《Environmental Research》：Synergistic effects of cationic trimeric fracturing fluids on gas-coal wettability modulation and pore structure remodeling: Experimental and molecular dynamics investigations
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煤炭層水力壓裂技術中，新型三元陽離子表面活性劑CSJT與DTAB/KCl復合后顯著降低煤表面張力至27.379 mN/m，接觸角降至19.8°，實現親脂煤向親水煤轉變，同時擴大孔隙直徑9.45倍，形成58.38?穩定吸附層，揭示分子級潤濕調控與孔隙重構協同機制。
周剛|黃凱|朱連杰|于海明|楊赫|李剛|孟群志|牛晨曦|王琪
山東科技大學安全與環境工程學院，中國青島266590
摘要：
煤層注水壓裂技術通過改變煤層性質顯著降低了煤塵濃度，是實現安全高效煤炭開采的關鍵方法。然而，傳統壓裂液在潤濕調節和孔隙重塑之間的協同機制尚不明確，這限制了其性能的進一步優化。為了解決這一問題，本文創新合成了一種陽離子三聚表面活性劑（CSJT）。將其與十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）和氯化鉀（KCl）混合，形成了一種復合壓裂液，旨在協同增強煤層改性效果。通過接觸角測量和低溫氮吸附實驗，評估了該復合壓裂液對瓦斯煤的潤濕性和孔隙結構的影響，揭示了其協同機制。結果表明，該系統顯著改變了煤的潤濕性，表面張力降至27.379 mN/m，接觸角降至19.8°，使煤變得親水。同時，該系統有效增加了煤樣品中親水官能團的含量，并擴大了平均孔徑，表明孔隙顯著擴張。模擬結果顯示，該系統顯著增強了水在煤表面的擴散能力，擴散系數（D）為17.98 × 10-9 m2/s，界面吸附層厚度為58.38 ?，從而從分子層面闡明了潤濕性增強的動態機制。本研究為煤層注水壓裂技術提供了創新的材料設計策略，有助于有效控制粉塵并實現綠色采礦實踐。
引言
能源是全球經濟增長、工業進步和社會發展的基礎。鑒于中國煤炭資源豐富而石油和天然氣資源匱乏，預計煤炭將在中短期內繼續保持其在中國能源結構中的主導地位（Zhan等人，2024；Sang等人，2020；Song等人，2021）。隨著全機械化煤炭開采技術的不斷改進，近年來煤炭產量顯著增加，由此產生的粉塵量也大幅上升。這種可吸入粉塵不僅對人體健康有害，在特定濃度條件下還存在爆炸風險（Zhou等人，2024；Huang等人，2023；Hou等人，2023）。在惡劣的煤礦環境中，煤塵是一個亟待解決的嚴重問題。
煤層注水壓裂技術通過注入高壓流體來擴展煤層裂縫網絡。通過顯著提高煤層的潤濕性和滲透性，該方法能夠主動且有效地控制粉塵（Yang等人，2021；Xie等人，2021；Wang等人，2025）。現場經驗表明，有效的煤層注水顯著降低了煤炭開采過程中的粉塵濃度，并改善了地下作業環境（Ma等人，2021；Zhang等人，2022；Chao等人，2022；Yan等人，2020；Chen等人，2021）。煤層注水壓裂液主要由油基液、瓜爾膠、滑潤水和泡沫系統組成。其中，由于環境和安全問題，油基壓裂液正在逐步被淘汰（Yang等人，2020）；而基于瓜爾膠的液體會因回流殘渣造成地層損傷（Wu等人，2024）；滑潤水壓裂液粘度低，也可能造成地層損傷（Xu等人，2023）；盡管泡沫壓裂液在減少此類損傷方面有效，但需要更復雜的表面設備（Abdelaal等人，2021）。近年來，日益嚴重的環境問題促使人們開發了基于粘彈性表面活性劑的清潔高效壓裂液。由于其優異的粘彈性和高表面活性，這類液體通過降低煤表面的疏水性來增強其潤濕性。此外，它們還改變了煤的表面形態和孔隙結構，從而整體提高了煤層的連通性。Zhang等人（Zhang等人，2023）證明，HCl/CTAB復合酸性壓裂液能有效增強孔隙連通性并增大煤的平均孔徑，從而顯著提高其潤濕性。Wang等人（Wang等人，2024）報告稱，添加AES表面活性劑后，煤中含極性氧官能團的含量增加。隨著AES濃度的升高，表面張力逐漸降低，接觸角顯著減小，進一步證實了潤濕性的增強。Zhu等人（Zhu等人，2024）研究了SDS、SDBS和CEDA表面活性劑對不同變質程度煤樣品潤濕性的影響。他們的宏觀和微觀實驗表明，隨著煤化程度的增加，煤的潤濕性降低，同時表面活性劑的添加顯著增強了其潤濕性。Zhou等人（Zhou 2024）使用XPS、SEM-EDS和分子動力學模擬等多尺度方法研究了多種Gemini壓裂液系統對焦煤物理化學性質的影響。結果表明，GAS-22/Gemini-3OH復合系統表現出最佳的潤濕性，并在煤樣品中誘導出顯著的多級孔隙結構。
三聚表面活性劑是一類新型粘彈性表面活性劑，其特征是三個疏水性烷基鏈通過柔性間隔基團共價連接到三個親水頭基團上，形成獨特的星形結構。這一結構特性使其在低濃度下具有優異的表面活性、更低的臨界膠束濃度和更強的界面吸附能力，適用于多種應用。值得注意的是，這類高性能表面活性劑已在非常規油氣儲層壓裂中展現出良好的性能，包括耐溫性和可控的凝膠破裂行為（Du等人，2022）。然而，關于其在煤層注水壓裂中的應用研究仍然不足，特別是關于壓裂液作用下煤的潤濕性轉變機制和孔隙結構動態演變規律的深入研究仍十分缺乏。
總之，為了解決煤礦中可吸入粉塵的控制問題，本研究創新設計并合成了一種新型超長鏈陽離子三聚表面活性劑CSJT，將環保材料十二烷基葡萄糖苷引入長疏水鏈中。基于這種表面活性劑，制備了CSJT/DTAB/KCl復合壓裂液系統。通過XPS、低溫N2吸附實驗和分子動力學模擬等多維方法評估了該壓裂液對煤樣品的改性效果，揭示了該復合系統在協同調節煤潤濕性和誘導孔隙重構方面的動態機制。結果表明，該復合壓裂液系統有效增強了潤濕性的改變與孔隙結構的改性的協同作用。宏觀上，它將溶液表面張力降至27.379 mN/m，接觸角降至19.8°，實現了從疏水性到親水性的轉變；微觀上，它增加了煤中親水官能團的含量，并使孔隙結構向更大尺寸重構，平均孔徑擴大了9.45倍。在分子層面，模擬結果顯示形成了穩定的58.38 ?厚的吸附層，并將水分子擴散系數提高至17.98 × 10-9 m2/s，闡明了潤濕性增強的根本機制。本研究擴展了基于粘彈性表面活性劑的壓裂液在煤層水力壓裂中的應用，為源頭主動控制粉塵提供了新的清潔壓裂材料，并為推進更綠色、更安全、更高效的煤炭開采實踐奠定了理論基礎。
實驗所需材料
N,N-二甲基-1,3-丙二胺（DMAPA）購自北京Inokai科技有限公司，十二烷基葡萄糖苷（C12APG）購自上海泰坦科技有限公司，對甲苯磺酸（PTS）購自盛工生物工程有限公司，環氧氯丙烷（ECH）、N,N-二甲基甘氨酸（DMG）、鹽酸（HCl）、無水乙醇（EtOH）、氫氟酸（HF）、氫氧化鉀（KOH）、乙酸乙酯（EA）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）、椰子油
材料的FTIR分析結果
圖5(a)的FTIR光譜分析顯示，-OH的伸縮振動吸收峰位于3332 cm-1附近，699 cm-1處的吸收峰對應于-OH的彎曲振動，1040 cm-1處的特征吸收峰屬于C-O的伸縮振動。2920 cm-1和2850 cm-1處的峰分別對應于-CH2基團的不對稱和對稱伸縮振動，1450 cm-1處的吸收峰
討論
- (1)
在CSJT的分子設計中，特意加入了環保活性成分十二烷基葡萄糖苷（C12APG）。盡管其合成涉及多個反應步驟，但CSJT的超低臨界膠束濃度（CMC）使其能夠在低劑量下高效改性，從而顯著減少了表面活性劑的使用量和潛在的環境殘留。此外，DTAB和KCl都是具有良好環境行為的工業化學品
結論
- (1)
新合成的陽離子三聚表面活性劑CSJT具有高表面活性，表面張力降至27.603 mN·m-1。與純水系統相比，CSJT/DTAB/KCl復合壓裂液將接觸角降低了74.4%，同時保持了高表面活性。經復合系統處理后，煤中親水官能團的含量增加了3.18%，表明該系統增強了煤的親水性。
- (2)
CSJT/DTAB/KCl復合
CRediT作者貢獻聲明
黃凱：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，數據管理，概念構思。周剛：監督，項目管理，資金獲取，概念構思。于海明：監督，方法論。朱連杰：監督，實驗研究。王琪：驗證，監督，方法論。牛晨曦：方法論，實驗研究。孟群志：方法論，實驗研究。李剛：方法論，實驗研究。楊赫：方法論，實驗研究
未引用參考文獻
Wang等人，2025；Liu等人，2023；Zhang等人，2024；Du等人，2022。
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（項目編號：52274215）和山東科技大學的杰出青年人才計劃（項目編號：SKR22-5-01）的財政支持。
