基于季铵化瓜尔胶/发泡剂的离散泡沫系统对可吸入粉尘去除效率的研究

《Powder Technology》：Study on the dust removal efficiency of respirable dust by discrete foam system based on quaternized guar gum / foaming agent

离散泡沫除尘技术通过APG0810/SDS发泡剂和改性瓜胶（CGG）组合提升呼吸性粉尘（PM2.5/PM10）捕获效率，分子模拟显示CGG增强煤尘润湿性，正交实验优化配比为0.5% SAP+0.3% CGG，除尘效率较传统喷雾提高42.48%，改善巷道能见度。

　　在煤矿开采过程中，呼吸性粉尘（PM2.5/PM10）的控制和沉降效率一直是影响矿井安全和职业健康的重要因素。传统的喷雾技术在应对这类细小颗粒粉尘时存在诸多局限，如捕捉效率低、湿润效果差、用水量大以及对道路视线造成干扰等。为了解决这些问题，本研究提出了一种创新的离散泡沫粉尘去除技术。该技术的核心在于设计一种新型的离散泡沫抑制剂，结合了APG0810/SDS作为起泡剂（SAP），并利用天然聚合物瓜尔胶（GG）和季铵修饰阳离子瓜尔胶（CGG）作为泡沫稳定剂。通过实验和分子模拟研究，发现与SAP/GG系统相比，SAP/CGG系统通过引入季铵盐基团，显著改善了泡沫的湿润性和粘附性，同时降低了接触角并提高了表观粘度。

为了确保技术的经济可行性，研究团队还通过道路风速、离散泡沫数量和半衰期等三个关键因素进行正交实验，最终确定了最佳的抑制剂配比为0.5% SAP + 0.3% CGG。这一配比形成的泡沫簇能够有效地湿润、包裹并沉降呼吸性粉尘，相较于传统的喷雾粉尘去除技术，其对细粒粉尘的去除效率提升了42.48%，同时显著改善了道路的可视性。这一研究成果对于地下呼吸性粉尘的治理具有重要意义，有助于降低矿工的粉尘暴露水平，提升工作环境的安全性。

在煤矿行业，随着全球煤炭需求的持续增长，粉尘问题愈发突出。国际能源署的最新报告显示，2024年全球煤炭需求将增长1%，达到历史性的87.7亿吨。尽管机械化开采提高了生产效率，但同时也导致了地下粉尘浓度的显著上升。粉尘不仅容易引发安全事故，如爆炸，还可能通过呼吸进入肺部深处，导致不可逆的肺组织纤维化，成为我国最严重的工业职业病之一。此外，长期暴露于粉尘环境中，还可能诱发癌症和心血管疾病，严重威胁矿工的健康和劳动能力。因此，提高煤矿中呼吸性粉尘的控制能力显得尤为重要。

目前，煤矿粉尘去除技术主要采用喷雾和泡沫两种方式。喷雾技术在处理大颗粒粉尘时表现出较好的抑制效果，但其对细颗粒粉尘的捕捉和湿润效率较低，同时用水量大，可能影响道路的视线，且形成的粉尘-水混合物难以沉降，容易悬浮在巷道中。相比之下，泡沫技术通过覆盖煤岩表面形成大量泡沫，能够有效抑制粉尘扩散，但其在实际应用中对矿井作业和生产流程的影响较大，难以有效捕捉从巷道中逸散的呼吸性粉尘。因此，本研究提出了一种新的方法，即利用离散泡沫技术对悬浮在巷道中的呼吸性粉尘进行捕捉。该方法以天然多糖瓜尔胶（GG）为基础材料，其主链由β-D-甘露糖苷组成，侧链含有α-D-半乳糖苷，具有良好的结合性和保水性。

为了提高GG的湿润性和优化其粘度，研究团队采用醚化反应对其进行季铵化修饰。通过综合的湿润实验、泡沫性能分析、粘度测试和分子动力学模拟，系统地研究了GG在修饰前后以及与起泡剂SAP的相互作用对粉尘湿润性和粘附性的影响。研究结果表明，修饰后的GG在泡沫形成过程中表现出更优异的性能，其表观粘度和湿润性均得到显著提升。同时，通过实验确定了离散泡沫抑制剂的最佳浓度范围，以风速、泡沫数量和半衰期为评估指标，确保了技术的实用性与经济性。

此外，为了进一步验证该技术的实际应用效果，研究团队还设计了一种自研的离散泡沫粉尘去除装置，用于测试离散泡沫对不同粒径粉尘的去除效率。实验结果表明，该装置在处理细粒粉尘时表现出更高的去除率，相较于传统喷雾技术，其在提升粉尘控制效果方面具有明显优势。这一技术不仅能够有效降低呼吸性粉尘的浓度，还能够减少矿工的粉尘暴露，从而保障职业健康。同时，通过红外光谱测试，研究团队进一步分析了GG和CGG的分子结构变化。在CGG的红外光谱中，可以观察到新的季铵盐基团特征峰，如-CH3的弯曲振动峰增强，以及-CH2-N+（CH3）3的弯曲振动和-N+（CH3）3的弯曲振动等。这些变化表明，通过醚化反应引入的醚键显著改变了CGG的分子结构，从而增强了其湿润性和粘附性。

在实际应用中，煤矿粉尘的生成环境复杂多变，单一的离散泡沫生成装置难以满足全面的粉尘控制需求。因此，研究团队提出需要将多种粉尘控制方法相结合，实施三级预防体系，包括源头控制、粉尘扩散路径控制和整个巷道空间的控制。具体而言，可以通过高压水雾、粉尘去除风机和泡沫生成装置构建一个综合的粉尘控制系统，实现“级联联合防控”和“多技术协同作业”。这种多层级防控策略不仅能够提高粉尘控制的整体效果，还能够降低各技术单独使用时的局限性，从而确保煤矿作业的安全性与高效性。

在技术开发过程中，研究团队还关注了粉尘去除剂的环境友好性。由于传统喷雾技术存在用水量大、容易形成水雾沉积等问题，因此需要寻找更加环保的替代方案。本研究中，采用的瓜尔胶及其修饰产物具有良好的生物降解性和天然非毒性，能够有效减少对环境的污染。同时，通过实验验证，该抑制剂在实际应用中表现出优异的稳定性，能够在较长时间内保持其湿润和粘附性能，从而确保粉尘去除效果的持续性。

综上所述，本研究提出了一种基于瓜尔胶的离散泡沫粉尘去除技术，通过分子模拟和实验研究，系统地优化了抑制剂的配方和性能。该技术不仅能够有效提升对细粒粉尘的去除效率，还能够改善巷道的可视性，降低粉尘对矿工健康的危害。此外，通过多层级防控策略的构建，确保了该技术在实际应用中的可行性与经济性。这一研究为煤矿粉尘治理提供了新的思路和技术支持，对于提升煤矿安全水平和职业健康保障具有重要意义。