煤炭运输用低腐蚀性豆粕基酶诱导碳酸盐沉淀抑尘剂的开发

《Sustainable Materials and Technologies》：Development of a low-corrosivity soybean meal-based enzyme-induced carbonate precipitation dust suppressant for coal transportation

　　

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  氯化钙与一水合乙酸钠混合可将金属腐蚀降低最多85.39%。
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  在30 m/s风速下，风蚀率分别为0.47%（5 min）和1.27%（30 min）。
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  正交试验确定固液比为抑尘的关键因素。
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  该抑尘剂促进了豆粕资源化利用，有助于实现可持续的煤尘控制。

引言

煤作为全球最重要的基础性能源之一，其在全球能源结构中的主导地位在短期内仍将保持稳定[1], [2]。由于煤炭资源分布不均，铁路运输成为煤炭跨区域调配的主要方式[3]。然而，运输过程中产生的煤尘导致年损失率高达1.2%，不仅造成环境污染，还通过可吸入颗粒物对操作人员健康构成危害[4], [5]。

目前，化学抑尘剂是抑尘的重要方法。近年来，新型化学抑尘剂材料在交联修饰和多功能协同方面取得了显著进展，例如硼酸盐-氢键协同交联、氧化淀粉-明胶希夫碱反应以及聚乙烯醇缩醛交联等策略，这些策略增强了抑尘剂的粘附性和成膜性能[6], [7], [8]。因此，其配方设计正从单一的抑尘功能向兼顾工程适用性和环境兼容性的多重目标演进。与此同时，酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）作为一种新兴的生物矿化技术，利用脲酶催化尿素水解，产生碳酸根离子，与周围环境中的钙离子结合形成碳酸钙晶体，从而胶结和固化松散颗粒[9]。由于其反应条件温和且环境兼容性好，EICP已在岩土工程中广泛应用[10]。为克服传统EICP固化体的脆性，研究人员通过引入黄原胶、聚醋酸乙烯酯或聚乙二醇等改性剂，构建了有机-无机复合胶结网络，显著提高了胶结层的延展性、抗剪强度和降雨抗蚀性[11], [12]。在此基础上，EICP已逐步拓展至矿山环保领域，利用其产生的碳酸钙沉淀胶结煤尘，以控制煤炭运输过程中的扬尘污染[13], [14]。总体而言，这些研究凸显了EICP在煤尘抑制方面的巨大潜力；然而，其大规模工程应用仍受酶源成本和工程适应性等因素制约。

就酶源成本而言，商业脲酶的生产与纯化成本仍然较高。在全球追求碳中和及农业副产物可持续利用的背景下，用富含脲酶的植物及其加工副产物提取物替代商业脲酶，已成为降低EICP成本的主要途径[15]。Wu等[16]基于大豆脲酶EICP技术开发了一种生物抑尘剂，实验验证该配方实现了83.83%的煤尘碳酸钙沉淀率和仅2.56%的风蚀质量损失率，同时表现出良好的生物降解性和无毒性。在此基础上，本课题组此前进一步关注豆粕这一大宗农业固废的资源化利用，开发了一种复合抑尘剂-抑制剂，并取得了良好的实验结果[17]。这些工作建立了一条基于豆粕粗提脲酶的低成本技术路线；然而，现有豆粕基配方通常仍以氯化钙作为唯一钙源，在解决成本瓶颈的同时引入了新的工程隐患。

研究表明，EICP抑尘剂中的钙离子、尿素分子、脲酶及酶解产物在室温下对金属的腐蚀性可忽略不计[18], [19], [20]，而氯离子对金属具有强腐蚀性，是工业环境中金属设备腐蚀失效的关键原因之一[21], [22]。高浓度氯离子显著加速运输设备的腐蚀，限制了该技术的工程应用。TB/T3210.1-2020《铁路运输用煤尘抑制技术条件》（以下简称"标准"）对抑尘剂的腐蚀性设定了明确的限值要求[23]；然而，现有EICP抑尘剂研究很少将这一工程约束纳入配方设计中。因此，如何在保持矿化抑尘性能的同时使配方的金属腐蚀性满足标准规定的限值，已成为豆粕基EICP抑尘剂工程应用的紧迫问题。

鉴于此，为了解决以氯化钙为钙源的豆粕基抑尘剂在抑尘性能与金属腐蚀性之间的矛盾，本研究采用复合钙源，以一水合乙酸钠部分替代氯化钙，基于阴离子类型主导钙源腐蚀性的已有认识。这在保持总钙浓度不变的同时降低了体系中氯离子浓度，从而使抑尘剂在保持抑尘性能的同时满足标准规定的腐蚀限值。为此，首先对T4003不锈钢、5083铝合金和Q450NQR1耐候钢进行了全浸失重试验和电化学测量，以确定满足腐蚀性要求的复合钙源及其配比。随后，以风蚀率为评价指标，进行四因素四水平正交试验，确定复合体系的最优配方，并进行碳酸钙沉淀量测定、pH监测以及SEM和XRD表征，分析复合钙源对CaCO₃结晶过程的影响。最后，在不同喷洒量、煤尘粒径和风速条件下进行抑尘试验，并结合干湿循环试验，评价复合体系的抑尘性能和短期耐久性；此外，补充进行粘度测定和植物毒性试验，以评估其工程可行性和初步环境兼容性。现有豆粕基配方仅关注抑尘性能，本研究旨在解决抑尘性能与金属腐蚀性之间的权衡问题，为兼顾抑尘效果、设备保护和潜在环境效益的煤尘防治提供新方案。

章节摘要

材料

实验用煤样取自新疆天池能源有限公司将军戈壁第二露天煤矿。

豆粕（SM）购自中国河北省石家庄市灵寿县。氯化钙（CaCl₂，分析纯，纯度≥96%）和尿素（分析纯，纯度≥99%）购自中国西陇科学股份有限公司。一水合乙酸钠（Ca(CH₃COO)₂·H₂O，分析纯，纯度≥98%）、甲酸钠（Ca(HCOO)₂，分析纯，

单一CaCl₂钙源抑尘剂的腐蚀性

图2展示了三种金属在不同浓度单一CaCl₂胶结溶液中腐蚀率的变化，计算采用式(1)。

如图2(a)和(b)所示，钝化性金属（T4003不锈钢和5083铝合金）的腐蚀率表现出相似的变化趋势。在0.2–0.6 mol/L范围内，两种金属的腐蚀率均保持在较低水平，分别低于0.005 mm/a和0.03 mm/a的限值。

结论

本研究以豆粕为原料，对一种生物抑尘剂进行了腐蚀性调控和抑尘性能测试，确定了低腐蚀性配方并评价了其综合性能。主要结论如下：

• 1.
  氯化钙与一水合乙酸钠的复合有效减轻了氯离子对金属钝化膜的侵蚀。实验结果表明，当钙

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致谢

本工作得到2026年双一流自主创新项目：矿山重大灾害监测预警 [资助编号 2022ZZCX01]；中央高校基本科研业务费 [资助编号 2023ZDPYTD01] 的支持。

李志仁|钟晓星