Molecular dynamics study of water molecules nucleation for fine particle removal: Effects of wettability and aggregation modes and comparison with experiment
徐俊超，张志鹏，闾荔，张云飞，谢一鸣，楚化强*
Keywords: Heterogeneous nucleation; Water molecule; Wettability; Aggregation modes; Molecule dynamics
DOI: 10.1016/j.partic.2024.02.005
上述成果发表于PARTICUOLOGY （Volume 91），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
要点精读
水蒸气在颗粒表面上的成核被广泛应用于工业颗粒物减排、大气云物理以及颗粒测量等领域。然而，水分子在细颗粒表面，尤其是在颗粒团聚体表面成核位点的选择性和水分子在颗粒表面的成核特性尚不清晰。
安徽工业大学楚化强教授/徐俊超副教授团队采用分子动力学方法对不同润湿性及不同聚集模式条件下颗粒表面水分子成核位点及其成核特性进行了研究。结果表明，水分子团簇的接触角、生长速度和生长持续时间受水与颗粒间相互作用系数影响；此外，颗粒聚集体表面水分子的成核位点表现出一定的选择性，主要体现在，水分子在链式聚集颗粒间的交接界面处、非链式聚集颗粒的内侧以及环式聚集的中心处优先成核，这与前期实验结果一致。经进一步深入研究还发现，亚临界团簇在两颗粒表面间距小于临界团簇大小处易聚并，且跳跃式达到临界团簇大小，这一结论揭示了一种与经典成核过程不同的路径。
主要结论
颗粒与水之间的交互系数影响接触角、生长速率、生长持续时间和团簇包裹颗粒的面积。随交互系数增加，团簇的接触角减小，生长更快，持续时间更长；相同生长时间内，团簇包裹的颗粒面积更大。
颗粒数量与颗粒聚集模式均影响水分子的吸附能力。与单颗粒相比，多颗粒聚集可以促进异质成核，且吸附能力与颗粒数量呈正相关。颗粒吸附率不仅与面积因素有关，还与界面因素有关。
颗粒聚集表面水分子的成核位点表现出明显的选择性。水分子优先在线性链聚集颗粒的界面、非线性链聚集颗粒的内侧以及环状聚集的中心成核。由于亚临界团簇在颗粒界面处聚集，并在达到临界团簇大小后能稳定生长，因此，在颗粒聚集模式条件下，水分子优先在颗粒界面成核。这也揭示了一种与经典成核过程不同的新路径。
亮点总结
- 颗粒聚集体表面水分子的成核位点表现出明显的选择性。
- 本文揭示了一种与经典成核过程不同的路径。根据经典成核理论，水分子成核的关键在于形成临界团簇，临界团簇形成后即可稳定存在并继续生长为纳米液滴。本文发现，亚临界团簇在两颗粒表面间距小于临界团簇大小处易聚并，并跳跃式达到临界团簇大小。
作者简介
徐俊超，安徽工业大学副教授、硕导。研究方向包括烟气细颗粒物控制、室内空气净化、生物质炭制备及利用等。发表SCI论文30余篇，申请专利20余项。担任International Journal of Coal Science & Technology青年科学编辑，International Journal of Environmental Research and Public Health客座编辑。先后主持/参与国家973子课题、国家自然科学基金、博士后基金、省自然科学基金等项目。获上海市科技进步二等奖1项，安徽省教学成果二等奖1项、三等奖2项。
楚化强，安徽工业大学教授、博导。安徽省杰出青年基金获得者，宝钢优秀教师，安徽省“高水平导师”，国家双万一流专业负责人、“低碳燃烧与高效传热”校级高水平导师团队负责人。先后入选全球前2%顶尖科学家榜单、安徽省第八批战略性新兴产业技术领军人才(节能环保领域)、山东省德州市C类人才（省级领军人才）和安徽工业大学首批拔尖人才“青年学者”、第二批“佳山学者”。发表论文130余篇，H指数31，他引3600余次，10篇论文入选ESI高被引/热点论文(3篇)，授权国家发明专利16项，软件著作权6项，主持国家/省部级项目12项，其中国家自然科学基金4项 (包括国家重大科研仪器研制项目课题1项)。曾获中冶集团科学技术奖二等奖、中国光学工程学会科技进步奖二等奖、安徽省教学成果奖二等奖1项、三等奖2项。中国工程热物理学会传热传质青年委员会委员、全国青年燃烧学术会议程序委员会委员、全国分析与应用裂解学术会议理事、中国内燃机学会后处理技术分会委员，第三批江苏省“企业创新岗”特聘专家（科技副总）。担任《安徽工业大学学报(自科版)》编委会委员、Rare Metals青年编委、International Journal of Coal Science & Technology科学编辑(青年编委)、Carbon Neutrality青年编委、《过程工程学报》首届青年编委、《煤炭科学技术》青年编委、《发电技术》首届青年编委、《热力发电》首届青年编委。
文章信息
Xu, J., Zhang, Z., Lv, L., Zhang, Y., Xie, Y., & Chu, H. (2024). Molecular dynamics study of water molecules nucleation for fine particle removal: Effects of wettability and aggregation modes and comparison with experiment. Particuology, 91, 106-117. https://doi.org/10.1016/j.partic.2024.02.005
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部