難浮煤-極性捕收劑相互作用研究新視角：分子對接與誘導(dǎo)契合效應(yīng)

蘧鵬程 ，夏陽超 ，薛志剛 ，邢耀文 ，桂夏輝 ，田 佳

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心, 江蘇 徐州 221116；3.中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083）

0 引 言

我國“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦和現(xiàn)階段經(jīng)濟社會的發(fā)展實際決定了短期內(nèi)仍離不開煤炭[1]。在“碳達峰、碳中和”的能源大背景下，煤炭行業(yè)的發(fā)展急需突破性技術(shù)，以更好地配合新能源發(fā)展，實現(xiàn)碳中和[2]。煤炭的開發(fā)利用隨著開采機械化程度的提高，導(dǎo)致粉煤量占原煤的比率不斷增大。浮選分離方法因其成本低、處理量大，是處理細(xì)粒煤分離提質(zhì)的有效方法[3]。

浮選藥劑是浮選技術(shù)變革的關(guān)鍵突破點之一，也是浮選過程強化的根本所在[4]。借鑒生物醫(yī)藥的思想見解來分析煤大分子與浮選藥劑相互作用由來已久。浮選藥劑專家見百熙認(rèn)為藥物作用的對象是人，浮選藥劑作用的對象是礦物，二者之間具有互通性[5]。1894 年，F(xiàn)ISHER 等[6]針對藥劑的專一性提出了“鎖鑰模型”，認(rèn)為藥劑與靶體在相互作用之前其結(jié)構(gòu)就有了互補性。在研究礦物-藥劑分子相互作用過程中，很多科研工作者充分應(yīng)用了“鎖鑰模型”研究藥劑與礦物間作用，然后進行設(shè)計浮選捕收劑分子。秦偉[7]應(yīng)用鎖鑰模型，解釋了外來捕收劑在幾何構(gòu)型上與礦物表面的金屬離子相匹配，則藥劑與礦物更容易結(jié)合在一起，進而設(shè)計了11 種理論捕收劑性能較高的2-疏基苯丙咪唑類捕收劑。李文靜[8]采用鎖鑰模型，明晰了藥劑分子與礦物分子相互作用機制，根據(jù)構(gòu)建的紅柱石晶體模型對異羥肟酸類浮選藥劑進行分子設(shè)計。

相比于礦物而言，我國煤泥成因復(fù)雜，分布環(huán)境多樣，煤表面性質(zhì)種類豐富，單種或常規(guī)浮選捕收劑在不同種類煤泥浮選過程中適應(yīng)性較差[9]，體現(xiàn)了浮選藥劑的“專一性”較差，需要更深刻的理論模擬藥物與礦物間的相互作用。KOSHLAND[10]于1958 年提出了“誘導(dǎo)契合理論”，認(rèn)為藥劑與靶體在空間上距離彼此接近時，不僅藥劑分子會發(fā)生構(gòu)型變化，靶體也會進行互補契合變化，該理論可為煤分子與藥劑的相互作用研究提供借鑒。桂夏輝等[11-12]認(rèn)為難浮煤浮選捕收劑的開發(fā)模式應(yīng)由傳統(tǒng)的經(jīng)驗性試探向精準(zhǔn)設(shè)計轉(zhuǎn)變，針對煤表面物化性質(zhì)和難浮機理認(rèn)知開發(fā)適配于不同種類難浮煤的高效浮選捕收劑篩選技術(shù)是當(dāng)前浮選藥劑研究的主要方向。這對藥劑與煤分子間相互作用的研究提出了更高的要求，明晰極性藥劑與煤分子間的微觀作用行為可以為新型高效浮選藥劑的開發(fā)打下堅實基礎(chǔ)。

將藥物分子篩選中的分子對接技術(shù)及誘導(dǎo)契合理論引入到難浮煤浮選極性捕收劑分子間相互作用研究中，以快速尋找對難浮煤表面結(jié)構(gòu)具有靶向作用的極性烴類油捕收劑。選用原型分子(Protomol)技術(shù)表示煤大分子的活性區(qū)域，在活性區(qū)域中對小分子進行構(gòu)象搜素，搜索出與煤分子貼合度最好、相互作用最強的藥劑構(gòu)型，在分子對接結(jié)果基礎(chǔ)上開展基于誘導(dǎo)契合效應(yīng)的煤大分子動力學(xué)優(yōu)化，探究浮選捕收劑的作用機制及不同藥劑間作用差異性機理。

1 試驗材料與方法

1.1 難浮煤分子構(gòu)建方法

難浮煤試驗樣品選自內(nèi)蒙古神東礦區(qū)的低階煤，表1 為難浮煤樣品的工業(yè)分析和元素分析。分析煤樣性質(zhì)發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分和氧元素含量較高，反映了低階煤含有較多含氧官能團的特征。

表1 煤樣工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and elemental analysis of coal sample

采用傅里葉紅外變換光譜儀（FTIR）對難浮煤表面化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)進行分析（圖1），將煤樣全譜分為700～900 cm-1波段的芳香烴結(jié)構(gòu)特征吸收峰、1 000～1 800 cm-1波段的含氧、氮、硫等雜原子官能團特征吸收峰、2 800～3 000 cm-1波段脂肪族結(jié)構(gòu)特征吸收峰、3 000～3 600 cm-1波段的羥基結(jié)構(gòu)特征吸收峰[13]。采用Origin 軟件根據(jù)不同區(qū)段特征峰進行擬合并歸屬，后期將紅外譜圖數(shù)據(jù)結(jié)合其他分析手段得到煤大分子結(jié)構(gòu)參數(shù)[14]。

采用CasaXPS 軟件對煤樣的X 射線光電子能譜圖進行分峰擬合（圖2），并根據(jù)文獻對各擬合峰進行歸屬[15]。可發(fā)現(xiàn)碳的主要存在形式為芳香結(jié)構(gòu)及取代烷烴碳；而氧的主要存在形式為羰基氧和醚或羥基類型氧，這些富含氧的強親水性基團的存在是導(dǎo)致低階煤等難浮煤難以浮選分離的根本原因[16]。

圖2 煤樣的XPS 譜圖Fig.2 XPS spectrum peak of coal sample

煤樣的13C-NMR 譜圖反應(yīng)煤中碳的存在形式及相對含量，根據(jù)煤樣的化學(xué)位移，將煤樣的13CNMR 譜圖分為4 個區(qū)段[17]：化學(xué)位移為0～60 ppm的酯碳峰；化學(xué)位移為60～90 ppm 的醚氧峰；化學(xué)位移在90～165 ppm 的芳碳峰；化學(xué)位移在200 ppm的羰基碳峰。由于測量過程中的邊帶效應(yīng)，原本在200 ppm 處的羰基碳峰整體偏移至174 ppm 左右。具體分峰擬合結(jié)果如圖3 所示，根據(jù)各擬合峰的相對面積及半峰寬計算出可表征煤樣性質(zhì)的12 個結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終計算結(jié)果見表2。

圖3 煤樣的NMR 譜圖Fig.3 NMR spectrum peak of coal sample

表2 煤樣主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Main structural parameters of coal samples

煤樣的高分辨率透射電子顯微鏡結(jié)果圖由Digtal Micrograph 軟件及ImageJ 軟件聯(lián)合使用進行處理[18]。圖4a 為煤樣透射電鏡原圖，圖4b 為圈定分析的部分，圖4c—圖4e 是對選定區(qū)域進行傅里葉變換-環(huán)形濾波過濾-反傅里葉變換等，圖4f 為轉(zhuǎn)換后譜圖添加比例尺，使統(tǒng)計手繪條紋時方便獲取條紋實際長度，圖4g 將圖片設(shè)定合適的閾值，對圖片進行二值化處理，方便進行條紋的手繪操作。

圖4 煤樣的HRTEM 譜圖處理流程Fig.4 HRTEM image processing of coal sampl

1.2 難浮煤分子結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)煤樣的工業(yè)分析、元素分析、FTIR 和XPS分析等分析結(jié)果，構(gòu)建神東低階煤大分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建的神東煤分子式為C196H208N3O36，與元素分析結(jié)果最大差距為4.92%，具體比對數(shù)據(jù)見表3，可以認(rèn)為構(gòu)建的煤分子能夠較好地代替試驗用煤。在Material studio 軟件中通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化-能量優(yōu)化-分子動力學(xué)模擬過程獲得結(jié)構(gòu)及能量穩(wěn)定的煤大分子構(gòu)型，為分子對接準(zhǔn)備合適的對接受體，優(yōu)化使用Forcite 模塊下的COMPASS 力場，退火算法溫度在800～298 K內(nèi)實現(xiàn)煤大分子模型在NVT 系綜的結(jié)構(gòu)弛豫，優(yōu)化后的煤大分子結(jié)果如圖5 所示。難浮煤分子的13CNMR 計算曲線與實際曲線對比圖如圖6 所示。首先通過ACD/CNMR-Predictor 計算煤分子化學(xué)位移，將計算得到的化學(xué)位移導(dǎo)入GNMR 中計算得到模型的譜圖?？梢杂^察到計算曲線與實驗曲線大致上可以獲得擬合，這說明構(gòu)建的神東煤分子在C 的存在形式上較為接近煤分子實際情況。

圖5 難浮煤分子的優(yōu)化構(gòu)型Fig.5 Optimal configuration of difficult to flotation coal molecule

圖6 難浮煤分子的13C-NMR 計算曲線與實際曲線對比Fig.6 Comparison of 13C-NMR calculation curve and actual curve of difficult floating coal molecules

表3 煤樣和煤大分子結(jié)構(gòu)的元素含量分析Table 3 Elemental analysis of samples and structural models

1.3 原型分子探針技術(shù)

采用原型分子探針技術(shù)確定煤分子活性位點并創(chuàng)建分子對接口袋的方法可以消除人為因素的影響，其原理為：采用N—H、C=O、單獨氫原子為代表的空間型、氫鍵供體型和氫鍵受體型3 種探針，探測煤分子上與3 種探針相互作用較大的位點，這組探針在這些作用較強的位點形成 “煤分子補體”，能夠填補煤分子內(nèi)部和周圍的大部分空隙。探針分子的選擇與研究藥劑種類無關(guān)，且不能夠人為改變探針分子種類。

Protomol 原型分子算法主要原理為“鎖鑰模型”及“分子孔洞理論[19]”，主要分為“探針放置”“粘點識別”“口袋吸積”三步，即首先將3 種類型的探針分子密集的放置在煤分子周圍，填充其表面，然后計算探針在表面的相互作用并進行過濾，只保留那些與煤分子相互作用強的探針。然后通過選擇探針子集來定位粘點，這些探針集有可能在小體積內(nèi)與煤分子產(chǎn)生強烈的累積相互作用，最后，一組球體在煤分子空腔內(nèi)“膨脹”直到碰觸到煤分子的范德華表面，將粘性點生長成對接口袋并輸出排名靠前的對接口袋[19]。

1.4 捕收劑選擇與優(yōu)化

選取十二醇、十二醛、十二酸甲酯三種常規(guī)極性烴類油作為浮選捕收劑（表4），藥劑的選擇依據(jù)：油狀液態(tài)、不易揮發(fā)、易獲得、不含毒性或毒性較小。使 用Material studio 軟 件 中 的Forcite 模 塊 以及COMPASS 力場，對藥劑分子進行結(jié)構(gòu)-能量優(yōu)化，為分子對接提供合適的捕收劑結(jié)構(gòu)，圖7 為優(yōu)化后的捕收劑分子結(jié)構(gòu)。

圖7 優(yōu)化后的捕收劑分子結(jié)構(gòu)Fig.7 The optimized molecular structures of collectors

表4 試驗捕收劑Table 4 Reagents used in experiments

1.5 分子對接方法

煤與捕收劑間的分子對接采用Sybyl 軟件Docking Suite 模塊完成，該模塊是基于蒙特卡羅法在受體的活性區(qū)域產(chǎn)生構(gòu)象，有效快速預(yù)測配體可能的結(jié)合模式，并對藥劑與煤分子作用構(gòu)型進行一致性打分，輸出對接較好的分子構(gòu)型[20]。和分子動力學(xué)和量子化學(xué)計算相比，分子對接考慮對接區(qū)域固定，極大地減少了采樣空間和計算時間，適用于大批量藥物甚至數(shù)據(jù)庫的篩選，對煤炭浮選捕收劑的快速篩選意義重大。

分子對接篩選過程如圖8 所示，首先采用Protomol 原型分子技術(shù)確定煤分子活性位點及藥劑構(gòu)象搜索區(qū)域，完成分子對接受體與配體對接約束條件之后，接著按照蒙特卡羅方法隨機產(chǎn)生多個滿足“空間匹配”、“能量匹配”要求的三維對接構(gòu)象，依據(jù)一致性打分函數(shù)對三維對接構(gòu)象進行打分并排序，輸出對接結(jié)果較好的前幾個捕收劑構(gòu)型，完成煤與捕收劑間的分子對接。

圖8 分子對接原理及誘導(dǎo)契合效應(yīng)示意Fig.8 Schematic of molecular docking principle and induced fit effect

1.6 “誘導(dǎo)契合”模型

將分子對接后的藥劑構(gòu)型導(dǎo)出，采用Pymol軟件將煤與藥劑的分子對接結(jié)果整合為一個復(fù)合物，導(dǎo)入Materials Studio 軟件。首先通過Modify 下面的Constraints 功能將藥劑分子的三維空間進行固定，然后采用Forcite 模塊，在COMPASS 力場下，對煤分子-藥劑體系進行分子力學(xué)模擬，對煤分子-藥劑復(fù)合物進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及能量優(yōu)化，優(yōu)化質(zhì)量為精細(xì)，電荷采用立場分配，優(yōu)化過程最大迭代步數(shù)為5 000 步。

1.7 浮選試驗

選用XFDⅢ-1L 掛槽浮選機進行浮選試驗，礦漿質(zhì)量濃度為80 g/L，葉輪轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，刮板轉(zhuǎn)速為33 r/min，充氣量為0.1 m3/（m2·min），捕收劑用量為1 000 g/t，起泡劑用量為500 g/t。試驗中首先將80 g 干燥煤樣與自來水放置于浮選槽中，補齊液位混合調(diào)漿2 min，隨后加入捕收劑攪拌2 min，加入仲辛醇繼續(xù)攪拌30 s。試驗備漿完畢后，充氣10 s后開始收集精煤，時長共5 min。試驗結(jié)束后，將精煤和尾煤樣品過濾、烘干、燒灰并計算浮選精煤灰分和可燃體回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤分子-藥劑間的分子對接

在煤分子與藥劑進行分子對接前，首先對煤分子活性區(qū)域進行檢測，將氫原子、N—H 和C=三種探針原子與煤分子表面作用情況為依據(jù)，設(shè)定探針-煤分子相互作用強弱的閾值，對小于閾值的分子探針進行舍棄，將剩余合理的探針部分進行連接，最終成為煤分子的活性口袋，如圖9a 灰色區(qū)域即為神東煤分子活性區(qū)域。以煤分子活性區(qū)域為依據(jù)，進行藥劑-煤分子對接，對接結(jié)果如圖9b—圖9d 所示。通過分析對接結(jié)果發(fā)現(xiàn)十二酸甲酯呈直連結(jié)構(gòu)貼合在煤分子活性區(qū)域中，而十二醇與十二醛分子距離活性區(qū)域中心較遠(yuǎn)，呈彎曲結(jié)構(gòu)粘附在煤分子表面的活性位點附近。藥劑的三維構(gòu)型通過軟件的“一致性打分”函數(shù)進行評價，十二酸甲酯與煤分子相互作用結(jié)合能最大為-23.655 5 kcal/mol，十二醛次之為-20.445 6 kJ/mol，十 二 醇 最 小 為-19.750 6 kJ/mol。對與煤分子“活性區(qū)域”貼合效果最好、作用效果最強的捕收劑分子給出較高的分值，一致性打分函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見文獻[20]。

圖9 煤分子活性區(qū)域及各種藥劑最佳構(gòu)型Fig.9 Diagram of coal molecular active region and optimal configuration of agents

2.2 藥劑-煤分子間的誘導(dǎo)契合效應(yīng)

煤大分子-藥劑間的 “誘導(dǎo)契合”結(jié)果如圖10所示，連接煤分子兩端的C 原子，并以中間羥基為連接點，對煤分子的“契合程度”進行測量。十二醇煤分子的剩余角度為88.78°，十二醛煤分子的剩余角度為82.58°，這說明十二醇分子周圍的煤分子“閉合程度”要小于十二醛周圍煤分子的“閉合程度”，3 種藥劑分子與煤分子的相互作用過程中，十二酸甲酯中煤分子的“閉合程度”最大，剩余的角度最小為81.93°。說明藥劑分子與煤分子作用效果最強，這與分子對接得到的結(jié)合能呈現(xiàn)相同規(guī)律。

圖10 煤分子與藥劑分子的“誘導(dǎo)契合”圖Fig.10 Coal molecule and pharmaceutical molecule induced coincidence diagram

2.3 極性捕收劑的浮選試驗結(jié)果

采用分子對接中的3 種極性捕收劑對難浮煤進行浮選，結(jié)果如圖11 所示。發(fā)現(xiàn)精煤可燃體回收率呈現(xiàn)出：十二醇<十二醛<十二酸甲酯的規(guī)律，其中十二酸甲酯和十二醛的浮選效果要遠(yuǎn)好于十二醇的浮選效果，十二酸甲酯可燃回收率高達85%左右，而十二醇的浮選效果較差，可燃體回收率在60% 左右。聯(lián)系分子對接及誘導(dǎo)契合效應(yīng)結(jié)果，結(jié)合能絕對值高、煤分子對藥劑包裹程度大的捕收劑對應(yīng)的浮選可燃體回收率更高，浮選試驗驗證了分子對接及誘導(dǎo)契合結(jié)果。

圖11 十二醇、十二醛和十二酸甲酯捕收劑對難浮煤的浮選結(jié)果Fig.11 Flotation results of difficult-to-float coal with lauryl alcohol, lauraldehyde, and methyl laurate collectors

3 結(jié) 論

1）采用FTIR、XPS、HRTEM 等儀器分析手段分析煤樣性質(zhì)并構(gòu)建煤大分子?；赑rotomol 原型分子技術(shù)，能夠較好的預(yù)測煤分子活性口袋，提供了一種煤分子活性口袋的確定方式。

2）采用煤分子為剛性、藥劑分子為柔性的半柔性對接來探索藥劑-煤分子間相互作用強弱，分子對接結(jié)合能強弱呈現(xiàn)十二酸甲酯>十二醛>十二醇的規(guī)律。根據(jù)分子對接構(gòu)型分析，藥劑能夠較好地吸附在煤分子活性位點周圍，進而達到提高煤分子疏水性的目的。以確定藥劑分子最佳構(gòu)型為依據(jù)，對煤-藥劑間進行誘導(dǎo)契合效應(yīng)的探索。探索發(fā)現(xiàn)十二酸甲酯周圍的煤分子能夠更好的契合十二酸甲酯的空間結(jié)構(gòu)，煤分子表面與藥劑表面更加貼合，酯類捕收劑導(dǎo)致煤分子收縮的角度變化最大，最終煤分子剩余角度為81.93°。

3）實際浮選結(jié)果呈現(xiàn)十二酸甲酯>十二醛>十二醇的規(guī)律，十二酸甲酯可燃體回收率約為85%，十二醛可燃體回收率約為80%，十二醇可燃體回收率最低，為60%。浮選結(jié)果與分子對接結(jié)合能及煤-藥劑間誘導(dǎo)度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。論文為浮選捕收劑的快速篩選提供了技術(shù)途徑，對未來環(huán)保型靶向浮選藥劑的開發(fā)設(shè)計具有重要意義。