协同作用提高对煤尘的除尘效率。金龙哲等9 以表面活性剂曲拉通 X 100 为原料配制抑尘剂，并在矿山运输公路上进行降尘试验，结果显示抑尘剂具有很好的抑尘效果。Xu 等10 和 Huang 等11 分别研制了针对建筑工地粉尘和岩石粉尘的新型环保抑尘剂，并通过试验得出新型抑尘剂具有突出的抑尘效果。随着计算机技术的不断发展，分子模拟逐渐成为深入研究固 液表面特性的一种重要方法。1997 年，Blake 等12 首次通过模拟液滴在固体表面的扩散过程，测量出两者间的接触角变化参数。任红梅等13 采用分子动力学模拟了水团簇在二氧化硅羟基化和硅烷化表面上的吸附行为，结果表明二氧化硅羟基化表面比硅烷化表面具有更强的吸水性。乘舟越洋等14 基于密度泛函理论探究了新型捕收剂 DCZ 2 在石英表面的吸附过程，认为 pH 值在 4 10 时，DCZ 2 对石英捕收作用最强。邱玄等15 通过分子动力学模拟了 Pluronic F 68 在萤石和石英表面的吸附行为，结果显示 Pluronic F 68 在矿物表面形成的单层吸附结构具有稳定性，且在石英上的吸附能力更强。现有研究表明，表面活性剂等化学抑尘剂能够实现对粉尘的有效治理，因此研究表面活性剂对SiO2表面润湿性的影响，对 SiO2粉尘的治理具有十分重要的意义。本文借助 Materials studio 分子模拟软件 16，以构建 SiO2 表面活性剂 水三相模拟体系为基础，采用蒙特卡罗和分子动力学模拟的方法，探究不同种类表面活性剂及其复配对 SiO2润湿性的影响，同时开展 SiO2粉尘在纯水与不同表面活性剂溶液中的沉降试验，结合模拟和试验结果，找出对 SiO2粉尘0632第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023润湿效果最好的单体表面活性剂及复配溶液，进一步推动表面活性剂在 SiO2粉尘治理上的应用。1模拟方法1.1模拟体系构建采用 Materials studio 8.0 分子模拟软件，构建SiO2 表面活性剂 水模拟体系。选择数据库中 石英晶体作为 SiO2模型，首先将模型原胞切割出厚度为 2 层的表面，构建出 6a 6b 超晶胞结构，同时固定下层原子以节省模拟计算时间，并在 z 轴方向添加 1.5 nm 真空层形成 3 维周期性结构，最终建立参数为 a=2.95 nm，b=3.24 nm，c=1.78 nm，=90，=90，=90的 SiO2模型。根据亲水基的不同，表面活性剂可分为 4 种类型，针对不同的类型，综合其性能优势，各优选出单价均在 15 元/kg 左右的 2 种表面活性剂，分别为阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate，SDBS)和磺化琥珀酸二辛酯钠盐(以下简称快渗T)、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide，CTAB)和十二烷基三甲基溴化铵(Dodecyl Trimethyl AmmoniumBromide，DTAB)、两性表面活性剂十二烷基二甲基氧化胺(以下简称 OA 12)和十二烷基二甲基甜菜碱(以下简称 BS 12)、非离子表面活性剂月桂基葡萄糖苷(Alkyl Polyglucoside，APG1214)和辛基酚聚氧乙烯醚(Octylphenol Polyoxyethylene ether，OP 10)，表面活性剂的分子结构见图 1。利用无定形模型模块分别构建含有 1 7 个表面活性剂分子盒子和 500 个水分子盒子，通过建层工具将 SiO2、表面活性剂和水组合在一起，最下层是 SiO2，中间是表面活性剂，最上层是水分子层。为消除周期性结构影响，在体系上方添加 5 nm 的真空层，最终所形成的模拟体系见图 2。1.2模拟细节首先利用 Materials studio 中的 Forcite 模块对SiO2 表面活性剂 水模拟体系进行几何优化。为使体系达到收敛状态，最大迭代步数设为 1 104。吸附模拟采用吸附模块中的固定压力任务，方法为Metropolis;静电势能和范德华力分别为埃瓦尔德求和法和基于原子截断法。范德华力的截断半径为1.25 nm，模拟总步数为 1 105，其中前 1 104步用以平衡体系。分子动力学模拟在 Forcite 模块下进行，选择正则系综，控温方式为恒温扩展法，采用埃瓦尔德求和法计算远程静电力，时间步长为 1 fs，总图 1表面活性剂分子结构Fig 1Molecular structure of surfactant图 2SiO2 表面活性剂 水模拟体系Fig 2SiO2-surfactant-water simulation system模拟时间为 500 ps。几何优化、吸附模拟和分子动力学模拟均选用 COMPASS 力场。2模拟结果分析2.1单体吸附模拟结果图 3 为不同表面活性剂条件下 SiO2吸水量的变化曲线。可以看出，在不加表面活性剂的条件下，SiO2所吸附的水分子数只有 38 个，当向体系中加入不同表面活性剂后，SiO2的吸水量都有不同程度的增加，其中 CTAB 表面活性剂所提升的吸水量最多，其次是 DTAB、SDBS、快渗 T、APG1214、BS 12、OA12 和 OP 10。也就是说阳离子和阴离子表面活性剂在改善 SiO2表面润湿性上比非离子和两性离子表面活性剂更有优势。2.2动力学模拟结果分析通过对比不同表面活性剂条件下 SiO2吸水量16322023 年 7 月孟筠青，等:表面活性剂对硅尘润湿性影响的分子模拟Jul，2023的变化，分别从不同类型表面活性剂中选取润湿性较好的 4 种表面活性剂，即 CTAB、SDBS、APG1214和 OA 12，将其作为不同类型表面活性剂的代表进行分子动力学模拟，进一步分析不同类型表面活性剂对 SiO2表面润湿性的影响。图 4 为分子动力学模拟前后体系中各组分的变化对比，可以看出，经过图 3不同表面活性剂条件下 SiO2吸水量变化Fig 3Variation of water absorption of SiO2underdifferent surfactant conditions分子动力学模拟后 SiO2、表面活性剂和水分子之间的距离缩小，水和表面活性剂混合在一起并向 SiO2表面靠近。通过隐藏体系中的水分子后，可以清晰地看出不同表面活性剂在 SiO2表面的形态，CTAB、SDBS 和 APG1214 表面活性剂分子在其表面上呈聚集态，且表面活性剂亲水头部基团都朝上，指向水分子，而疏水尾部基团则平铺在 SiO2表面上。相反地，两性表面活性剂 OA 12 分子在 SiO2表面呈分散状态，其亲水头部与疏水尾部也并未表现出明显的指向。因此，可以认为阳离子 CTAB、阴离子 SDBS和非离子 APG1214 表面活性剂对 SiO2表面的影响能力要大于两性离子 OA 12。不同表面活性剂对 SiO2表面的影响可以用二者间的相互作用来表示，而分子间相互作用的强弱往往用相互作用能来判定。SiO2分子与表面活性剂 水分子间的相互作用能 E 表达式17 为E=ET(ESi+ESW)(1)式中E 为 SiO2与表面活性剂 水分子间相互作用能;ET为分子动力学计算后体系的总能量;ESi为体系中 SiO2的能量;ESW为体系中表面活性剂与水的总能量。不同 模 拟 体 系 中 SiO2的 能 量 ESi均 为65 454.37 kJ/mol，负的相互作用能表明模拟体系中吸附过程是自发的，其绝对值可用来表示分子间相互作用的强弱。表 1 给出了由式(1)得到的 4 种表面活性剂 水分子与 SiO2分子间的相互作用能。可以看出，不同体系的相互作用能从大到小为图 4分子动力学模拟前后体系变化对比Fig 4Comparison of system changes before andafter molecular dynamics simulationCTAB、SDBS、APG1214 和 OA 12，表明 SiO2与CTAB 水分子间的相互作用最强，与 OA 12 水分子间的相互作用最弱。2.3复配吸附模拟结果由于表面活性剂之间的相互作用，当不同表面活性剂相互混合时，有时会比单一表面活性剂表现出更强的增效作用，因此对不同表面活性剂进行复配模拟，并保持体系中表面活性剂个数均为 4。按照同类型表面活性剂不复配原则，结合单体模拟吸表 1不同模拟体系的能量对比Table 1Energy comparison of different simulated systemskJ/mol表面活性剂ETES