[文献12] 表面活性剂在褐煤表面的吸附行为：实验与分子动力学模拟的对比研究

大家好！我是制药卓越221班（大一）的靳丽娟，今天为大家分享一篇2018年发表在International Journal of Molecular Sciences（二区，IF=6.208）上的文章，题目为《表面活性剂在褐煤表面的吸附行为：实验与分子动力学模拟的对比研究》，通讯作者单位为山东科技大学。

煤炭在满足我们社会的能源需求方面发挥着重要作用。褐煤是一种典型的低阶煤，储量大、易燃烧、挥发分高。然而，褐煤的含氧量高、含水量大、热值低，在开采过程中易风化破碎，形成大量的煤泥。干燥和浮选是提高褐煤利用率所采用的主要技术。浮选是褐煤泥选矿的重要方法之一，但低阶煤尤其是褐煤是最难浮选的煤。它们的低浮力主要归因于其表面的高氧含量和丰富的亲水官能团。许多研究者试图通过引入合适的药剂来改善难浮褐煤的疏水性。Kadim等人用三个矿山的褐煤进行了一系列浮选试验。Vamvuka等用zeta电位解释了褐煤浮选过程中颗粒表面的电荷情况。Yakup提出了煤油+乳化剂和煤油+乳化剂+表面活性剂的处理方案，并进行了浮选研究。然而，对于表面活性剂在煤表面的吸附，很少用到微观的理解。Zhang等利用山梨醇单油酸酯进行预处理，提高了预处理褐煤的浮选效果。Xia等发现十二烷和4-十二烷基苯酚的混合物是褐煤浮选的有效捕收剂。

近年来，分子动力学模拟已成为研究水/表面活性剂（收集剂）/矿物表面相互作用的重要工具。与实验方法相比，计算机模拟可以直接提供微观细节和基本认识。Chen等使用ReaxFF反应力场对褐煤的自燃进行了分子动力学模拟。Zhang等利用分子动力学（MD）模拟研究了褐煤基体在除湿过程中的结构和动力学。Zhang等通过分子动力学模拟研究了不同乙氧基化程度的十二烷基聚乙氧基化表面活性剂吸附对文德褐煤的润湿性改造。Rai等研究了油酸盐和十二烷基氯化铵分子在spodumene和jadeite表面的吸附情况。Xu等人[20]计算了水分子/铵离子与Muscovite（001）表面之间的相互作用能量。Wang等用MD模拟描述了水溶液中混合表面活性剂（盐酸十二烷基胺和油酸钠）在Muscovite表面的共同吸附。尽管已经有一些关于矿物的分子动力学模拟的研究，但它们主要集中在单一结构和化学成分的矿物上。然而，褐煤是一个具有结构复杂性和化学成分多样性的物质系统，它主要由85-95%的有机物质组成。因此，代表煤的统一化学结构是不存在的。为了研究煤的结构，必须做出一些假设。褐煤可以被视为一种高度交联的聚合物，由褐煤大分子通过桥键、氢键、范德华力等组成。正由于褐煤结构的复杂性和化学成分的多样性，因此很少有研究报道表面活性剂在褐煤表面的吸附。

我们采用分子动力学和X射线光电子能谱(XPS)方法研究了含有10个环氧乙烷基团的壬基酚乙氧基酯(NPEO10)在褐煤表面吸附的基本性质和机理。利用MD模拟研究了NPEO10在褐煤模型表面的吸附。定量研究水/表面活性剂/煤体系的分子尺度、结构和动力学行为有助于加深对NPEO10与褐煤相互作用的理解。此外，还进行了褐煤与NPEO10的吸附实验，验证了模拟结果。

【摘要】采用实验和计算模拟相结合的方法，研究了含10个环氧乙烷基团的表面活性剂壬基酚聚氧乙烯醚(NPEO10)在褐煤表面的吸附行为。NPEO10在褐煤上的吸附符合朗缪尔型吸附等温式。吸附过程的热力学参数表明，整个吸附过程是自发的。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，NPEO10覆盖了褐煤表面很大一部分含氧官能团。分子动力学(MD)模拟表明NPEO10分子吸附在水-煤界面。此外，极性相互作用是吸附过程中的主要影响因素。煤、NPEO10和水分子沿Z轴的密度分布表明，表面活性剂的剩余疏水部分延伸到溶液中，形成更疏水的煤表面，排斥水分子。由表面活性剂与褐煤表面三个空间方向上头部和尾部基团的密度分布计算的负相互作用能表明，吸附过程是自发的。自扩散系数表明，NPEO10的存在提高了褐煤的疏水性，提高了水的流动性。

【结论】采用实验和计算模拟的方法研究了含10个环氧乙烷基团的壬基酚聚氧乙烯醚(NPEO10)在褐煤表面的吸附行为。在不同温度下，NPEO10在褐煤上的吸附符合朗缪尔型吸附等温式。吸附过程的热力学性质表明，整个吸附过程是自发的，是由焓和熵协同驱动的。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，NPEO10覆盖了褐煤表面的大部分含氧官能团。用分子动力学(MD)模拟方法研究了NPEO10在褐煤模型表面的吸附行为，发现NPEO10分子吸附在水-煤界面。此外，NPEO10的乙氧基基团与褐煤表面亲水中心之间的极性作用是吸附过程中的主要因素。煤、NPEO10和水分子沿Z轴方向的密度分布表明，表面活性剂的剩余疏水部分延伸到溶液中，形成更疏水的煤表面，从而排斥水分子。通过头部和尾部基团在三个空间方向上的密度分布，研究了NPEO10分子的聚集结构。表面活性剂与褐煤表面的负相互作用能表明吸附过程是自发的，这与实验热力学结果一致。自扩散系数表明，NPEO10的存在提高了褐煤的水分迁移率，从而改善了褐煤的疏水性。

引用文献：Meng He, Wei Zhang, Xiaoqiang Cao, et al. Adsorption Behavior of Surfactant on Lignite Surface: A Comparative Experimental and Molecular Dynamics Simulation Study [J]. International Journal of Molecular Sciences, 2018, 19, 437.   

DOI：10.3390/ijms19020437