关于大规模液态二氧化碳储存罐泄漏与扩散特性的实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental study on leakage and dispersion characteristics of large-scale liquid CO 2 storage tank

生物降尘剂泡沫特性及界面活性研究|微生物发酵|聚合物增强|表面活性剂|环境友好型抑尘剂

　　

张琦|王赫堂|王宇航|杨胜元|李晓娟|杨盼盼

中国矿业大学煤矿灾害防治国家重点实验室，徐州221116，中国

摘要

颗粒物的控制对于生态保护和工业安全都至关重要。在湿润降尘技术中，使用粉尘抑制剂是提高颗粒物捕获效率的关键。为了解决传统化学抑制剂的局限性，如表面活性有限和环保性能差的问题，本研究提出了一种通过微生物发酵制备的发酵生物粉尘抑制剂（FBDS），旨在实现高效且环保的粉尘控制。使用Foamscan评估了FBDS的发泡性能以及聚合物的增强效果，并通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对其分子结构进行了表征。界面流变学方法用于确定临界胶束浓度（CMC），并从分子结构和吸附动力学的角度阐明了其作用机制。结果表明，在FBDS浓度为0.15‰和聚合物浓度为0.3‰时，达到了最佳的发泡能力、泡沫半衰期和排水半衰期。在CMC下，表面张力为27 ± 0.5 mN/m，最大表面过剩浓度达到4.75 × 10?? mol/m2，显示出优异的界面活性。聚合物的添加通过在液膜中形成三维网络结构增强了泡沫稳定性，而阴离子基团减少了FBDS中的分子间排斥力，从而提高了气液界面的吸附强度。本研究为开发高性能、环保的粉尘抑制材料奠定了基础，有助于减轻职业健康风险和环境污染。

引言

颗粒物是一种对生态环境、工业生产和人类健康构成重大威胁的污染物（Zhang等人，2025；Brodny和Tutak，2021；Din?er等人，2024；Fang等人，2020；Jin等人，2024）。作为细颗粒物的一种，粉尘不仅直接影响空气质量，而且在自然条件下还可以以气溶胶的形式传播到周围地区，污染土壤和水体，对当地生态系统造成长期损害（De Marco等人，2019；Ding等人，2024）。粉尘在植被表面的大量沉积会阻碍正常的光合作用，影响植物生长和土壤肥力，导致生态系统失衡和退化。在工业过程中，大量的粉尘（例如煤尘、金属粉末）在暴露于明火时容易引发粉尘爆炸（Tian等人，2025；Yu等人，2025；Zhao等人，2024）。与其他灾害事件不同，粉尘爆炸特别具有破坏性。一旦发生初始爆炸，冲击波和火焰会扰乱周围环境，可能引发其他积尘层的爆炸，从而引发连锁反应和二次爆炸（Gao等人，2025）。此外，工人在操作过程中极易吸入大量粉尘颗粒。这些主要由矿石、煤炭、金属或矿物颗粒组成的微小碎片悬浮在空气中，被吸入呼吸系统，并沉积在气道、细支气管和肺泡等部位（Sun等人，2025；Liu等人，2023）。这些颗粒难以被身体清除，逐渐积累并在肺组织中引发炎症反应，导致炎症细胞的聚集和活化。长期暴露于矿尘可能导致肺部组织纤维化、疤痕组织形成，并发展为尘肺病（Yu等人，2025）。因此，有效的粉尘控制是确保工业安全、健康和可持续发展的关键要求（Peng等人，2026；Cheng等人，2025；Ding等人，2025；Gao等人，2025）。

湿润降尘是广泛采用的粉尘控制方法（Wang等人，2025；Han等人，2024；Yang等人，2024；Zhang等人，2022）。其主要原理是利用水或水溶液湿润、粘合或聚集粉尘颗粒（Yuan等人，2021；Zhang等人，2025）。应用粉尘抑制剂是提高湿润降尘效率的关键。传统的粉尘抑制剂主要由化学物质组成。全球研究人员对各种抑制剂进行了研究，包括基于无机盐和表面活性剂的抑制剂，以及化学改性的共聚物（Li等人，2025）。基于无机盐和表面活性剂的化学粉尘抑制剂主要通过盐的吸湿性和表面活性剂的表面活性发挥作用。这些材料降低了溶液的表面张力，加速了其对粉尘的渗透和湿润，同时无机盐增强了抑制介质的吸湿性和保水能力，从而提高了整体粉尘去除效率（Geng等人，2026；Han等人，2025；Tao等人，2024）。例如，为了治理碎石路上的粉尘污染，Promothes Saha等人开发了基于氯化钙和氯化镁的粉尘抑制剂并评估了其有效性（Saha和Ksaibati，2022）。为了减少露天铜矿爆破作业产生的酸性气体中的粉尘，Jafar等人制备了一种由酸化离子水和氢氧化钙组成的抑制剂，通过提高溶液pH值和促进颗粒聚集来增强粉尘捕获（Abdollahisharif等人，2016）。为了提高煤炭的润湿性，学者们还系统研究了不同浓度的无机盐絮凝剂（Al?(SO?)?）与阳离子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）的结合（Liu等人，2025）。由于制备方法简单，基于无机盐和表面活性剂的抑制剂在粉尘控制中得到广泛应用。然而，这些抑制剂主要由无机盐和化学表面活性剂组成，通常表现出有限的界面活性和增强水润湿性的能力有限（Yu等人，2025；Zhang等人，2023）。界面活性的局限性在于它们相对较高的表面张力以及降低气液界面能量的能力有限。

接枝共聚化化学修饰涉及在聚合过程中连接两种或更多不同的单体链，赋予所得共聚物独特的性质和新功能（Liu等人，2021）。采矿粉尘控制领域的研究人员在这方面取得了显著进展。Medeiros等人从生物柴油中提取了与聚乙烯醇结构相似的甘油，并将其用于聚合，制备了一种用于控制铁矿石运输过程中粉尘的抑制剂（Medeiros等人，2012）。尽管这些关于化学改性抑制剂的研究取得了显著成果并推动了粉尘抑制材料的发展，但其合成主要依赖于化学反应，往往涉及生物降解性较差的过程。此外，化学修饰通常增强了抑制剂的粘附性和聚集能力，但对提高其对粉尘的润湿性帮助不大。通常需要添加额外的化学表面活性剂来增强湿润性能，从而增加了化学试剂的消耗，削弱了采矿作业中的绿色和可持续粉尘控制（Huang等人，2026）。

生物粉尘抑制剂是一类最近开发的粉尘控制材料（Zhou等人，2023；Wang等人，2021）。与化学抑制剂相比，它们具有固有的生物降解性、高表面活性，以及真正无毒无害的潜力，使其成为下一代抑制剂的发展方向（Wang等人，2025；Zhang等人，2025）。因此，我们提出了一种通过微生物发酵合成生物粉尘抑制剂的创新方法，利用细菌的次级代谢产生目标化合物。FBDS是通过微生物发酵生产的，其活性成分是微生物次级代谢产物，这些产物通常被认为具有环境兼容性和天然生物降解性。因此，这种方法不仅利用了微生物发酵的高安全性和低环境影响，确保了产品的自然环境兼容性和无毒性，还利用了生物抑制泡沫的优势，如大的表面积和出色的液体承载能力，有效管理粉尘，特别是那些小而分散且难以捕获的细颗粒。需要强调的是，FBDS是一种发酵衍生的多组分生物粉尘抑制剂，其性能源于混合生物活性物质的协同作用，而不是单一纯化的表面活性剂，这使其与传统的生物表面活性剂或合成抑制剂有根本不同。基于先前开发的发酵生物粉尘抑制剂，本研究探讨了其发泡性能，研究了通过添加聚合物来增强泡沫抑制效率的方法，并从分子结构和生物粉尘抑制剂的吸附动力学的角度深入探讨了其作用机制（如图1所示）。目的是阐明微生物合成生物粉尘抑制剂的发泡性能和气液界面吸附动力学，从而推动绿色、高效和无害粉尘抑制材料的发展，满足粉尘污染控制的迫切需求。

部分摘录

发酵生物粉尘抑制剂的制备

本研究中使用的发酵生物粉尘抑制剂（FBDS）是一种自开发的微生物发酵衍生的发泡剂。它是使用自开发的双重发酵合成实验装置生产的。使用枯草芽孢杆菌作为菌株。首先，将筛选出的工程菌株接种到LB培养基中，并在37°C下的恒温摇床中培养48小时，摇床转速为180转/分钟，初始pH值为7。随后，取一部分种子

FBDS的发泡性能

如图2所示，测试了FBDS在低浓度（Ⅰ，0.1‰）、中等浓度（Ⅱ，0.15‰）和高浓度（Ⅲ，0.2‰）下的发泡能力。结果表明，FBDS的发泡能力随浓度增加而增加，从0.1‰时的0.62增加到0.15‰时的1.02，然后在0.2‰时趋于稳定（1.04）。这表明在低浓度下发泡能力较弱，随着浓度的增加而增加，最终趋于稳定。为了更好地理解

FBDS界面活性的分子结构

为了全面解释FBDS的发泡行为，从分子结构和界面吸附动力学的角度分析了其稳定机制。图7显示了通过紫外光测得的吸光度（Au）值。图表分析表明，在1分钟和大约4-6分钟时，吸光度超过基线位置的99%。结合图8所示的总离子色谱图，可以推断出峰值保留时间

结论

本研究系统地研究了FBDS的发泡性能，并评估了添加聚合物的效果。结果如下。

• (1)
  FBDS浓度为0.15‰时提供了最佳的发泡性能，表现出最高的气泡形成能力（1.02）和效率（2.02 mL/s），并且气泡均匀性也比较低或较高的浓度更好。这一最佳效果归因于FBDS分子足够的界面覆盖，使气泡稳定并最小化

未引用的参考文献

(Wang等人，2025；Zhang等人，2025)

CRediT作者贡献声明

杨盼盼：可视化、研究。李晓娟：数据管理。杨胜元：方法学、研究。王宇航：验证、研究。王赫堂：监督、项目管理、概念化。张琦：撰写——初稿、研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费（项目编号2025-00378）、国家自然科学基金（项目编号52274237）和新疆塔城人才计划（项目编号2025AB4014）的支持。