摘要:

矿井水含有大量硬水离子，作为泡沫抑尘剂的主要用水，其水质硬度关乎泡沫抑尘剂的除尘效率及经济成本。为研究泡沫稳定性受矿井水质硬度影响的变化规律与微观作用机制，通过分子模拟研究含不同浓度Ca2+、Mg2+、Na+的矿井水对泡沫液膜稳定性的影响。以阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠（MSDS）与非离子型表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-5）等比例复配的泡沫体系为研究对象，深入分析泡沫液膜表面张力、界面厚度、径向分布函数、扩散系数及氢键等微观表征的变化规律。研究发现：①泡沫体系的界面张力随Ca2+、Mg2+浓度的增加而增大，且高硬水条件下泡沫界面厚度最薄，这表明高硬水条件下，泡沫抗扰动能力差，稳定性弱。研究结果深化了矿井水质硬度对泡沫稳定性影响的微观理解，揭示了不同硬水离子存在下，泡沫液膜内部表面活性剂分子和水分子间的微观变化及其相互作用。

引言

目前，泡沫抑尘用水多直接采用矿井水，由于水中钙、镁等离子含量较高，使得水质呈现较硬特性。周俊丽等对神东40个矿井水质硬度等进行了测试分析，结果表明人工水总硬度达到700 mg/L，属超硬水范围。程鹏选取晋城地区的10座矿井，研究矿井水质对乳化液的影响，得出水质硬度过高会使乳化液稳定性被破坏的结论。因此，探究硬水离子对泡沫稳定性影响的微观作用，是保障矿井早日实现硬水条件下仍可获得持续稳定抑尘泡沫的重要一环。

实验研究方面，相关学者采用XPS、TEM及表面张力测试等多重手段，探究硬水离子对表面活性剂复配体系的影响。甘建等通过测试9种表面活性剂泡沫在高硬水条件下的泡沫综合性能。结果表明：月桂醇聚醚硫酸酯铵、烷基糖苷单体溶液具有较强的泡沫润湿性能，且二者在高硬水条件下，比例为8∶2的复配体系泡沫综合指数达到峰值。ZHOU等研究了Al3+、Mg2+及Na+对CAB/LAS复配体系的临界胶束浓度和起泡性的影响。结果表明：体系中加入少量无机盐能降低复配体系的临界胶束浓度，同时起泡能力和生成的泡沫的稳定性也得到显著提高；但是高浓度的无机盐使表活剂复配溶液的起泡能力和生成的泡沫的稳定性明显降低。ZHANG等通过加入NaCl改变水质硬度的方式，研究C12BE/SDS复配体系加入无机盐对表活剂复配体系的影响。结果表明：比例为6∶4的复配体系加入NaCl后，溶液的临界胶束浓度降低，且随着NaCl浓度增加，复配体系表面张力降低的效率也会增加。

分子模拟方面，YANG等利用分子模拟方法研究了LAS/SDS复配泡沫体系在有Ca2+和无Ca2+情况下的泡沫稳定性，得出随着Ca2+浓度的增加，泡沫稳定性明显降低，但是表面活性剂复配溶液生成的泡沫稳定性高于2种单一表面活性剂生成的泡沫。此外，表面活性剂头基和Ca2+的相互作用距离和配位数是影响泡沫稳定性的重要因素。吴刚基于分子动力学模拟构建了含有不同种类和浓度无机盐的泡沫液膜模型，研究了Na+、Mg2+、Ca2+与SDS/C12E5复配泡沫液膜中各组分的相互作用。结果表明：一定浓度的Mg2+能够增强表面活性剂头基与水的相互作用、提高束缚结合水的能力，而Na+和Ca2+降低了表面活性剂头基与水的相互作用和束缚结合水的能力，使液膜的表面张力增大，对复配泡沫的稳定性产生不利影响。徐超航在泡沫水层中加入Ca2+以研究硬水条件下SDS和SDES与Ca2+的相互作用及在气液界面的微观吸附行为。结果表明：随EO基团数目增多，表面活性剂能够吸引部分游离钙离子，从而减小钙离子与硫酸根离子的络合几率，提高表面活性剂在硬水中的表面活性和起泡能力。

由上述分析可知，前人对泡沫稳定性受水质硬度影响的研究主要集中在优选化学试剂复配比例及溶液各组分间的相互作用方面，鲜有对等比例阴‒非离子表面活性剂复合泡沫稳定性受不同水质硬度影响的微观表征研究，特别是针对泡沫气液界面稳定性的模拟研究往往只考虑单一种类硬水离子的影响。

因此，笔者以NaCl作为对照组，采用分子动力学模拟研究阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠（MSDS）与非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-5）等比例复配时，泡沫稳定性受不同硬水离子影响的变化情况，并对硬水条件下等比例表面活性剂的气液界面吸附层进行分析，进而揭示表面活性剂内部基团与水分子的相互作用受钙、镁离子影响的微观机制，为泡沫抑尘剂抗硬水能力的研究领域提供模拟研究与技术参考。

1.模拟方法

1.1模拟材料

阴离子和非离子型表面活性剂种类多、来源广，经济成本较低，是多数泡沫抑尘剂的主要原料，故选取常见非离子性表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-5）与阴离子型表面活性剂十二烷基磺酸钠（MSDS）按等比例复配来模拟发泡剂，其中AEO-5分子的羟基和（—OCH2CH2—）为聚氧乙烯结构（即EO基团），是非离子性的含氧亲水基团，MSDS分子中的SO3‒为磺酸根基团，是阴离子性的亲水基团。

矿井水质较硬的主要原因是矿物离子的含量较高，尤其是钙、镁离子的含量过高，故模拟时暂且忽略其他离子影响。因此，笔者以Na+泡沫体系为对照，参考水质硬度标准，通过向泡沫模型的水盒子中加入36、72和144个钙、镁离子模拟实际矿井水质硬度为中硬水、硬水和高硬水的情况。