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罗振敏教授团队在化工领域顶级期刊《Chemical Engineering Journal》发表最新研究成果
发布时间:2024-04-29    浏览量:749     分享:

近期,安全学院罗振敏教授团队在化工领域顶级期刊《Chemical Engineering Journal》发表题为“The investigation of wetting and agglomerating mechanism of short-chain fluorocarbon surfactant suppressing coal dust from macro and molecular scales”的研究成果,从分子动力学角度揭示了短链氟碳表面活性剂降尘过程中的润湿及团聚微观机理。丁旭涵副教授为第一作者,硕、博连读生王凯为第二作者,罗振敏教授为通讯作者。西安科技大学为第一单位,参与单位包括大连理工大学和中煤科工沈阳研究院。该研究成果得到国家自然科学基金(52204234、52074218)和陕西省自然科学基金(2024JC-YBQN-0422)等项目资助。

井下煤尘是导致煤工尘肺病和煤尘爆炸等职业健康与安全生产危害的主要根源,采用湿式化学降尘技术,通过提高降尘剂对煤颗粒的润湿及团聚效能,可显著降低悬浮煤尘浓度。短链氟碳表面活性剂因其极低的表面张力及弱生物累积性,具有较大应用前景。然而,短链氟碳表面活性剂降尘过程中的润湿及团聚机理不明确,仅研究其宏观表征对降尘效能的影响无法有效指导基于该材料的合成改性与应用研发。因此,本研究以表界面化学及电化学理论为基础,结合风洞试验、物理化学特性参数表征及分子动力学模拟,从分子间吸附解析特性、晶格收缩量、静电势能、氢键参数及前线轨道理论的角度,对表面活性剂降尘过程中的润湿及团聚微观机理进行了深入分析。结果表明:

① 从分子三维构型角度来看,FS-3100由于较长的链长,更容易产生化学键旋转,从而导致更高的立体位阻,从而导致了更高的扩散系数及较低的绝对润湿面积,降低了其其固留H2O分子吸附于煤分子表面的能力

② 从静电势能及氢键角度来看,FS-50的亲水基团受诱导效应支配具有更大的电荷密度。与FS-3100相比,FS-50与煤分子静电势差更高,氢键数量更多,键长更短,键角更大,这些是决定FS-50具有更好的润湿和团聚性能的关键因素。

 从前线轨道理论角度来看,FS-3100的氟碳尾链连接的C原子与一个具有孤对电子的羧基相连,该羧基增大了FS-3100LUMO值,削弱了其吸引煤表层电子的能力。相反,较低的LUMO值、较低的带隙能量和更平滑的空间构型共同赋予了FS-50更好的润湿和聚集能力。

以上结论从分子尺度对表面活性剂降尘过程中的润湿及团聚微观机理进行的充分揭示,对高效环保降尘材料的合成研发具有重要的理论指导意义。

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原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150475