2 分子动力学模拟

2.1 模型构建

构建的ALES、SLES和SDS分子模型，LRC分子模型是基于WENDER等开发的模型构建的，该模型具有LRC的基本特征(包括羧基、酮基、酚基、醇基、醚基、呋喃环)。

利用Materials Studio的Forcite模块对分子结构进行几何优化退火优化，选用COMPASS力场进行分子动力学模拟。将20个LRC分子、20个表面活性剂分子和1000个水分子放入尺寸为37 Å×37 Å×150 Å的盒子中，构建了ALES/LRC/H2O(体系A)、SLES/LRC/H2O(体系S)和SDS/LRC/H2O(体系D)，体系中增加了60 Å厚度的真空层，以避免周期性效应。模拟参数设置见表3。

模拟后表面活性剂、H2O和LRC在分子间相互作用力的影响下聚集在一起，并在固液界面处呈现出表面活性剂分子疏水尾链吸附在LRC表面，亲水基团朝向水分子的平衡构型。

2.2 静电势(EP)分析

利用DMol3模块计算了表面活性剂分子和LRC分子的EP，EP的大小反映了整个分子的电荷分布。静电势值见表4。

界面水层中表面活性剂分子的形态为亲水性头基朝向水相，疏水性尾链朝向LRC表面，表明表面静电势的存在使水分子可以通过氢键紧密地连接在一起，表面活性剂分子在提高LRC亲水性方面起到桥联作用。理论上，如果水分子与其他分子位点接触的EP值大于水分子该位点的最大值(0.03889 a.u.)或小于其最小值(-0.03755 a.u.)，则水分子与其他分子之间的相互作用力大于分子间存在的氢键作用，则可判定该分子具有较强的亲水性，且该分子亲水能力随最大和最小表面静电势绝对值的增加而增大。鉴于表面活性剂分子由水解阴、阳离子组成，因此应计算总EP来评价其亲水性。根据表4可得EP值的大小排序为SLES>SDS>ALES。因此，3种表面活性剂的亲水能力大小排序为ALES>SDS>SLES。

2.3 氢键分析

表面活性剂分子与LRC之间形成的氢键数量可以用来评价其在LRC表面的吸附能力。为了定量分析不同表面活性剂在LRC表面的吸附能力，利用perl脚本计算了3个体系中氢键的数量，其随时间的变化曲线可知，3个体系中氢键数量的排序为A>S>D。因此，ALES在LRC表面的吸附能力较强，这得益于ALES中的EO基团、NH增加了各自体系中的氢键数量，从而使体系更加稳定。

2.4 密度分布

3个体系沿Z轴的密度分布，3个体系在Z方向的密度分布曲线中，两条黑色虚线分别代表水分子密度为0.1 g/cm3和0.9 g/cm3的位置(颜色标识见电子版)，两条虚线之间的距离代表Z方向的界面水层厚度(d)。其中，体系D的界面水层厚度最小(7 Å)，体系A、S的界面水层厚度较大(分别为11 Å、13.5 Å)，说明具有EO基团的ALES、SLES在LRC表面有较强保水能力。体系A的界面水层厚度(11 Å)略小于体系S(13.5 Å)，这是因为体系A中有部分水分子已进入LRC内部，而与界面水层分离，导致体系A的界面水层厚度收缩。体系A中ALES和NH4+、体系S中SLES和Na+以及体系D中SDS和Na+渗入LRC表面最深的位置分别为27 Å、35 Å、30 Å、38 Å、32 Å、42 Å。体系A、S、D中水分子分别可渗入至24 Å、37 Å、24 Å位置，且体系A中水分子在27 Å处的密度远大于体系S、D。因此，ALES、NH4+在LRC表面的渗透能力最强，从而使其周围水分子能够最大程度突破LRC的限制而深入其内部，从而达到较好的润湿LRC的效果。

3 结论

(1) 3种表面活性剂溶液润湿LRC存在一个拐点区域为2‰~3‰。当浓度小于拐点浓度时，3种表面活性剂润湿LRC的能力排序为ALES>SLES>SDS；当浓度大于拐点浓度时，3种表面活性剂溶液润湿LRC的能力排序为ALES>SDS>SLES。因此，高、低浓度的ALES溶液对LRC粉尘均具有较强的润湿性能。

(2) 红外光谱测试结果显示ALES、SLES、SDS在LRC表面均发生了不同程度的吸附，其中ALES在LRC表面的吸附能力最强，主要得益于ALES分子结构中的EO基团以及NH4+，增加了该体系中氢键供体和受体的数量，使体系A中的氢键数量最多，从而增强了体系A的稳定性。

(3) LRC表面静电势计算结果显示，SDS的水解阴、阳离子具有较大的EP，分别为-0.17759 a.u.、0.32626 a.u.，使其对周围水分子的约束力较强，不利于水分子在LRC表面的扩散。综合表面静电势由大到小的排序为SLES>SDS>ALES，体现了3种表面活性剂亲水能力的强弱，排序为ALES>SDS>SLES。

(4) 3个体系沿Z轴的密度分布结果显示，具有EO基团的ALES和SLES在LRC表面有较强的保水作用。ALES的水解阴、阳离子可渗入至低阶煤表面27 Å、35 Å处，说明ALES在LRC表面的渗透能力最强，使其周围水分子能够最大程度突破LRC的限制而深入其内部，从而达到较好润湿LRC的效果。