摘要:

礦井水含有大量硬水離子，作為泡沫抑塵劑的主要用水，其水質(zhì)硬度關(guān)乎泡沫抑塵劑的除塵效率及經(jīng)濟(jì)成本。為研究泡沫穩(wěn)定性受礦井水質(zhì)硬度影響的變化規(guī)律與微觀作用機(jī)制，通過分子模擬研究含不同濃度Ca2+、Mg2+、Na+的礦井水對泡沫液膜穩(wěn)定性的影響。以陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉（MSDS）與非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-5）等比例復(fù)配的泡沫體系為研究對象，深入分析泡沫液膜表面張力、界面厚度、徑向分布函數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)及氫鍵等微觀表征的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：①泡沫體系的界面張力隨Ca2+、Mg2+濃度的增加而增大，且高硬水條件下泡沫界面厚度最薄，這表明高硬水條件下，泡沫抗擾動能力差，穩(wěn)定性弱。研究結(jié)果深化了礦井水質(zhì)硬度對泡沫穩(wěn)定性影響的微觀理解，揭示了不同硬水離子存在下，泡沫液膜內(nèi)部表面活性劑分子和水分子間的微觀變化及其相互作用。

引言

目前，泡沫抑塵用水多直接采用礦井水，由于水中鈣、鎂等離子含量較高，使得水質(zhì)呈現(xiàn)較硬特性。周俊麗等對神東40個(gè)礦井水質(zhì)硬度等進(jìn)行了測試分析，結(jié)果表明人工水總硬度達(dá)到700 mg/L，屬超硬水范圍。程鵬選取晉城地區(qū)的10座礦井，研究礦井水質(zhì)對乳化液的影響，得出水質(zhì)硬度過高會使乳化液穩(wěn)定性被破壞的結(jié)論。因此，探究硬水離子對泡沫穩(wěn)定性影響的微觀作用，是保障礦井早日實(shí)現(xiàn)硬水條件下仍可獲得持續(xù)穩(wěn)定抑塵泡沫的重要一環(huán)。

實(shí)驗(yàn)研究方面，相關(guān)學(xué)者采用XPS、TEM及表面張力測試等多重手段，探究硬水離子對表面活性劑復(fù)配體系的影響。甘建等通過測試9種表面活性劑泡沫在高硬水條件下的泡沫綜合性能。結(jié)果表明：月桂醇聚醚硫酸酯銨、烷基糖苷單體溶液具有較強(qiáng)的泡沫潤濕性能，且二者在高硬水條件下，比例為8∶2的復(fù)配體系泡沫綜合指數(shù)達(dá)到峰值。ZHOU等研究了Al3+、Mg2+及Na+對CAB/LAS復(fù)配體系的臨界膠束濃度和起泡性的影響。結(jié)果表明：體系中加入少量無機(jī)鹽能降低復(fù)配體系的臨界膠束濃度，同時(shí)起泡能力和生成的泡沫的穩(wěn)定性也得到顯著提高；但是高濃度的無機(jī)鹽使表活劑復(fù)配溶液的起泡能力和生成的泡沫的穩(wěn)定性明顯降低。ZHANG等通過加入NaCl改變水質(zhì)硬度的方式，研究C12BE/SDS復(fù)配體系加入無機(jī)鹽對表活劑復(fù)配體系的影響。結(jié)果表明：比例為6∶4的復(fù)配體系加入NaCl后，溶液的臨界膠束濃度降低，且隨著NaCl濃度增加，復(fù)配體系表面張力降低的效率也會增加。

分子模擬方面，YANG等利用分子模擬方法研究了LAS/SDS復(fù)配泡沫體系在有Ca2+和無Ca2+情況下的泡沫穩(wěn)定性，得出隨著Ca2+濃度的增加，泡沫穩(wěn)定性明顯降低，但是表面活性劑復(fù)配溶液生成的泡沫穩(wěn)定性高于2種單一表面活性劑生成的泡沫。此外，表面活性劑頭基和Ca2+的相互作用距離和配位數(shù)是影響泡沫穩(wěn)定性的重要因素。吳剛基于分子動力學(xué)模擬構(gòu)建了含有不同種類和濃度無機(jī)鹽的泡沫液膜模型，研究了Na+、Mg2+、Ca2+與SDS/C12E5復(fù)配泡沫液膜中各組分的相互作用。結(jié)果表明：一定濃度的Mg2+能夠增強(qiáng)表面活性劑頭基與水的相互作用、提高束縛結(jié)合水的能力，而Na+和Ca2+降低了表面活性劑頭基與水的相互作用和束縛結(jié)合水的能力，使液膜的表面張力增大，對復(fù)配泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。徐超航在泡沫水層中加入Ca2+以研究硬水條件下SDS和SDES與Ca2+的相互作用及在氣液界面的微觀吸附行為。結(jié)果表明：隨EO基團(tuán)數(shù)目增多，表面活性劑能夠吸引部分游離鈣離子，從而減小鈣離子與硫酸根離子的絡(luò)合幾率，提高表面活性劑在硬水中的表面活性和起泡能力。

由上述分析可知，前人對泡沫穩(wěn)定性受水質(zhì)硬度影響的研究主要集中在優(yōu)選化學(xué)試劑復(fù)配比例及溶液各組分間的相互作用方面，鮮有對等比例陰?非離子表面活性劑復(fù)合泡沫穩(wěn)定性受不同水質(zhì)硬度影響的微觀表征研究，特別是針對泡沫氣液界面穩(wěn)定性的模擬研究往往只考慮單一種類硬水離子的影響。

因此，筆者以NaCl作為對照組，采用分子動力學(xué)模擬研究陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉（MSDS）與非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-5）等比例復(fù)配時(shí)，泡沫穩(wěn)定性受不同硬水離子影響的變化情況，并對硬水條件下等比例表面活性劑的氣液界面吸附層進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示表面活性劑內(nèi)部基團(tuán)與水分子的相互作用受鈣、鎂離子影響的微觀機(jī)制，為泡沫抑塵劑抗硬水能力的研究領(lǐng)域提供模擬研究與技術(shù)參考。

1.模擬方法

1.1模擬材料

陰離子和非離子型表面活性劑種類多、來源廣，經(jīng)濟(jì)成本較低，是多數(shù)泡沫抑塵劑的主要原料，故選取常見非離子性表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-5）與陰離子型表面活性劑十二烷基磺酸鈉（MSDS）按等比例復(fù)配來模擬發(fā)泡劑，其中AEO-5分子的羥基和（—OCH2CH2—）為聚氧乙烯結(jié)構(gòu)（即EO基團(tuán)），是非離子性的含氧親水基團(tuán)，MSDS分子中的SO3?為磺酸根基團(tuán)，是陰離子性的親水基團(tuán)。

礦井水質(zhì)較硬的主要原因是礦物離子的含量較高，尤其是鈣、鎂離子的含量過高，故模擬時(shí)暫且忽略其他離子影響。因此，筆者以Na+泡沫體系為對照，參考水質(zhì)硬度標(biāo)準(zhǔn)，通過向泡沫模型的水盒子中加入36、72和144個(gè)鈣、鎂離子模擬實(shí)際礦井水質(zhì)硬度為中硬水、硬水和高硬水的情況。