基于多尺度机制的露天煤矿绿色粉尘控制方法及其性能评估：采用双纤维互穿网络水凝胶抑制剂

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Multiscale mechanism-based and performance assessment of green dust control in open-pit coal mines via a dual-fiber interpenetrating network hydrogel suppressant

针对露天煤矿煤堆表面抑尘剂耐久性差、环境不友好问题，本研究通过接枝共聚和交联制备CMC/HEC双纤维互穿网络水凝胶，其在9m/s风速下煤尘质量损失率仅5.8%，经五次干湿循环后损失率0.6%，水保持率29.4%，且可生物降解（50天降解率83.5%），有效抑制二次扬尘。

　　在露天煤矿开采过程中，粉尘污染是一个长期存在的问题。传统的抑尘方法往往存在耐久性不足、环境适应性差等缺陷，尤其是在频繁的湿干循环、强风和降雨等复杂气候条件下，抑尘材料容易发生结构脆化，导致粉尘重新扬起，造成二次污染。为了应对这一问题，本研究开发了一种新型的环保抑尘剂，用于原煤堆的表面密封。该抑尘剂以羧甲基纤维素（CMC）和羟乙基纤维素（HEC）为基础，通过接枝共聚和交联技术构建了三维的聚合物网络结构，从而提升了材料的结构稳定性、抑尘效率以及环境兼容性。

研究团队通过优化配方（CMC:HEC = 6:2.5，MBA = 0.3克，APS = 0.01克），使得抑尘剂表现出较高的粘度（243.2 mPa·s）和较厚的固化膜（7.55毫米）。这种配方的改进显著提升了抑尘剂的性能：在风速为9米/秒的条件下，粉尘质量损失率仅为5.8%；24小时的水保持率达到了29.4%；经过五次湿干循环后，粉尘质量损失率仅为0.6%。此外，该抑尘剂显著改善了煤尘的表面润湿性，使其更容易与煤尘颗粒结合，形成紧密的覆盖层，从而有效抑制粉尘的再次扬起。

分子动力学模拟结果显示，抑尘剂与煤尘颗粒之间的吸附主要由静电作用和范德华力主导，总的吸附能量达到了465.6 kJ/mol。这种吸附机制使得抑尘剂能够牢牢附着在煤尘表面，即使在极端的气候条件下，如低温（-18°C）或高温（60°C）之间，固化层仍能保持完整性，不受雨水侵蚀或24小时水浸泡的影响。通过氢键和共价交联，CMC和HEC链形成了一个致密的网络结构，这不仅增强了材料的机械强度和韧性，还使得其在高湿度环境下表现出更好的稳定性，防止因过度吸水而导致结构松散。

此外，通过聚合物相互渗透技术，该抑尘剂构建了一个坚固的复合结构，使其在风蚀和水冲刷等恶劣条件下依然能够保持良好的密封效果。在土壤环境中，该固化层在50天后降解率达到83.5%，表明其具有良好的生态降解性，不会对环境造成长期的污染。这些特性使得该新型抑尘剂成为一种可持续的解决方案，能够有效解决露天煤矿原煤堆表面密封的问题。

在材料选择方面，研究团队使用了多种实验材料，包括CMC、HEC、APS、MBA、去离子水和表面活性剂椰子油二乙醇酰胺（CDEA）。其中，CMC因其丰富的羧基和成本效益而被广泛应用于粉尘控制。然而，单独使用CMC胶体在动态条件下容易发生结构不稳定，其氢键网络在湿干循环中容易被破坏，导致微裂纹或固化层的脱落。同时，CMC网络的交联密度较低，限制了其在机械强度和韧性之间的平衡。在高湿度条件下，CMC的过度吸水进一步削弱了其结构稳定性，使其难以适应动态变形。此外，CMC缺乏针对煤尘表面的特定结合位点，特别是煤尘表面的疏水性和多环芳香族结构，使得其对复杂粉尘成分的附着能力较差，无法有效抑制水分蒸发后二次粉尘的形成。

为了克服这些局限，研究团队采用了一种新的策略，即通过接枝共聚技术引入极性官能团（如羧基、羟基），同时构建三维的交联或共聚网络结构，以提升润湿性、附着力和韧性。已有研究表明，接枝共聚能够显著增强抑尘剂的性能。例如，Li通过将α-烯烃磺酸接枝到黄原胶上，开发了一种低粘度的抑尘剂；Xi等人通过接枝共聚技术合成了一种适用于露天煤矿的亲水性钠椰子酚聚（氧化乙烯）醚基抑尘剂；Wu等人通过将果胶与丙烯酸和丙烯酰胺接枝，开发了一种三维生物质聚合物抑尘剂，其粉尘沉降效率达到了91.21%；Zhang等人通过将丙烯酰胺接枝到瓜尔胶上，开发了一种新型的抑尘剂，其在风速为15米/秒的条件下，粉尘控制率达到90%。这些研究证实了接枝共聚技术在提升抑尘剂性能方面的有效性。

在本研究中，团队进一步优化了CMC和HEC的接枝共聚工艺，通过引入CDEA等表面活性剂，构建了一个更稳定的三维网络结构。这种结构不仅提高了抑尘剂的粘度，使其能够更好地附着在煤尘颗粒表面，还增强了固化膜的厚度和结构稳定性，从而提升了对风蚀、水冲刷和热应力的抵抗能力，支持了密封层的长期完整性。此外，通过FT-IR、XRD和SEM等手段对抑尘剂的微观结构进行了表征，进一步验证了其性能的提升。

在评估抑尘剂性能时，团队采用了一系列实验方法，包括接触角测量和沉降实验，以分析其润湿性和粉尘沉降能力。同时，通过分子动力学模拟，研究了抑尘剂与煤尘颗粒之间的界面相互作用和润湿机制，揭示了其在实际应用中的吸附行为和稳定性。这些实验结果表明，该新型抑尘剂不仅具有优异的性能，还具备良好的环境兼容性，能够满足露天煤矿原煤堆表面密封的实际需求。

该研究的创新点在于，通过接枝共聚技术构建了一个由CMC和HEC组成的双纤维互穿网络（IPN）水凝胶。这种材料不仅能够有效抑制粉尘的再次扬起，还能够在复杂环境中保持良好的结构稳定性，避免因湿干循环或强风而失效。此外，该材料的生态降解性得到了验证，表明其在土壤环境中能够在较短时间内降解，不会对环境造成长期的污染。因此，该新型抑尘剂不仅解决了传统抑尘方法的局限，还为露天煤矿的粉尘控制提供了一种可持续的解决方案。

通过本研究，团队不仅开发了一种新型的环保抑尘剂，还对现有的抑尘技术进行了系统性的分析和改进。传统的水雾喷洒和单一表面活性剂处理方法虽然能够暂时降低粉尘浓度，但其作用时间较短，水分保持能力差，容易被风吹或水冲刷掉。而传统的盐基抑尘剂虽然具有良好的吸湿性，但容易发生溶解和腐蚀，缺乏抗风蚀和抗水冲刷的能力。近年来，生物基材料因其可再生性、环境兼容性和生物降解性而受到关注，成为下一代绿色抑尘剂的研究重点。通过接枝共聚技术，生物基材料能够构建三维的网络结构，提升其机械性能和稳定性，同时保持良好的润湿性和附着力。

本研究的抑尘剂通过将CMC和HEC结合，构建了一个双纤维互穿网络结构，使得其在多种环境条件下表现出优异的性能。该材料不仅具有较高的粘度，能够有效形成连续、致密的覆盖层，还能够在风速较高时保持良好的密封效果，防止粉尘的再次扬起。同时，其在土壤环境中的降解性得到了验证，表明其能够迅速分解，不会对生态环境造成长期影响。这种材料的开发为露天煤矿的粉尘控制提供了一种新的思路，即通过生物基材料和网络工程相结合，实现高效的粉尘抑制和环境友好性。

此外，该研究还对现有抑尘技术进行了比较分析，指出现有技术在性能和环保性方面仍存在一定的局限。例如，水基配方的粘度较低，导致覆盖效果不佳，难以满足原煤堆表面密封的需求。而合成聚合物虽然能够形成稳定的薄膜，但其降解速度较慢，可能导致长期的环境影响。因此，开发一种兼具高粘度、良好覆盖效果和快速降解性的抑尘剂成为当前研究的重点。本研究通过接枝共聚技术构建了三维的IPN结构，使得抑尘剂在粘度、覆盖效果和降解性之间达到了较好的平衡。

在实际应用中，该抑尘剂能够有效解决露天煤矿原煤堆表面密封的问题。通过形成连续、致密的覆盖层，抑尘剂能够有效抑制粉尘的再次扬起，提高作业环境的安全性。同时，其良好的润湿性和附着力使得煤尘颗粒能够被牢牢固定，避免因风力或雨水导致粉尘扩散。这种材料的开发不仅有助于减少空气污染，还能够改善作业人员和周边社区的职业健康条件。

综上所述，本研究通过接枝共聚技术开发了一种新型的环保抑尘剂，其具有优异的性能和环境兼容性，能够有效解决露天煤矿原煤堆表面密封的问题。该抑尘剂的结构稳定性、抑尘效率和生态降解性得到了实验验证，为未来粉尘控制技术的发展提供了新的方向和思路。同时，该研究也表明，生物基材料与网络工程相结合，能够实现高效的粉尘抑制和环境友好性，为露天煤矿的可持续发展提供了重要的技术支持。