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礦井水質(zhì)硬度標準及與含鹽泡沫體系的界面張力的關(guān)聯(lián)性研究(二)

來源:煤炭科學(xué)技術(shù) 瀏覽 353 次 發(fā)布時間:2026-01-19

1.2模擬參數(shù)設(shè)置


1)模型參數(shù)與構(gòu)建


采用Materials Studio中的Visualizer模塊構(gòu)建模擬所需的分子及離子,并利用Forcite模塊分配立場與電荷,圖1a為各種分子及離子優(yōu)化后的模型。其次,利用Crystals模塊創(chuàng)建含有優(yōu)化好的1個MSDS陰離子與1個AEO-5分子的9×18×30?3(a×b×c)晶胞結(jié)構(gòu),通過Symmetry中的Supercell功能,將構(gòu)建好的晶胞結(jié)構(gòu)沿a、b和c方向分別擴展6、3和1個,得到1個54×54×30?3的表面活性劑分子層,如圖1b所示。然后,利用Amorphous Cell模塊構(gòu)建1個由1 500個水分子和無機鹽離子組成,尺寸為54×54×30?3的水盒子,如圖1c所示。最后,依據(jù)甘建建立的泡沫液膜模型,利用Build Layer功能,得到54×54×200?3的“三明治”泡沫模型,如圖1d所示。基于截斷半徑要求,模擬體系Z軸方向水層上下各添加5 nm厚度的真空層。

圖1模型參數(shù)與構(gòu)建


2)動力學(xué)參數(shù)設(shè)置


分子動力學(xué)模擬過程由Forcite模塊完成。初始泡沫體系的結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定,需對泡沫初始模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以獲得穩(wěn)定的低能量泡沫結(jié)構(gòu)。在分子動力學(xué)模擬開始前,利用Forcite模塊中的Anneal對幾何優(yōu)化后的泡沫模型進行退火操作。利用Dynamic進行分子動力學(xué)模擬,系綜、力場、溫度等相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況見表1。

表1模擬參數(shù)設(shè)置


2.結(jié)果與討論


2.1界面張力


通常在分子動力學(xué)模擬中,研究人員通過計算體系壓力張量的分量來得到氣液體系的界面張力,具體可參見式(1):

式中:γ為泡沫液膜的表面張力;Px,Py和Pz分別為壓力張量在x,y和z方向的分量;Lz為模型中z軸方向的長度。


通過腳本文件統(tǒng)計各泡沫體系平衡后200幀的軌跡文件,得到不同濃度含鹽泡沫體系界面張力的變化情況,如圖2所示。由圖2可知,不同濃度含鹽泡沫體系的界面張力隨濃度的增加而增大,低、中濃度時泡沫體系界面張力從大到小依次為Ca2+>Mg2+>Na+,而高濃度時泡沫體系界面張力從大到小依次為Mg2+>Ca2+>Na+。界面張力是體現(xiàn)泡沫穩(wěn)定性的相關(guān)參數(shù)之一。界面張力越小,吸附在氣液界面處的表面活性劑活性越高,泡沫越穩(wěn)定。各泡沫體系界面張力的變化表明,硬水離子的存在會對泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,且Ca2+在低、中濃度時產(chǎn)生的負面效果較Mg2+更明顯,而高濃度時,Mg2+較Ca2+產(chǎn)生的負面效果更明顯。

圖2不同濃度含鹽泡沫體系的界面張力


2.2界面結(jié)構(gòu)


界面結(jié)構(gòu)可通過相對數(shù)密度分布表征,計算體系中水分子沿界面垂直方向的分布可得出泡沫界面結(jié)構(gòu)。由于泡沫模型關(guān)于水層中心對稱,故在計算水分子沿Z軸相對數(shù)密度分布時,以水層中心位置為原點,取水層上、下層數(shù)據(jù)的均值進行作圖,得到不同濃度含鹽泡沫體系中水分子相對數(shù)密度沿Z軸的分布情況,如圖3所示。

圖3不同濃度含鹽泡沫體系中水分子的相對密度曲線


由圖3,水分子相對數(shù)密度從液相到氣相逐漸減少到0,在液相區(qū)域內(nèi),離子濃度越高水分子的相對數(shù)密度越低。其中Ca2+與Mg2+泡沫體系的變化規(guī)律大體一致,而Na+泡沫體系則有所差異。對于Ca2+、Mg2+泡沫體系而言,低濃度時水分子的相對數(shù)密度在除氣相區(qū)域外的任何區(qū)域內(nèi)均大于中、高濃度時的相對數(shù)密度,中、高濃度曲線在氣液界面區(qū)域內(nèi)交于1點后,中濃度時水分子的相對數(shù)密度開始小于高濃度時水分子的相對數(shù)密度。但中、高濃度曲線的交匯處明顯不同,Ca2+泡沫體系在9.2?附近產(chǎn)生交匯,Mg2+泡沫體系在7.2?附近產(chǎn)生交匯,兩者交匯時水分子的相對數(shù)密度均為8.1。Na+泡沫體系中,高濃度時水分子的相對數(shù)密度在除氣相區(qū)域外的任何區(qū)域內(nèi)均小于中、低濃度時的相對數(shù)密度,中、高濃度曲線在氣液界面區(qū)域內(nèi)交于1點后,中濃度時水分子的相對數(shù)密度開始大于高濃度中水分子的相對數(shù)密度。


溶劑密度從10%升到90%的范圍為界面層,通過相對數(shù)密度分布曲線可估算出界面厚度。不同濃度含鹽泡沫體系界面厚度變化的火柴圖,如圖4所示。由圖4可知,不同濃度含鹽泡沫體系界面厚度隨濃度的變化規(guī)律一致。即當離子種類一定時,高濃度含鹽泡沫體系的界面厚度最小,低濃度次之,中濃度最大。對于低濃度含鹽泡沫體系而言,Mg2+的界面厚度最大,Ca2+次之,Na+最?。恢袧舛群}泡沫體系中,Ca2+的界面厚度最大,Mg2+次之,Na+最?。桓邼舛群}泡沫體系中,Mg2+的界面厚度最大,Ca2+次之,Na+最小。綜上可知,硬水離子的存在使得泡沫界面厚度有所增加,這意味著界面中水分子內(nèi)部的相互作用減弱,使得界面水分子受到的指向泡沫內(nèi)部的不平衡拉力減弱。

圖4不同濃度含鹽泡沫體系界面厚度的火柴圖


3.結(jié)論


礦井水質(zhì)硬度越高,泡沫體系的界面張力越大,高硬水條件下鈣、鎂泡沫體系的界面張力平均值大于100 mN/N,該條件下的界面厚度最薄,抗干擾能力最低,泡沫穩(wěn)定性最差。


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