声明：推文作为学术交流用途，无任何商业用途，如有侵权或解读错误之处，请在后台留言指正~碱性RT/Na₂CO₃ 复合体系对煤尘润湿性的协同改善：实验表征与分子水平解析煤炭仍是全球能源体系的重要支柱，但机械化开采导致井下煤尘浓度激增，易引发尘肺病并存在爆炸风险，亟需高效抑尘技术。喷雾抑尘应用最广，但部分煤种表面疏水性强，纯水润湿效果差，需添加表面活性剂改善润湿性。已有研究表明，表面活性剂、pH 环境及电解质可调控煤表面润湿行为，但碱性环境与阴离子表面活性剂协同改善煤尘润湿性的微观机理尚不明确；同时井下常含酸性有害气体（如 H₂S），研发碱性复合润湿体系具有工程价值。为此，本文构建RT/Na₂CO₃碱性复合体系，通过宏观实验与分子动力学模拟，揭示其协同润湿机制，为高效碱性复合抑尘剂设计提供理论依据。
选用宁夏双马煤矿烟煤，粉碎过 200 目筛，60℃烘干密封保存；以 “0.07 wt% RT（磺基琥珀酸二乙基己酯钠，阴离子表面活性剂）”为主剂，配制0.05–2.5 wt%梯度Na₂CO₃溶液，按1:1体积比混合得到复合改性液；煤尘与改性液浸泡24 h、真空烘干48 h，制备改性煤样。如图1。
图1 实验流程图
全自动表面张力仪，Du Noüy 环法，每组 3 次取均值。20 MPa 压片，接触角仪测定，每组 3 次取均值。KBr 压片法，400–4000 cm⁻¹ 扫描，分析表面官能团演变。基于Wiser烟煤大分子模型，用Materials Studio构建煤、RT、Na₂CO₃、H₂O 分子模型，COMPASS III 力场优化；搭建 40×40×200 ų 多相吸附润湿体系。如图 2、图 3、图 4。DMol³ 模块（DFT/BLYP）计算分子表面静电势（ESP）。NVT系综，1 fs步长，模拟1000 ps，分析吸附构型、相互作用能、浓度分布、径向分布函数（RDF）、氢键特征与水分子均方位移（MSD）。(1) 表面张力
随 Na₂CO₃浓度升高，复合体系表面张力先降后稳；0.07 wt% RT溶液表面张力 25.02 mN/m，2.5 wt% Na₂CO₃时降至22.45 mN/m，气液界面自由能降低，利于液滴铺展。对应图5。
图5 不同质量分数下改性溶液的表面张力
（2）接触角
Na₂CO₃显著降低煤尘接触角：纯 RT 溶液接触角 24.88°，2 wt% Na₂CO₃时降至16.42°，强化率达 80.97%；Na⁺静电屏蔽削弱表面活性剂头基斥力，促进界面致密吸附。对应图6、图7。
图6 不同质量分数改性溶液处理后煤样的接触角与强化率
图7 不同质量分数改性溶液处理后煤样的增强效果数值
（3）FTIR 分析
改性后煤骨架结构不变，3000–3600 cm⁻¹羟基区吸收增强：RT使OH-OH氢键占比升至 78.20%；Na₂CO₃诱导氢键类型重分布，OH-π氢键占比升至 13.08%，增强水与煤芳香结构相互作用，改善表面润湿性。对应图8、图9。
图8 改性煤样的傅里叶变换红外光谱图
图9 (a) 各种体系羟基伸缩区域的峰拟合分析；(b) 不同羟基结构的峰面积及面积百分比的演变。
（4）SEM 形貌
原煤表面致密光滑；RT处理后粗糙度增加、出现微孔；随 Na₂CO₃浓度升高，煤表面逐渐由致密转为疏松多孔，孔隙与裂纹增多，为改性液铺展、渗透提供通道，润湿性提升。对应图10。
图10 煤样在改性溶液处理前后的微观形态及孔隙结构
（1）静电势（ESP）
煤分子表面电势不均，极性基团带正电、芳香簇/含氧官能团带负电；RT头基（SO₃⁻）强负电引发分子间斥力；Na⁺全正电，中和RT头基负电、削弱斥力；CO₃²⁻兼具负电势与强水合能力，增强界面水相互作用。对应图11。
图11 分子表面静电势分布
（2）吸附构型
RT 疏水尾吸附煤表面、亲水头指向水相；Na₂CO₃促进液层铺展，水在煤表面分布更均匀，界面润湿性提升。对应图12、图13。
图12 相互作用能数值
图13 平衡状态下各类体系的分子排列构型
（3）相互作用能
复合体系煤-RT相互作用能绝对值增大（166.26→188.47 kcal/mol），吸附更稳定；煤-水相互作用能先降后升，Na₂CO₃促进水在煤表面富集。对应图14。
图14 模拟体系内各组分的相互作用能
（4）浓度分布
煤分子集中于 0–65 Å；RT/Na₂CO₃使水层厚度收缩、煤-水重叠面积增大；CO₃²⁻与 RT、水浓度峰重叠，界面相互作用强，水由聚集态转为铺展态。对应图15。
图15 界面水分子的关键结合位点。
（5）径向分布函数（RDF）
煤表面氧 - 水氢RDF峰强降低，水由煤官能团主导转为离子-表面活性剂协同调控；RT头基-水氢、CO₃²⁻-水氢峰强稳定，形成稳定水合壳层；Na⁺与 RT 头基强配位，促进界面有序吸附。对应图16、表1。
图16 不同仿真系统中关键组件的资源描述框架
表1 各类体系中关键组分径向分布函数的峰值分布特征参数
（6）氢键特征
Na₂CO₃使界面氢键数量从65增至235，键角趋近180°、键长缩短至1.26 Å，氢键网络更稳定有序，限制水分子运动、增强界面水层稳定性。对应图 17。
图17 分子数量大幅减少。
（7）水分子扩散
随RT/Na₂CO₃加入，水自扩散系数从2.00×10⁻⁵降至1.20×10⁻⁵ cm²/s，水分子运动受限，界面吸附水层更稳定，煤表面亲水性增强。对应图18。
图18 不同体系中水分子的均方位移曲线。
Na⁺静电屏蔽：中和 RT 头基负电、削弱分子间斥力，促进表面活性剂在煤表面致密有序吸附，疏水尾覆盖煤疏水位点，表面由疏转亲。
CO₃²⁻强水合与氢键桥接：高电荷密度增强水合能力，形成稳定水合壳层；作为强氢键受体捕获水分子，构建煤 - RT-Na⁺-CO₃²⁻-H₂O层级结构，氢键数量增多、网络稳定，水在煤表面富集、渗透，润湿性显著提升。对应图 19。
图19 界面处的微观桥梁
（1）RT/Na₂CO₃复合体系显著改善烟煤润湿性：表面张力降至 22.45 mN/m，接触角降至 16.42°；煤表面氢键重构、形貌疏松多孔，利于润湿渗透。
（2）分子模拟揭示微观机制：Na⁺削弱 RT 头基斥力、促进致密吸附；CO₃²⁻增强界面水合与氢键网络稳定性，水富集、扩散受限，界面相互作用强化。（3）二者协同实现煤尘润湿性提升，为碱性复合抑尘剂开发提供理论支撑，助力矿山安全与职业健康防护。
