环保型多糖基复合抑尘剂的制备、性能及抑尘机理

《Powder Technology》：Preparation, performance, and dust suppression mechanism of environmentally friendly polysaccharide based composite dust suppressant

1. 开发以羧甲基黄原胶为核心成分的环保型粉尘抑制剂，通过单因素实验和响应面法优化配比（0.214% CMGG、0.6% SMG、1% PASP），抗蒸发率37.85%，风蚀抵抗率96.06%，显著降低PM2.5和PM10污染，机理研究揭示其通过氢键增强土壤颗粒粘附作用。

　　在当前全球环境问题日益严峻的背景下，施工活动所产生的颗粒物污染已成为影响人类健康和生态环境的重要因素。世界卫生组织（WHO）的估算数据显示，约有90%的世界人口生活在空气质量较差的环境中，每年因空气污染导致约七百万死亡。这些污染主要来源于细颗粒物（PM2.5）和可吸入颗粒物（PM10），它们对人类健康构成严重威胁。施工过程中，裸露的土壤、采矿、道路建设以及建筑施工是PM2.5和PM10的主要来源之一。特别是，建筑工地的粉尘污染已成为城市空气污染的重要组成部分，对居民的生活环境质量产生了深远影响。因此，有效控制和治理建筑工地的粉尘污染，对于改善空气质量具有重要意义。

在实际施工过程中，未铺设路面和土方作业区域是粉尘产生的主要来源。因此，提高这些区域的粉尘控制效果，对于减少总悬浮颗粒物（TSP）的浓度、改善空气质量具有重要作用。目前，中国在施工现场常用的粉尘控制措施主要包括洒水和铺设防尘网。然而，这两种方法都存在一定的局限性。防尘网虽然在粉尘控制方面效果显著，但其主要原料为高密度聚乙烯，这种材料难以降解，容易造成二次污染。此外，防尘网在使用过程中容易被风吹散或破损，导致其在粉尘控制方面的效果大打折扣。而洒水则依赖于大量的水资源，不仅增加了成本，还可能导致土壤水分过多，影响施工进度。同时，洒水后的粉尘容易再次被风吹起，形成二次扬尘，进一步恶化空气环境。因此，开发一种新型的环保型粉尘抑制剂，成为解决这一问题的关键。

近年来，学者们对粉尘抑制剂的原料优化进行了大量研究。例如，He等人利用表面活性剂和无机盐作为协同剂，制备了复合型粉尘抑制剂，该抑制剂表现出优于单一成分溶液的润湿性能，能够有效降低煤尘的接触角，提高渗透能力。Zhang等人则通过接枝共聚的方法，以海藻酸钠和羧甲基纤维素为原料，合成了一种聚合物型粉尘抑制剂。该抑制剂具有较高的粘度和表面张力，能够在强风条件下实现高达90%的粉尘控制效果。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，可以观察到煤尘颗粒被有效结合，形成致密的固化层，从而显著降低粉尘逸散。Zhao等人研究了利用海带和聚丙烯酰胺等原料制备粉尘抑制剂的工艺，发现其粘度和表面张力能够有效提升粉尘控制效果。此外，通过红外光谱分析，发现该抑制剂能够显著增加煤尘中亲水性官能团的含量，从而增强其与水的结合能力。

在这些研究的基础上，越来越多的学者开始关注天然生物质材料在粉尘抑制剂中的应用。这类材料不仅具有良好的环保特性，还能有效降低粉尘的产生和扩散。例如，Wu等人专门针对红土粉尘开发了一种新型粉尘抑制剂，采用瓜尔胶和黄原胶作为主要成分，以提高抑制剂的粘度和稳定性。通过单因素实验和正交实验，他们确定了最佳的聚丙烯酸、十二烷基硫酸钠、瓜尔胶和黄原胶的配比，使粉尘抑制剂在72小时内仍能保持较高的含水量，并形成具有一定硬度的固化层。Gao等人则利用瓜尔胶、十二烷基苯磺酸钠、Triton和聚丙烯酸钠作为复合原料，制备了一种粉尘抑制剂。该抑制剂在粉尘控制方面表现出高达95%的效果，且不具有急性吸入毒性。红外光谱分析显示，该抑制剂能够显著提高煤尘中羟基的含量，从而增强其与水的结合能力。Zhang等人则通过化学修饰瓜尔胶，并加入甘油、十二烷基苯磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚等成分，制备了一种新型粉尘抑制剂。该抑制剂能够在煤尘表面形成固化层，其抗压能力达到29kPa。此外，经过一个月的使用后，抑制剂的质量损失仅为60%，显示出良好的降解性能。

在这些研究的基础上，本研究提出了一种以羧甲基瓜尔胶（CMGG）为核心的新型环保型粉尘抑制剂。CMGG是天然瓜尔胶的一种改性产物，具有较高的粘度、较快的溶解速度以及良好的稳定性。与天然瓜尔胶相比，CMGG在粘度和稳定性方面表现出更优异的性能。此外，CMGG还具有较强的吸附能力，能够有效结合土壤颗粒，形成稳定的固化层。在本研究中，CMGG被用作粘合剂，而表面活性剂和保水剂则通过单因素实验进行筛选。随后，利用响应面法（RSM）确定了最佳的配比方案，使粉尘抑制剂在实际应用中具有更高的粉尘控制效果。

为了评估粉尘抑制剂的性能，本研究从抗蒸发、风蚀抵抗性和腐蚀性等多个方面进行了测试。实验结果显示，当粉尘抑制剂喷洒在土壤粉尘上并干燥6小时后，其抗蒸发率达到37.85%，表明其具有较强的水分保持能力。同时，在风蚀测试中，经过120分钟的风蚀作用，粉尘抑制剂的风蚀抵抗率达到96.06%，显示出良好的防风蚀性能。此外，该粉尘抑制剂对碳钢（Q245R）的平均腐蚀速率仅为0.0297g·cm?2·h?1，表明其对金属材料的腐蚀性较低，具有较好的环境兼容性。在实际应用中，粉尘抑制剂的实验区域平均总悬浮颗粒物（TSP）浓度为0.49mg/m3，比未处理区域和单纯用水处理区域分别降低了99.94%和99.6%，显示出其在粉尘控制方面的显著优势。

从微观结构的角度来看，本研究通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了粉尘抑制剂对土壤粉尘的影响。实验结果显示，喷洒粉尘抑制剂后，土壤粉尘颗粒能够有效结合，形成致密的固化层。这种固化层不仅能够增强土壤颗粒之间的相互作用，还能提高其对水分的保持能力。此外，通过分子动力学（MD）模拟，研究了粉尘抑制剂在土壤粉尘表面的吸附行为和微观机制。结果表明，CMGG在土壤粉尘表面具有更强的吸附能量，能够形成更多的氢键，从而增强其对土壤颗粒的结合能力。CMGG分子中含有大量的羟基（-OH）和羧基（-COOH），这些官能团能够与土壤颗粒表面的羟基形成氢键，进一步提高粉尘抑制剂的稳定性和持久性。

本研究的成果不仅为建筑工地的粉尘控制提供了新的解决方案，还为绿色粉尘管理提供了理论依据和应用价值。通过合理选择原料并优化配比，粉尘抑制剂能够在不破坏生态环境的前提下，有效降低粉尘的产生和扩散。同时，该抑制剂具有良好的降解性能，能够在使用后逐步分解，减少对环境的长期影响。此外，该抑制剂的制备过程对环境的影响较小，符合当前可持续发展的要求。因此，本研究提出的新型环保型粉尘抑制剂具有广阔的应用前景，不仅适用于建筑工地，还可以推广到其他需要粉尘控制的领域，如采矿、道路建设等。

在实际应用中，粉尘抑制剂的性能评估需要考虑多个因素，包括其粘度、表面张力、保水能力以及对土壤颗粒的结合能力。粘度是粉尘抑制剂能够有效结合土壤颗粒的重要指标，较高的粘度有助于形成更致密的固化层，从而提高粉尘控制效果。表面张力则决定了粉尘抑制剂的润湿能力和渗透能力，较低的表面张力有助于抑制剂更好地附着在土壤颗粒表面，提高其稳定性。保水能力则是衡量粉尘抑制剂在干燥环境下的水分保持能力，较高的保水能力能够有效减少粉尘的产生。此外，粉尘抑制剂与土壤颗粒之间的结合能力也是影响其性能的关键因素，较强的结合能力能够有效防止粉尘的逸散。

在本研究中，通过单因素实验和响应面法（RSM）的结合，确定了最优的粉尘抑制剂配方。该配方由0.214%的CMGG、0.6%的十二烷基谷氨酸钠（SMG）和1%的聚天门冬氨酸（PASP）组成。CMGG作为粘合剂，能够有效结合土壤颗粒，形成稳定的固化层；SMG作为渗透剂，能够提高抑制剂的润湿性能，使其更好地附着在土壤颗粒表面；PASP作为保水剂，能够增强抑制剂的水分保持能力，减少粉尘的产生。这种配方的优化不仅提高了粉尘抑制剂的性能，还降低了其对环境的影响，使其更符合绿色发展的要求。

为了进一步验证粉尘抑制剂的性能，本研究还进行了现场实验。实验结果表明，该粉尘抑制剂在实际应用中能够有效降低粉尘的产生和扩散，改善施工区域的空气质量。同时，其抗蒸发性能和风蚀抵抗性也得到了显著提升，能够满足不同环境条件下的粉尘控制需求。此外，该抑制剂对金属材料的腐蚀性较低，能够减少对施工设备和周围环境的损害。因此，该粉尘抑制剂不仅具有良好的应用前景，还能够为建筑工地的粉尘控制提供科学依据和技术支持。

从环保角度来看，本研究提出的粉尘抑制剂具有重要的意义。传统的粉尘控制方法，如洒水和铺设防尘网，虽然在一定程度上能够降低粉尘的产生，但存在资源浪费、环境污染和二次扬尘等问题。而本研究开发的粉尘抑制剂则通过合理的原料选择和配方优化，能够在不消耗大量水资源的前提下，实现高效的粉尘控制。此外，该抑制剂具有良好的降解性能，能够在使用后逐步分解，减少对环境的长期影响。因此，该粉尘抑制剂不仅能够有效解决粉尘污染问题，还能够减少对环境的负担，符合当前可持续发展的理念。

综上所述，本研究通过合理的原料选择和配方优化，开发了一种新型环保型粉尘抑制剂。该抑制剂以CMGG为核心成分，结合SMG和PASP，能够有效提高粉尘控制效果，降低粉尘的产生和扩散。同时，该抑制剂在抗蒸发、风蚀抵抗性和腐蚀性等方面表现出良好的性能，能够满足不同环境条件下的粉尘控制需求。此外，该抑制剂的制备过程对环境的影响较小，具有良好的降解性能，符合绿色发展的要求。因此，本研究不仅为建筑工地的粉尘控制提供了新的解决方案，还为绿色粉尘管理提供了理论依据和应用价值，具有重要的现实意义和科学价值。