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)硬度關乎泡沫抑塵劑的除塵效率及經(jīng)濟成本。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個礦井水質(zhì)硬度等進行了測試分析，結果表明人工水總硬度達到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)。

實驗研究方面，相關學者采用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。結果表明：月桂醇聚醚硫酸酯銨、烷基糖苷單體溶液具有較強的泡沫潤濕性能，且二者在高硬水條件下，比例為8∶2的復配體系泡沫綜合指數(shù)達到峰值。ZHOU等研究了Al3+、Mg2+及Na+對CAB/LAS復配體系的臨界膠束濃度和起泡性的影響。結果表明：體系中加入少量無機鹽能降低復配體系的臨界膠束濃度，同時起泡能力和生成的泡沫的穩(wěn)定性也得到顯著提高；但是高濃度的無機鹽使表活劑復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復配體系加入無機鹽對表活劑復配體系的影響。結果表明：比例為6∶4的復配體系加入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模擬構建了含有不同種類和濃度無機鹽的泡沫液膜模型，研究了Na+、Mg2+、Ca2+與SDS/C12E5復配泡沫液膜中各組分的相互作用。結果表明：一定濃度的Mg2+能夠增強表面活性劑頭基與水的相互作用、提高束縛結合水的能力，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合水的能力，使液膜的表面張力增大，對復配泡沫的穩(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。結果表明：隨EO基團數(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)選化學試劑復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）等比例復配時，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行分析，進而揭示表面活性劑內(nèi)部基團與水分子的相互作用受鈣、鎂離子影響的微觀機制，為泡沫抑塵劑抗硬水能力的研究領域提供模擬研究與技術參考。

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—）為聚氧乙烯結構（即EO基團），是非離子性的含氧親水基團，MSDS分子中的SO3?為磺酸根基團，是陰離子性的親水基團。

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)硬度標準，通過向泡沫模型的水盒子中加入36、72和144個鈣、鎂離子模擬實際礦井水質(zhì)硬度為中硬水、硬水和高硬水的情況。