基于MS的forcite模块进行抑制剂浮选煤泥分子动力学模拟

11月前浏览7013

随着新时代经济不断发展，煤的消耗量持续上升，机械化采煤程度的提高和开采深度的增加，导致煤泥出现微细化、高灰、连生体含量大等难选特点。而市场对产品质量要求日益苛刻，煤泥分选问题进一步凸显。所以当前最重要、最紧迫的是提升煤的质量，以降低其在燃烧过程中造成的污染。在进行常规浮选操作时，高灰细粒煤泥由于含有的杂质较多，灰分较大导致其可浮性较差，因此在浮选过程中常使用药剂来提高煤泥的产率和降低灰分，常见煤泥浮选药剂主要分为抑制剂和捕收剂，抑制剂是抑制其他矿物浮选，捕收剂是浮选煤泥矿物。本文主要讲述抑制剂和煤泥及其杂质相互作用的分子动力学模拟。

首先通过Visualizer对抑制剂糊精进行模型搭建，由于糊精为淀粉加热分解的中间产物，故分子结构与淀粉分子结构一致，均由葡萄糖分子聚合而成。因此，模拟糊精结构为葡萄糖的聚合物。

同时，将搭建好的糊精模型用Dmol3进行优化计算，计算参数选择GGA广义梯度近似和PBE泛函方法，在计算精度为Fine的基础上选择DNP 4.4基组，体系总能量收敛值取 1.0×10-5Ha，最大内应力为0.002 Ha/Å，最大位移为0.005Å，选用全电子核处理方式，使用TS色散修正方法进行修正。参与计算的原子轨道分别为H 1s1、C 2s22p2、O 2s22p4。在上述计算参数下得到糊精声子光谱图负坐标处无数值，证明计算得到的糊精、为无虚频的稳定结构，见下图。

糊精分子式

糊精声子光谱图

然后，通过对煤样进行XRD分析可以得到煤样中所含矿物质主要为石英，高岭石，蒙脱石及黄铁矿物质，同时存在少量方解石及赤铁矿。其中高岭石和石英在煤浮选过程中影响较大。通过核磁、XPS、FTIR 等实验，对煤样中芳香碳，脂肪碳和杂原子的存在形式进行了定性和定比，利用元素分析中的元素比例，对其分子中各元素的数量进行定量，进而确定了煤样的分子式为C130H140O30N，见下图。石英、高岭土通过import导入计算表面能得到完全解理面，通过糊精抑制剂和煤泥、石英、高岭石相互作用来判断糊精的抑制作用强弱。

图3煤样的XRD分析

图4煤样分子结构图

最后计算糊精抑制剂在煤样、石英、高岭石表面相互作用的分子动力学计算，采用Materials Studio 2019软件中Forcite模块对糊精与三种矿物相互作用模型进行搭建并计算。通过Build layers将优化好的糊精添加到已经扩胞优化好的三种矿物完全解理面表面，并添加一定的真空层。对其进行几何结构优化，退火处理得到最稳定相互作用模型。力场参数为CompassⅡ，选择Forcefield assigned电荷分布方法，Smart优化计算方法。进行分子动力学计算时选择NVT系综，温度控制选择NHL，求解牛顿运动方程应用Velocity Verlet 算法，静电力描述选择Ewald 方法，范德华作用力求解选择Atom-based 方法，截断半径为9.5Å。总模拟时间为1500 ps，每一步骤时间为1fs，总的模拟步骤为1500000。