一种用于赤泥抑尘的耐碱双单体接枝共聚物的合成、性能及机理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synthesis, performance, and mechanism of an alkali-resistant dual-monomer graft copolymer for red mud dust suppression

　　

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  合成了一种适用于赤泥的耐碱性PVA-AM-SVS抑尘剂。
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  在15 m/s风速条件下，48小时后的抗风蚀效率达到92.9%。
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  -SO₃^-和-CONH₂协同增强润湿性和耐碱性。
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  产品形成致密均匀的壳膜，增强抗风蚀粘结性能。
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  分子模拟揭示了更强的吸附和氢键相互作用机制。

引言

赤泥(RM)是从铝土矿中提取氧化铝过程中产生的强碱性固体废物[1]。作为世界上最大的氧化铝生产国，中国已堆积的赤泥储量已超过6亿吨，并以每年约7000万吨的速度持续增长[2], [3], [4]。然而，其利用率不足10%，堆存仍是主要处置方式[5], [6]。赤泥颗粒细小，易受扰动形成粉尘，在恶劣天气条件下释放大量可吸入的碱性颗粒物，导致土壤盐渍化、水体pH值升高及遗传毒性等环境问题[7], [8]，并刺激人体上呼吸道和眼睛[9]。研究表明，接触职业性铝暴露的工人可发展为双侧尾状核萎缩及轻度认知障碍[10]。此外，铝土矿开采导致周围土壤重金属污染程度中等至严重，Cd浓度高达9.83 mg/kg，并在稻米中检测到重金属富集，带来膳食健康风险[11], [12]。因此，高碱性赤泥堆场的环境危害已成为制约铝工业绿色发展和区域生态安全的关键瓶颈之一[13]。

为应对粉尘问题，全球研究者提出了多种物理和化学缓解技术，如喷水、表面覆盖及常规化学抑尘粘结剂的使用[14]。在这些方法中，化学抑尘剂因其高效抑尘效果、节水潜力和经济可行性而受到广泛关注[15], [16], [17], [18]。Lee[19]等人引入了一种液态三组分三嵌段共聚物作为水性添加剂，并证明即使在水分完全蒸发后，抑尘功能仍得以保持。Kondrasheva[20]等人采用高芳烃重质石油馏分配制内聚性抑尘粘结剂，使煤炭运输能力提高了15%至20%。尽管现有抑尘剂表现出优异的抑尘效率和快速作用效果，但仍存在严重的环境污染、强腐蚀性和在不同条件下适应性差等问题。特别是在高碱度等极端环境下，某些官能团容易发生水解，导致聚合物主链断裂和分子量急剧下降，从而损害粘结和成膜能力，致使抑尘剂整体性能显著降低。由于在高温高压条件下与烧碱消化后保留了大量的游离碱和化学结合碱，赤泥表现出极高的碱性，其pH值通常在10.5至12.5之间[21], [22], [23]。常规化学抑尘剂在这种强碱性赤泥环境中容易迅速失活[24]。然而，上述大多数系统主要设计用于含有煤尘、路尘或其他常规颗粒物的环境，其分子结构并未针对赤泥所特有的高碱性条件进行专门优化。因此，开发一种更有效且针对高碱性赤泥量身定制的抑尘剂已成为一个重要的研究领域。

近年来，聚合物材料的合成与改性为抑尘剂的开发提供了新思路[25], [26]。通过分子设计和结构调控，可将润湿、粘附及保水等多种功能整合于同一体系中，提高材料的稳定性和环境适应性，为开发长效高效抑尘剂提供了新的可能性。Liu[27]制备了一种基于接枝共聚物的抑尘剂，将可吸入粉尘和总粉尘的平均降低率分别从72.5%和70%提升至90.6%和88%。聚乙烯醇(PVA)因其可生物降解性、良好的水溶性、优异的成膜性以及丰富的活性羟基而成为理想的基材材料[28], [29]。Chowdhury[30]在PVA上接枝丙烯酸甲酯以提高其机械性能和化学性能，其热稳定性和耐水性优于PVA。Xi[31]采用羧甲基淀粉、PVA和己内酰胺为原料，通过接枝共聚合成了一种具有交联网络结构的抑尘剂。所得配方在10 m/s风速下达到了90.3%的抑尘效率。这些研究表明，PVA是构建接枝共聚物的优良基材，合成改性可有效提升抑尘剂的整体性能。磺酸基(-SO₃H)在碱性条件下可解离为带负电的-SO₃^-基团，同时保持高电荷密度[32]。这些基团可通过静电相互作用排斥OH^-离子并形成强水化层，从而降低OH^-的有效局部浓度，提高聚合物的耐碱性[33], [34]。酰胺基(-CONH₂)通过分子间和分子内氢键构建稳定的氢键网络，并利用空间位阻效应阻碍OH^-的扩散，与-SO₃^-协同提高材料的结构稳定性和力学性能[35]。因此，将-SO₃H和-CONH₂功能基团引入聚合物链中，可通过静电排斥和氢键相互作用显著提高材料的稳定性和抑尘效果。基于上述研究，本研究以PVA为基材，制备了一种具有互补功能的双官能团聚合物网络结构的耐碱性粘结型抑尘剂，专门针对高碱性赤泥设计。

由于-SO₃^-基团在碱性介质中具有持续的负电荷和强大的水化能力，它们可积极对抗OH^-引起的降解，从而赋予材料更好的耐碱耐受性。同时，-CONH₂增强了氢键网络，这不仅提高了结构稳定性和力学性能，还对抑尘剂与赤泥之间的界面粘附产生有利影响。本文通过宏观物理化学表征实验结合微观形貌鉴定，评估了抑尘剂在强碱性条件下的抑尘性能。此外，通过微观动力学分析和分子动力学(MD)模拟，阐明了抑尘剂影响赤泥的分子水平机制[36], [37]。本研究旨在通过开发有效的抑尘剂配方并阐明其抑尘机制及界面相互作用机制，解决高碱性赤泥在堆存过程中产生的粉尘问题。目标是为该配方在赤泥抑尘领域的进一步评估和潜在应用提供实验和理论基础，同时也为其他工业粉尘源的污染控制提供指导。

章节摘要

材料

本文所用赤泥来自中国河南省东方希望铝业有限公司。为获得均匀的粒径分布，赤泥经研磨、筛分后在烘箱中干燥24 h，然后在密封条件下储存。所得粒径分布如图1(a)所示。pH值为11.30，D50和D90分别为16.03μm和64.52μm。赤泥在烘箱中干燥24 h并密封储存。随后对赤泥进行X射线荧光(XRF)分析。

傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析

图4和图5展示了抑尘剂合成的微观机理以及原料与产品的红外光谱对比[43], [44], [45], [46]。在PVA的FTIR光谱中，位于3440.1 cm^-1和3218.3 cm^-1处的宽吸收带被归属于羟基(-OH)的伸缩振动，表明分子链中富含羟基官能团。以1086.6 cm^-1为中心的双峰信号被归属于

结论

• (1)
  本研究通过将AM和SVS引入PVA支架，开发了一种PVA-AM-SVS接枝交联体系，该体系结合了亲水性、界面粘结和结构稳定性。研究表明，高碱性赤泥抑尘材料的有效性不仅取决于其初始润湿性，还取决于其持续维持多种界面功能（包括水分调节、颗粒粘附和表面

作者贡献声明

Yongzhe Zhang：方法论、形式分析。Xuhan Ding：撰写—初稿、资金获取、概念构思。Jiuzhu Wang：形式分析。Zhenmin Luo：监督、项目管理。Tao Wang：形式分析。Yike Niu：形式分析。Jitong Li：验证。Minjun Ma：撰写—审阅与编辑。Yuting Wang：形式分析、数据整理。Kai Wang：可视化、软件。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52204234，52674308）、陕西省青年创新团队项目（项目编号：25JP104）和陕西省重点研发计划（项目编号：2026SF-YBXM-685）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本论文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Xuhan Ding|Yongzhe Zhang|Kai Wang|Yuting Wang|Minjun Ma|Jitong Li|Yike Niu|Tao Wang|Zhenmin Luo|Jiuzhu Wang