不同煤阶煤分子表面吸附水分子的机理

采用量子化学方法中包含色散矫正的密度泛函理论(DFT-D3),对4种不同煤阶(无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤)的煤分子表面吸附水分子的微观机理进行研究。通过优化煤分子表面吸附水分子的平衡构型,对煤分子表面进行静电势分析,计算相互作用能,并通过约化密度梯度(RDG)判断水分子在不同煤阶煤分子表面的作用类型。研究表明,煤分子与水分子间最大相互作用能为-11.91 kcal/mol,煤吸附水的过程属于物理吸附,且相互作用能的大小由弱相互作用力的类型和作用力个数共同决定。褐煤具有较大静电势的分子表面积最多,褐煤更易与极性水分子形成相互作用。4种不同煤阶煤分子吸附水分子的最大相互作用能大小顺序为:褐煤次烟煤烟煤无烟煤。各煤阶最大相互作用能对应的平衡吸附构型下煤分子与水分子的作用类型依次为:范德华作用力,氢键作用,氢键与范德华作用力的共同作用,两个氢键的共同作用。     

褐煤与水分子的吸附作用机理

为探究褐煤吸附多层水分子的作用机理,运用Gaussian 09软件包建立了褐煤表面分子模型,应用密度泛函理论中的B3LYP方法,用ORCA程序计算得到9种不同的吸附构型及吸附能,应用波函数分析软件Multiwfn及VMD可视化程序,得到了吸附构型表面静电势分布及RDG等值面图,可视化地展示了弱相互作用的区域及类型,同时运用AIM理论分析电子密度的拓扑结构,分析原子间的成键类型及稳定性。结果表明:褐煤对水分子的吸附属物理吸附,以氢键为主,其余为范德华弱相互作用;褐煤分子的含氧官能团区域是发生吸附作用的活性位点,同时每个水分子的加入都为褐煤吸附下一层水分子提供了更多的活性位点;水分子二聚体、三聚体的形成与吸附极大地改变了褐煤的结构。     

基于分子结构模型的褐煤与浮选药剂界面作用机理研究

褐煤表面亲水性强,在浮选过程中需添加表面活性剂提高其疏水性,研究褐煤与表面活性剂的界面作用有助于提高褐煤浮选效率。通过测试褐煤结构参数,建立了内蒙古锡林浩特褐煤分子结构模型,并对比了实际测试与模型计算的红外光谱图,验证了该分子结构的代表性。模拟结果表明:水分子通过静电作用在褐煤表面形成水化膜,吸附了表面活性剂的褐煤表面与水分子之间的界面作用能显著降低,特别是吸附了失水山梨醇油酸酯之后,水分子在远离褐煤表面的上方形成了聚集状态,阻碍了水分子的吸附,改善了褐煤表面的疏水性。褐煤浮选结果与模拟计算结果具有一致性。     

微细煤与高岭石颗粒间的分子动力学模拟研究

掌握煤泥水中多组分微细颗粒间复杂的相互作用机制是解决煤泥聚团沉降、选择性分选及脱水困难的重要基础。为了探寻煤泥水中微细颗粒界面间微观作用机制,以煤泥水中主要微细颗粒煤和高岭石为研究对象,采用分子动力学(MD,Molecular Dynamics)方法对水溶液中微细煤与高岭石颗粒间相互作用进行了模拟研究,模拟计算了高岭石颗粒界面处煤大分子空间平衡构型、原子浓度分布曲线及水分子自扩散系数、原子间径向分布函数的影响。MD模拟结果表明:煤大分子在高岭石(001)面及■面吸附动力学平衡后,能够排开周围水分子与高岭石表面发生了稳定吸附作用,同时煤大分子中的部分苯环结构近似平行于高岭石表面,即苯环结构与高岭石不同表面间都存在较强的静电引力作用;煤大分子中的含氧官能团能够与高岭石不同表面形成氢键,但氢键在煤大分子与高岭石表面间相互作用中所提供的贡献非常小;存在水分子竞争吸附的情况下,煤大分子更容易与高岭石■面发生稳定吸附。为验证分子动力学模拟结果的正确性,采用扫描电子显微镜(SEM)对不同粒度级的煤与高岭石颗粒间微观作用进行观测分析,结果表明:在水溶液环境中,微细煤与高岭石颗粒间能够发生相互吸引作用,使得两者吸附在一起难以分开。水溶液中微细煤与高岭石颗粒间的微观作用机理主要是煤中含氧官能团与高岭石表面形成的氢键作用及煤中苯环与高岭石表面间的静电引力作用,其中以苯环与高岭石表面间的静电引力作用为主导。     

水分子在伊利石表面的吸附作用机理分析

作为煤炭分选的重要化工分离技术,浮选过程中伊利石的水化会对分选效果造成极大影响。为研究伊利石(001)面和(001)面对水分子的吸附机理,使用Materials Studio软件对水分子在伊利石表面吸附位点预测与模拟计算,应用Multiwfn软件得到了水分子吸附前后伊利石表面静电势,并对吸附前后的电子态密度进行分析。结果表明:在伊利石表面硅氧环上,氧原子附近含有大量静电势极值点,水分子中的氢原子易于受到电负性更大的氧原子吸引,从而形成氢键,且更易吸附到IN-K-001面,水分子的吸附提升了伊利石表面静电势,吸附后体系能量降低,且为后续水化提供了更多吸附活性位点。     

基于水化膜弱化促进煤泥脱水机理及试验研究

煤泥颗粒表面水化是煤泥脱水困难的重要因素之一,通过弱化煤泥颗粒表面水化膜促进煤泥高效脱水是一种新的技术方法。为掌握基于弱化水化膜促进煤泥脱水机理,采用密度泛函理论方法模拟了不同长链烷基季铵阳离子(表面活性剂)在煤泥水主要矿物颗粒表面的吸附,通过对吸附构型、Mulliken键布局及电荷的分析,研究了水及药剂在高岭石(001)面、α-石英(001)面和蒙脱石(001)面的吸附机理;通过开展煤泥脱水试验和接触角测试,探讨长链烷基季铵盐药剂对煤泥水分和表面润湿性的影响规律。结果表明,水分子在不同种类矿物(001)面的吸附稳定性顺序为石英>高岭石>蒙脱石,石英对煤泥脱水影响大于高岭石和蒙脱石;长链烷基季铵盐药剂在矿物表面的吸附稳定性明显高于水分子,说明药剂与水分子的竞争吸附作用顺序是蒙脱石>石英>高岭石;长链烷基季铵盐与几种矿物(001)表面吸附均是以静电引力为主,弱氢键为辅。随着长链烷基季铵盐药剂用量的增加,煤泥滤饼水分先减少后增加,当药剂用量为500 g/t效果最好,水分降低2.25%以上;随着药剂用量和链长的增加煤泥表面疏水性显著增加。控制药剂用量是实现高效煤泥脱水的技术关键,添加适量的表面活性剂有利于弱化矿物表面的水化膜,过量长链烷基季铵盐阻碍煤泥脱水。     

温度及压力对高岭石吸水特征影响的分子动力学模拟

高岭石是煤系泥岩的主要黏土矿物组成成分之一,它的存在对泥岩的水理作用产生重要影响。高岭石与水相互作用的分子机制是深入认识泥岩遇水膨胀、软化崩解甚至泥化等现象的基础。分子动力学模拟技术是揭示物质结构与性质间关系、了解物理化学体系中物质相互作用机制的有力工具。应用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)及分子动力学(MD)方法对高岭石的吸水特征进行了模拟,研究了温度及压力对水分子在高岭石颗粒表面的吸附量、吸附位、吸附热、吸附能以及高岭石体积膨胀性等的影响规律,阐明了高岭石吸水的分子机制。研究结果表明:高岭石吸附水过程中,水分子和高岭石表面原子以H_w-O_k和O_w-H_k两种形式形成氢键联接;吸附热介于1.898～2.133 kJ/mol,远低于发生化学吸附的临界值42 kJ/mol,高岭石与水分子间的相互作用为典型物理吸附;吸附能为负值,高岭石吸水后体系热力学稳定,吸附能数值、吸附量及体积膨胀率变化规律相似,均随压力增加呈对数关系递增,而随温度升高递减且减幅相对较小;吸附位为吸附过程中水分子在高岭石颗粒表面某一位置出现的频次;水分子在高岭石颗粒表面的吸附依赖于分子间的范德华能和氢键作用能,压力对吸附特征的影响比温度更大,且高温不利于水分子在高岭石颗粒表面的吸附。     

煤泥水中微细高岭石/蒙脱石颗粒表面水化分子动力学模拟研究

煤泥颗粒界面水化是煤泥水难以沉降脱水的主要原因,采用分子动力学模拟研究了煤泥水中主要微细黏土矿物颗粒高岭石及蒙脱石颗粒界面水化分子动力学特性,模拟计算了矿物颗粒界面水平衡构型、界面原子浓度、水分子扩散系数及金属离子的影响。研究结果表明:水分子能够通过氢键在高岭石及蒙脱石颗粒表面发生水化作用;随水覆盖率(或水分子数)的不断增加,矿物颗粒表面对水分子的束缚力逐渐减小,界面处的氢键作用逐渐减弱,其中水分子在亲水性的高岭石和蒙脱石界面能逐渐形成3个水分子层,总厚度为(8~10)×10-10 m;高岭石(001)面水化程度大于蒙脱石(001)面;二价金属离子对蒙脱石水化的促进作用强于一价金属离子。     

水分子与白云石(104)表面相互作用的第一性原理研究

为了研究白云石(104)表面吸附水分子的水化结构,利用密度泛函理论(DFT)模拟了单个及多层水分子在白云石表面的吸附。结果表明,白云石表面的Ca、Mg位点可以与水形成(Ca/Mg)—O_w键,主要是Ca3s3d轨道、Mg3s2p轨道及与O2p轨道作用,水分子在白云石表面Ca位点的吸附作用强于Mg位点。多层水分子在白云石表面吸附时,水分子层结构发生了明显分层,最靠近白云石表面的水分子层中,水分子在Ca、Mg位点上有序排列,平均吸附能为-74.35kJ/mol;随着距离的增加,矿物表面与水分子间相互作用逐渐减弱,水分子吸附能减小。     

煤表面分子片段模型与瓦斯吸附分子力学模拟

采用分子力学模拟的方法研究了煤表面分子片段模型与瓦斯气的吸附作用,主要研究了煤表面分子的苯环和侧链对CH4、CO2、N2和O2的吸附作用,得到了吸附能,计算出了在不同位置吸附的概率。研究结果表明,煤表面对CH4、N2和O2的吸附计算结果相似,主要是在苯环上吸附,还存在含N侧链位置的吸附作用;而煤表面对CO2的吸附计算明显的不同,主要在含N侧链位置和含N侧链在同一侧的苯环位置吸附,可能是由于NH与C=O形成了氢键,有待进一步研究。     

水合氢离子在伊利石(001)面和(010)面吸附的密度泛函研究

水合氢离子在黏土矿物颗粒表面的吸附造成界面性质的变化,进而影响溶液中的金属离子吸附。为揭示水合氢离子在黏土矿物表面的吸附机理,采用密度泛函理论方法对水合氢离子(H_3O~+)在伊利石(001)面和(010)面上的吸附进行模拟计算。结果表明:吸附在(001)面硅氧环上方的水分子易获得质子,H_3O~+优先吸附于硅氧环空穴上方。(010)面的≡Al—OH易从H_3O~+获得质子,水分子与H_3O~+存在竞争吸附; H_3O~+与(001)面间的静电作用强于(010)面,而氢键作用弱于(010)面,在(010)面的吸附稳定性强于(001)面;水分子的存在削弱H_3O~+与表面的氢键作用,然而对静电作用影响不大。从H_3O~+与伊利石表面微观吸附机理出发,H_3O~+的吸附增加界面水分子的活性,金属阳离子在表面的吸附可能更倾向于与活性水分子先发生配位作用。     

2-羟乙基三甲基氯化铵抑制蒙脱石水化膨胀的密度泛函计算

为探究2-羟乙基三甲基氯化铵(LHDJ)抑制蒙脱石水化膨胀的机理,基于密度泛函理论的方法研究了干态和湿态环境中LHDJ在蒙脱石表面的吸附机理。结果表明,干态环境下,LHDJ在蒙脱石001表面和层间都能稳定吸附,但LHDJ在Na-001表面吸附主要是静电作用,在None-001表面和层间的吸附是氢键和静电引力的共同作用,钠离子的存在并不利于LHDJ吸附在蒙脱石001表面。湿态环境下,LHDJ与水分子协同吸附,水分子将LHDJ和蒙脱石表面桥联起来并增强它们之间的静电作用和氢键作用。LHDJ抑制蒙脱石水化膨胀的机理主要是:LHDJ在水溶液中产生大量正电离子,中和蒙脱石表面的负电性,减弱颗粒间的静电斥力;同时,LHDJ可以牢固地吸附在蒙脱石外表面,随吸附量的增加,阻碍水分子在表面的吸附,但并不改变蒙脱石的亲水性;此外,LHDJ易进入层间交换出钠离子,依靠静电作用、氢键作用和水分子的桥联作用与上下两表面吸附牢固,拉紧层间距,水分子不易进入层间增大层间距。     

基于密度泛函理论的水对黄铁矿和煤表面润湿性机理研究

浮选建立在矿物表面润湿性差异之上,为了研究水对黄铁矿和煤表面的润湿机理,构建了黄铁矿和理想化的煤表面模型,并采用密度泛函理论（DFT）分析了水分子和氧分子在黄铁矿和理想化的煤表面上的吸附。结果表明:黄铁矿表面的电子性质活跃,表面Fe与S原子均有未成键的悬挂键,使得黄铁矿表面对水具有较强的吸附活性;水分子在黄铁矿表面各吸附位的吸附能均为负值,底部对硫穴位为水分子吸附的最稳定构型（吸附能为?87.42 kJ/mol）;氧分子在黄铁矿表面吸附时会发生解离,但其对已吸附的水分子影响较小。理想化的煤表面原子的配位数与体相相同,且表面对电子的束缚较强,使得理想化的煤表面吸附活性较弱;水分子在各吸附位的吸附能均为正值,说明水分子难以吸附在理想化的煤表面上;氧分子在理想化的煤表面上吸附时未发生解离,且将已吸附的水分子排离表面。因此,黄铁矿表面具有较强的亲水性,而理想化的煤表面具有较强的疏水性。      

原煤对液态水和压力水的吸附特性试验研究

对煤层进行注水湿润是井下降尘减灾的一项重要措施,为更全面的了解原煤对水的吸附特性,以煤孔隙特征研究为基础,结合物理吸附理论,在恒定温度下,分别对煤样进行液态水(无压水)润湿和压力水注水湿润试验研究。试验结果表明:1)在一定范围内,煤的中值孔径大且退汞率高,则煤吸水速率大。2)在对工作面进行注水降尘时,若煤层中含有较多贯通裂隙,易发生跑水现象,造成水资源浪费,湿润效果不理想。3)煤对水分子的吸附以物理吸附为主,其中范德华力作用占主要地位,而以氢键作用吸附的水分子并不多。4)当水分扩散到微孔时,孔径越小,吸附力越大。     

煤泥对木质素系分散剂的吸附性能研究

为了解木质素系分散剂(LS)对煤泥成浆性能的影响,根据LS在煤泥表面的静态吸附试验,采用动力学方程和等温吸附模型对吸附曲线进行拟合分析,研究LS在煤泥表面的吸附作用机理。结果表明:LS初始浓度对吸附过程有显著影响,初始质量浓度为0.4 g/L时,吸附效果最佳;LS初始浓度相同时,吸附量随温度升高而增加;吸附过程符合伪二级动力学方程,吸附速率由表面扩散和颗粒内扩散联合控制;吸附行为符合Langmuir和Freundlich吸附等温方程,热力学参数计算结果表明LS主要通过氢键、静电等作用自发吸附在煤泥表面,通过增加煤泥表面润湿性,提高浆体分散稳定性。     

褐煤反浮选试验工艺研究

以内蒙古宝日希勒的褐煤为研究对象,通过煤泥反浮选试验和正交试验等,分析研究了褐煤的表面特性和浮选特性,探索提高褐煤浮选效果的药剂种类、用量和工艺。试验结果表明:十二胺(DDA)对褐煤的反浮选效果优于十八胺(ODA)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB); 当捕收剂DDA用量为1 400 g/t时,反浮选效率最大为6.89 %,浮选尾煤最低灰分为11.23 %,此时浮选尾煤产率为84.46 %,浮选精煤与浮选尾煤灰分差的最大值为5.25 %; 在DDA用量一定的情况下,当糊精用量为1 600 g/t时,浮选精煤灰分为15.58 %,浮选尾煤灰分为10.77 %,该差值达到4.81 %; DDA用量、糊精用量、仲辛醇用量对浮选尾煤产率的影响均不显著; DDA用量对浮选尾煤灰分的影响很显著,而糊精和仲辛醇用量对浮选尾煤灰分的影响不显著。对褐煤而言,连续多次反浮选工艺可以得到低灰分(10.20 %)、高回收率(达到70 % 以上)的精煤。胺类捕收剂由于其物理吸附和络合物吸附作用,对褐煤中石英、硅酸盐、碳酸盐等矿物质具有较好的捕收作用。在矿浆中,糊精中的氢原子与褐煤表面存在的大量氧、氮等强电负性的原子相互作用,形成作用力较强的氢键,从而在煤粒表面形成亲水薄膜,使得煤粒变得亲水而被抑制。     

司班80表面活性剂预处理改善褐煤的浮选研究

采用XPS对褐煤表面官能团进行表征后发现褐煤表面含有大量含氧官能团,在浮选矿浆中极易与水分子形成氢键,从而形成褐煤难浮的特性。试验采用司班80作为表面活性剂对褐煤矿浆进行预处理,试验结果表明,低浓度的表面活性剂含量在一定程度上增加了褐煤的浮选精煤产率,但是高浓度的表面活性剂含量反而恶化浮选过程,降低浮选精煤产率。     

CTAB吸附对褐煤亲水性抑制作用机理的研究

表面活性剂在褐煤表面的吸附特性对其亲水性抑制具有重要影响,在研究了阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在褐煤表面的吸附特性,并分析吸附等温线、吸附热力学和吸附动力学,通过润湿热测定考察了CTAB吸附量与褐煤表面亲水性抑制效率的相关性后,进一步探讨了褐煤吸附CTAB后表面含氧量和孔结构的变化对其亲水性抑制的影响。研究结果表明,CTAB在褐煤表面的吸附是放热过程,吸附量随着温度的升高而增大;吸附等温线较符合Freundlich模型,吸附速率可以用二级动力学方程描述;褐煤吸附CTAB后,其表面有序度增加,亲水性降低;在褐煤表面吸附的CTAB覆盖了其亲水含氧官能团,并且在褐煤的大孔中发生聚集,还可能引起小孔结构的堵塞;吸附表面活性剂对褐煤亲水性的抑制是表面含氧官能团含量和孔结构变化共同作用的结果。     

Au(100)表面亲/疏水性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论,研究了单个、一层、多层(两层、三层)水分子与Au(100)表面的相互作用,从原子层面上分析Au(100)表面的亲/疏水性质.同时结合分子动力学模拟,分析水滴在金表面的润湿过程,进而从介观层面上揭示金表面的亲/疏水性质.结果表明,单个水分子在Au(100)表面是物理吸附.与单个水分子吸附构型相比,一层水...     

赤铁矿反浮选体系中 CaCl2 与石英吸附作用机理研究

为进一步完善石英和赤铁矿浮选作用机理,探讨了活化剂 CaCl₂ 在石英和赤铁矿表面吸附特性的差异。 通过研究纯矿物吸附特性试验,采用原子力显微镜( AFM)、傅里叶红外光谱( FTIR)和 Zeta 电位检测进行分析和表 征,阐释了 CaCl₂ 在石英和赤铁矿表面的吸附作用机理。 试验结果表明:CaCl₂ 与石英和赤铁矿均在 pH 值为 11 ~ 12 时吸附作用较强;当 CaCl₂ 浓度超过 3. 0 g / L 时,石英和赤铁矿表面的吸附量差异逐渐增大;CaCl₂ 与淀粉抑制剂在矿 物表面发生了竞争吸附,在赤铁矿表面的活化吸附作用弱于抑制吸附作用;CaCl₂ 在石英表面的吸附作用符合单分子 层的物理吸附模型,且主要表现为静电吸附,CaCl₂ 可提高石英在矿浆中的分散度,有利于石英在活化过程中暴露出 更多的吸附活性位点,易于被捕收富集。