潮湿环境中抑制粉尘爆炸的双重策略：对抗水分或利用水分

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Dual strategies to mitigate dust explosions in humid environments: Fighting moisture or leveraging it

　　

摘要水分已知通过吸热、燃料稀释以及增加颗粒间凝聚力来降低有机可燃粉尘的爆炸危害。其对某些轻金属粉尘爆炸的增强作用也得到了认可，归因于氢气释放或氧化膜破坏。在粉尘爆炸危害与潮湿环境共存的工业场景中，水分也会影响惰性物质的爆炸抑制性能。例如，用于抑制矿井煤爆炸的岩粉在长期受潮后可能会严重结块；被水润湿的金属粉尘可能需要额外的抑制等级。为解决这些问题，本文探索了两种对比策略：使惰性粉尘疏水以抵抗水分引起的凝聚力，或使用超亲水材料团聚可燃颗粒。结果表明，改性碳酸氢钠 (SBC) 和氢氧化镁 (MH) 的水接触角分别达到 >110° 和 >120°，而基于四针状氧化锌晶须 (ZnOw) 的疏水添加剂 20 wt% 混合比例也被证明足以影响疏水性。疏水改性惰性粉尘对煤爆炸的抑制效果在受潮后得以保持，而原材料在抑制性能方面表现出显著下降。对于利用水分的策略，与聚丙烯酸钠 (PAAS) 预混的铝镁 (Al-Mg) 合金粉尘在吸水后形成强结块；值得注意的是，在添加量为 40% 时，它实现了对 Al-Mg 爆炸的完全抑制，而其干态形式即使在 90% 时也会失效。对煤、木和聚乙烯粉尘的进一步测试证实了 PAAS 在潮湿环境下的有效性和广泛适用性。总体而言，这些结果证明了对比策略用于粉尘爆炸抑制的可行性，并为其在潮湿条件下的进一步发展提供了概念验证基础。

引言粉尘爆炸是一种现象，其特征是悬浮的可燃固体颗粒在相对受限的空间内与氧气充分混合后快速燃烧，产生足以破坏周围环境的高温高压。对粉尘爆炸危害的广泛意识可能源于地下矿井中的煤爆炸。作为自工业革命以来的主要能源，煤炭开采产生大量细煤尘，产生了防尘和防爆的迫切需求。这种危害因煤阴燃、与气体的混合爆炸或相连隧道中的二次爆炸的可能性而加剧，使煤尘成为粉尘爆炸事故中最常见的物质 (Yuan 等，2015)。随着各行业粉末加工技术的进步和应用，如今可燃粉尘给流程工业带来了更复杂的安全挑战。事故历史证实，金属、木材、食品、塑料等类别的材料曾引发灾难性事故，造成重大人员伤亡和财产损失 (Cloney 和 Snoeys, 2019)。为了减轻此类危害，一个多世纪前可能在煤矿中首次尝试掺入作为热汇的岩粉，以干扰煤燃烧反应。添加惰性物质以防止点燃和减轻可燃粉尘爆炸的措施，被公认为是工业防爆中固有安全原理的应用 (Amyotte 等，2009)。大量文献报道，常用的阻燃剂或灭火剂，如碳酸盐、磷酸盐、金属氧化物和氢氧化物，也可以有效用于抑制粉尘爆炸 (Jiang 等，2020; Bu 等，2020; Huang 等，2020)。与此同时，复合抑制材料的研究也在积极进行中，包括那些包含可回收成分、纳米结构和多相介质的材料 (Li 等，2024; Wang 等，2025; Xia 等，2026)。

影响粉尘爆炸危害的几个因素已得到充分确立。例如，增加总比表面积的粒径减小、高于燃料 - 氧气化学计量比的优化粉尘浓度，以及增加粉尘反应活性的水分含量减小，通常都对应着更高的危害 (Ogle, 2017)。这些发现需要在实际操作中注意可燃粉尘的粒径变化、浓度分布和湿度条件。然而，潮湿环境对爆炸危害的影响可能被某种程度上忽视了，因为关于爆炸特性的实验室研究通常需要提前干燥粉尘样本。对于大多数有机粉尘，水分含量增加可以在燃烧过程中吸热，减缓反应速率，同时通过液桥促进颗粒团聚。这减少了粉尘云内的有效比表面积，甚至可能加速粉尘沉降，从而更快地将粉尘浓度降低到爆炸阈值以下 (Traoré 等，2009)。相比之下，对于某些与水反应的轻金属粉尘，研究表明水分可以产生氢气或将颗粒表面改变为可分解的氢氧化层，从而加剧潮湿金属粉尘的爆炸 (Meng 等，2026)。另一方面，潮湿环境会损害惰性物质对可燃粉尘的预期爆炸抑制效果，可能导致抑制效率降低甚至完全失效。一个真实场景是亲水岩粉在受潮后容易严重结块，这阻碍了其有效分散，限制了在煤矿中的实际应用 (Huang 和 Honaker, 2016a)。因此，有必要加强对潮湿操作条件对粉尘爆炸预防和抑制影响的研究，特别是在潮湿地下矿井或湿式除尘系统等场景中。

为解决潮湿环境带来的爆炸抑制问题，研究人员采用了针对不同应用场景定制的措施。具体来说，在潮湿的采矿环境中，可以通过颗粒表面处理将亲水性惰性物质改性为疏水性，从而抵抗结块并在受潮后保持其设计的抑制性能。Huang 和 Honaker (2016b) 发现，油酸和油酸钠在使岩粉疏水方面最为有效。Perera 等 (2019) 使用极少量的脂肪酸添加剂防止岩粉在润湿后干燥结块。Liu 等 (2020) 在磷酸二氢铵、碳酸钙和二氧化硅的复合粉末上涂覆油膜以实现疏水性。类似的表面改性方法也已应用于干粉灭火剂。通过表面功能化开发了疏水和疏油的 NaHCO3 粉末，使用疏水纳米二氧化硅来提高超细粉末的防潮性和流动性 (Zhao 等，2020; Zhou 等，2024)。这些研究进一步强调了限制水分引起的团聚以保持功能粉末分散性的重要性。另一方面，湿式除尘需要可燃煤颗粒与水之间更强的相互作用。因此，通常引入表面活性剂以提高煤尘的润湿性，促进颗粒捕获和沉降，从而降低空气传播粉尘浓度 (Ding 等，2023; Pu 等，2024)。最近的研究进一步表明，表面活性剂调节和螯合剂 - 表面活性剂联合系统可以增强煤与水的相互作用并提高煤尘的润湿性 (Niu 等，2023; Nie 等，2024)。因此，潮湿的煤加工环境涉及两个对比的界面要求：惰性抑制剂应抵抗水分以保持其分散性，而可燃煤尘应容易与水相互作用以促进润湿、捕获和沉降。

关于活性金属，例如基于铝或镁的粉尘，它们提出了另一个挑战，因为与水接触可以产生氢气或改变颗粒表面，引入额外的爆炸危害。现有的爆炸抑制研究主要关注在干燥条件下直接添加或改性固体抑制剂。例如，Mg(OH)2 的表面改性被证明可以提高其颗粒分散性和对 Al-Mg 合金粉尘爆炸的抑制性能 (Wang 等，2021)，而有意利用水分引起的颗粒团聚来限制爆炸性金属粉尘云的形成和分散则受到的关注相对有限。然而，在工业实践中，湿式除尘提供了另一条途径，通过在水中捕获金属颗粒并限制其分散到空气传播的粉尘云中。由于金属颗粒与水之间的反应可能会引入二次氢气爆炸危害，几项研究报告称通过向水中添加氢气抑制剂来抑制氢气的形成。Liu 等 (2022) 将海藻酸钠与磷酸钠结合，以抑制水环境中废镁合金粉尘释放氢气。Zhang 等 (2023a) 调查了磷酸二氢盐对废铝合金粉尘火焰传播、爆炸压力和氢气释放的影响，确定磷酸二氢钙在湿条件下抑制氢气生成和随后的铝粉尘爆炸方面最有效。最近，还探索了可持续抑制剂，用于控制湿条件下合金废粉尘的氢气生成，从而控制与湿式金属粉尘收集相关的二次氢气危害 (Hao 等，2024)。

先前的研究通过几个视角解决了与水分相关的粉尘危害，包括疏水改性以保持惰性粉尘的分散性；增强润湿性以提高可燃粉尘捕获；固体抑制剂抑制金属粉尘爆炸；以及湿式除尘系统中的氢气释放抑制。然而，这些方法很少在一个共同框架内被考虑，该框架明确比较抵抗水分与有意利用水分。本研究调查了潮湿环境中粉尘爆炸抑制的两种对比策略：一方面，碳酸氢钠和氢氧化镁等惰性物质被改性为疏水粉末以“对抗水分”，并验证了它们在受潮后抑制煤尘爆炸的有效性。另一方面，超吸收聚合物聚丙烯酸钠 (PAAS) 被应用于“利用水分”，通过与可燃粉尘预混来放大水分的除尘效果，从而防止粉尘分散成爆炸性悬浮物。希望该双重框架能为解决相关潮湿工业场景中的粉尘爆炸预防和抑制提供两条互补的途径。

章节摘要
材料本研究选择煤、铝镁合金 (Al-Mg)、松木和聚乙烯 (PE) 作为可燃粉尘样本。煤和 Al-Mg 粉尘是在潮湿条件下涉及粉尘爆炸预防场景的典型材料，而木和 PE 粉尘代表了经常卷入粉尘爆炸事故的两个主要类别（木材和塑料）。选择碳酸氢钠 (SBC) 和氢氧化镁 (MH) 作为惰性物质，因为两者都已被广泛证明。

爆炸危害分析
图 4 (a) 和 (b) 展示了四种可燃粉尘的爆炸严重度参数。爆炸压力和压力上升速率均随着粉尘浓度的增加先增加后减少，这是一个被广泛认可的趋势。对于煤尘，Pmax 和 (dP/dt)max 值分别为 5.9 bar 和 301 bar/s，出现在 500 g/m3 时。Al-Mg 粉尘在更高的浓度 1250 g/m3 时表现出其峰值严重度参数，Pmax 为 6.9 bar，(dP/dt)max 为 653 bar/s。

结论
本研究通过涉及两种对比策略的比较框架调查了潮湿环境中的粉尘爆炸抑制：通过疏水改性惰性抑制剂来“对抗水分”，以及通过 PAAS 实现可燃粉尘团聚来“利用水分”。主要贡献在于潮湿条件下对这些对立策略的比较评估，以及探索水分诱导团聚作为粉尘爆炸抑制的替代路线。

作者贡献声明
Paul Amyotte：写作 - 审查与编辑。Zhengwei Li：调查。Xu Li：调查。Long Xiang：可视化。Yajie Bu：写作 - 初稿，方法论，概念化。Chunmiao Yuan：监督。Yuan Yu：资源。Qingwu Zhang：项目管理。

利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突。鉴于共同作者 Paul Amyotte 担任编辑的角色，他未参与本文的同行评审，且无法获取有关其同行评审的信息。本文编辑流程的全部责任已委托给另一位期刊编辑。其他作者声明他们没有已知的竞争财务利益。

致谢
作者衷心感谢中国国家自然科学基金 (52504230, 52374187)、江苏省基础研究计划自然科学基金 (BK20240542)、江苏省高等学校自然科学研究基金 (24KJB620004)、消防安全国家重点实验室开放基金 (SKLFS) (HZ2025-KF16) 以及应急管理部重点科技计划 (2025EMST100101) 的资金支持。

Yajie Bu|Long Xiang|Xu Li|Zhengwei Li|Qingwu Zhang|Yuan Yu|Chunmiao Yuan|Paul Amyotte
南京工业大学安全科学与工程学院，中国南京 211816