一种煤浮选捕收剂捕收性能的评价方法技术领域
本发明涉及一种煤浮选捕收剂捕收性能的评价方法，具体是一种评价煤浮选捕收
剂捕收性能方法的技术方案。
背景技术
煤的浮选通常在水中进行，是利用煤表面的疏水性来获得的。为了加强煤颗粒的
疏水性，在浮选过程中通常需要添加捕收剂。
煤油、轻柴油等非极性烃类油是常用的煤浮选捕收剂。然而，煤的表面亲疏水性随
煤阶、储存环境等密切相关，非极性烃类油对次烟煤、褐煤、氧化煤等疏水性弱的煤种的捕
收效果并不理想，影响了此类煤的工业化清洁利用。针对此问题，科研工作者对捕收药剂的
设计和评价进行了广泛研究。Jia等（a. Jia, R.; Harris, G. H.; Fuerstenau, D. W.,
International Journal Of Mineral Processing 2000, 58 (1-4), 99-118。 b.Jia,
R.; Harris, G. H.; Fuerstenau, D. W., Coal Preparation 2002, 22 (3), 123-149）
研究发现，对于Pittsburgh 8号煤、Illinois 6号煤两种低阶烟煤，与普通捕收剂相比，在
烃类捕收剂分子中引入苯环结构能增强药剂的捕收性能，如果引入四氢糠酯类官能团则浮
选效果更好。表面活性剂含有亲疏水官能团，有望与煤的表面进行特性匹配，是捕收剂研究
的重点。另有研究发现，马来酸酐/α-烯烃梳型共聚物及聚氧乙烯/聚氧丙烯/聚氧乙烯嵌段
共聚物两种表面活性剂能修饰低阶煤表面性质，改进低级煤的浮选效果(Polat, M.;
Polat, H.; Chander, S., 2003, 72 (1-4), 199-213)。李少章等（李少章; 朱书全, 煤
炭工程 2005,(12), 60-62）研制了改性药剂WC-01，发现使用这种药剂能显著提高次烟煤
及风化煤的浮选效果。Xia等（Xia, W.; Yang, J., International Journal of Coal
Preparation and Utilization 2013, 33 (6), 257-265）研究认为，与普通柴油相比，生
物柴油和氧化柴油含有极性官能团，对氧化煤的捕收效果更好。Qu等（Qu, J.; Tao, X.;
He, H.; Zhang, X.; Xu, N.; Zhang, B., International Journal of Coal
Preparation and Utilization 2014, 35 (1), 14-24）研究发现，2-乙基己醇对神东低阶
煤显示较好的浮选性能。
然而，迄今为止，煤浮选捕收剂的筛选仍然主要通过浮选实验进行。由于实验条件
不一致，实验体系繁多，不同实验室对同一种浮选捕收剂的性能评价往往存在明显差异。另
外，实验方法繁琐、费时、费力，造成人力、财力的浪费，且具有很强的经验性及盲目性，制约
了煤炭加工及利用技术的进步。
煤浮选捕收剂吸附到煤表面，实际上是捕收剂分子从水中靠近煤表面，取代煤表
面水分子的过程，主要取决于它与水及煤表面作用力的大小。因此，发展一种理论预测方
法，直接在微观层面分子水平上评价水中煤浮选捕收剂与煤表面的结合能力，能有效降低
研发费用，显著提高研发效率，并为煤浮选捕收剂的优化与改进提供理论依据与指导。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种煤浮选捕收剂捕收性能的评价方
法，以提高筛选和设计煤浮选捕收剂的工作效率。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。
一种煤浮选捕收剂捕收性能的评价方法，所述评价方法是通过以下步骤进行的：
（1）依据煤的元素分析、固态13C CP/MAS 核磁共振（NMR）、X射线光电子能谱XPS检测结
果，利用分子建模软件SIGNATURE构建煤的分子模型；通过Chemsketch建立水分子、捕收剂
分子的分子模型；再利用Packmol软件，应用周期性边界条件构建水相、捕收剂和煤浮选捕
收体系三维结构模型；
（2）利用分子动力学模拟软件GROMACS软件对水相、捕收剂分子和煤浮选捕收体系模型
进行几何构型优化；然后模拟捕收剂分子和煤粒子在水相中的运动，使用Nosé-Hoover算
法，将温度和压强保持在298 K和一个大气压，使用Verlet r-RESPA算法对运动方程进行积
分；水分子采用TIP3P模型，捕收剂和煤分子力场参数取自GROMACS力场，对于非键相互作用
采用直接截断，静电相互作用采用PME方法处理；
（3）选取反应坐标，进行分子动力学模拟，通过伞形取样方法计算捕收剂与煤表面之间
的平均力势能PMF曲线。
（4）通过平均力势能PMF曲线的特征计算捕收剂与煤表面的相互作用自由能变△
G，用于评价捕收剂分子是否具有捕收性及捕收性能强弱。如果平均力势能PMF曲线在捕收
剂与煤表面的一定距离范围内呈单调下降趋势，最终达到稳定值。在捕收剂与煤表面距离
近时从平均力势能PMF曲线任取一点，自由能值为G1，稳定时的自由能值为G2，吸附自由能△
G = G1 – G2 >0，则表示此捕收剂分子不具有捕收作用；如果平均力势能PMF曲线在捕收剂
与煤表面距离较近时出现能谷G1，距离再继续增大时平均力势能PMF增大，直至达到基本稳
定的值G2，吸附自由能△G = G1 – G2 <0，则表示捕收剂能够稳定吸附在煤表面，具有捕收
作用，且吸附自由能值△G越小，捕收剂分子对煤的捕收能力越强。
上述技术方案的实现，与现有技术相比，具有如下的优点与效果。
首先是采用上述步骤可以评价煤浮选捕收剂的捕收性能，且与传统浮选实验研究
方法得出的捕收性能优劣吻合，所得结论既能从理论上解释煤浮选捕收剂的捕收性能，又
能实际应用于煤浮选捕收剂的评价、筛选和设计，且对于其它矿物的浮选药剂的选用具有
借鉴意义，具有较高的实用价值。
其次是传统的煤浮选实验评价捕收剂性能时，经常需要使用各种药剂。药剂合成
通常花费巨大、周期长，并且其中用到的试剂往往对人体和环境有毒有害。本方法不需要购
买和合成药剂，大部分工作只需要依靠计算机和已有的模拟软件短时间即可完成。因此，本
发明提供的方法是一种成本低、环保卫生的煤浮选捕收剂捕收性能的快速评价方法。
附图说明
图1是山西焦煤集团官地矿煤样13C CP/MAS NMR检测结果。
图2是山西焦煤集团官地矿煤样碳元素XPS检测结果。
图3是山西焦煤集团官地矿煤分子模型。
图4是三种捕收剂：十二烷（a）、壬苯（b）、戊酸（c）的分子结构模型。
图5是水相、捕收剂和煤浮选捕收体系三维结构模型。
图6是煤浮选捕收剂与煤表面之间相互作用的平均力势能曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不
局限于具体实施方式表达的范围。
实施例1
实施一种煤浮选捕收剂捕收性能的评价方法，该评价方法是通过以下步骤进行的：
（1）选取山西焦煤集团官地矿煤样，使用Elementar Vario EL Ⅲ型元素分析仪进行元
素分析，获得煤中主要元素的组成信息。结果显示煤样中C 83.43wt%，H 5.25wt%，O
5.24wt%，N 0.94 wt%，S 5.14 wt%。另外，使用Bruker AVANCE III 600型核磁共振仪对煤
样进行固态13C CP/MAS 核磁共振（NMR）检测，获得碳元素的化学位移图谱，如附图1所示。利
用Thermo Electron VG ESCALAB 250能谱仪进行X射线光电子能谱（XPS）检测，获得碳元素
的光电子谱线强度，检测结果如附图2所示。综合元素分析，NMR和XPS检测结果，获得煤分子
中不同类型碳元素的相对含量：芳碳率 0.86，羰基碳 0.01，SP2杂化碳 0.84，质子化芳碳
0.43，非质子化芳碳 0.41，酚基碳 0.15，醚基碳 0.52，醚桥碳 0.29，脂碳 0.12。利用这些
检测获得的信息，根据分子成键和煤裂解知识，利用分子建模软件SIGNATURE构建了煤的分
子模型。附图3为利用VMD分子可视化软件显示构建的煤分子模型。将煤分子结构保存为
“.pdb”格式的文件
通过Chemsketch建立了水分子和十二烷、壬苯、戊酸三种煤浮选捕收剂分子的模型，如
附图4，将它们保存为“.pdb”格式的文件。
利用Packmol软件，读入煤分子、水分子和捕收剂分子的“.pdb”文件，应用周期性
边界条件，构建由6000个水分子、1个捕收剂（十二烷、壬苯或戊酸）和100个煤分子组成的水
相—捕收剂分子—煤浮选捕收体系三维正交结构模型，获得水相—十二烷—煤、水相—壬
苯—煤和水相—戊酸—煤三个浮选捕收体系模型的“.pdb”文件。模型X，Y，Z轴长度分别为
4.5，4.5和19.0 nm；煤层和水相的界面近似垂直于Z轴，水相厚度约10.4 nm，煤层厚度约
9.6 nm，捕收剂分子质心距离煤层表面的初始距离为5.0 nm。附图5显示了建立的三个浮选
捕收体系模型。
（2）利用分子动力学模拟软件GROMACS软件读入三个水相—捕收剂分子—煤浮选
捕收体系模型的“.pdb”文件，进行基于最陡下降法的能量最小化和100 ps固定捕收剂、煤
层位置的 NVT 预平衡，优化模型的几何构型。然后，固定煤层原子的位置，将捕收剂分子向
煤层表面拉伸，拉伸力常数为5000 kJ/(mol·nm)，拉伸速度为0.005 nm/ps，模拟捕收剂的
捕收过程，整个拉伸过程需时1000 ps。
模拟过程中，采用NVT系综，使用Nosé-Hoover算法，将温度保持在298 K，使用
Verlet r-RESPA算法对运动方程进行积分，时间步长1.0 fs。水分子采用TIP3P模型，捕收
剂和煤分子力场参数取自GROMACS力场。对于短程非键相互作用采用1.1 nm的直接截断，静
电相互作用采用PME方法处理。
（3）拉伸过程结束后，沿Z轴抽取捕收剂质心与煤表面距离间隔 0.1 nm 的一系列
构型。每个构型作为一个的初始构型窗口，共50个窗口。每个构型窗口中捕收剂质心被约束
在初始位置上，力常数为5000 kJ/(mol·nm)。每个构型窗口经历基于最陡下降法的能量最
小化和100 ps约束捕收剂和平衡水分子的 NVT 预平衡，然后进行200 ps的常规分子动力
学模拟，其中前50 ps用于体系平衡。用权重柱状分析法（WHAM）伞形进行取样分析，得到平
均力势能（PMF）曲线及捕收过程的自由能变化。
模拟过程中，使用Nosé-Hoover算法，将温度保持在298 K，使用Verlet r-RESPA算
法对运动方程进行积分，时间步长1.0 fs。水分子采用TIP3P模型，捕收剂和煤分子力场参
数取自GROMACS力场。对于短程非键相互作用采用1.1 nm的直接截断，静电相互作用采用
PME方法处理。
（4）附图6显示了十二烷、壬苯和戊酸三种捕收剂分子与煤表面的平均力势能
（PMF）。从中可以看出，十二烷和壬苯在煤表面吸附的平均力势能（PMF）曲线均有能谷出现，
此处位置存在两种捕收剂能稳定吸附的能量极小值，因而十二烷和壬苯从溶液中吸附到煤
表面的吸附自由能变（△G）均为负值，十二烷和壬苯能够取代水分子，稳定吸附在煤表面；
戊酸在煤表面吸附的平均力势能（PMF）曲线单调下降，无能谷出现，因而自由能变（△G）为
正值，因而戊酸无法自发取代水分子吸附在煤表面上。这说明十二烷和壬苯对山西焦煤集
团官地矿煤样具有捕收能力，而戊酸不具有捕收能力。而且可以看出，十二烷吸附在此种煤
表面的自由能变为-8.81 kJ/mol，壬苯吸附在此种煤表面的自由能变为-16.84 kJ/mol，壬
苯对此种煤的捕收能力更强。
使用十二烷、壬苯和戊酸三种捕收剂，仲辛醇起泡剂对原煤产地为山西焦煤集团
官地矿的煤泥进行了单元浮选实验。浮选设备采用XFD-1.5L型充气单槽浮选机，主轴转速
1800r/min，充气量0.15 m3/h，煤浆浓度为100g/L，捕收剂用量500g/t煤泥，仲辛醇用量
50g/t煤泥，刮泡时间3 min。浮选实验结果见下表1。
表1 十二烷、壬苯和戊酸捕收剂的山西焦煤集团官地矿煤泥浮选实验指标
捕收剂
精煤产率，%
精煤灰分，%
可燃体回收，%
十二烷
74.48
9.31
83.66
壬苯
82.14
9.40
92.17
戊酸
35.29
42.57
15.02
从上表1中可以看出，无论是精煤产率，还是可燃体回收率，捕收剂性能高低为：壬苯>
十二烷>戊酸，与本发明所公开的评价方法评价结果趋势一致。