高尘低氧极端条件下智能动力呼吸器的增强颗粒物过滤与自适应供氧

《Journal of Hazardous Materials》：Enhanced PM Filtration and Self-Adaptive Oxygen Supply by Intelligent Powered Respirators under Extreme Conditions with High Dust and Low Oxygen

　　

摘要矿山工人面临高海拔地区严重的呼吸性粉尘和氧分压降低的双重生理威胁。传统的动力送风过滤式呼吸器（PAPR）往往受困于滤芯过早堵塞、气流阻力过大、面部密封受损以及供氧不足等问题。本研究公开了一种智能 PAPR 系统，该系统协同整合了长效粉尘过滤与自适应富氧功能。关键技术路线包括：对高效微粒空气（HEPA）介质进行原位金属有机框架（MOF）功能化、褶皱结构的几何优化、智能自适应氧气调节以及系统性性能验证。定量评估表明，经过 6 小时 MOF 处理的 HEPA 膜展现出最佳的集成过滤性能，对 PM 颗粒物的总过滤效率达到 83.9% ~ 87.0%，相对于未改性对照物提升了 2.4%。在平均呼吸流量分别为 30、60 和 85 L·min-1 的情况下，面罩内的平均氧气体积分数分别达到 23.36%、24.83% 和 26.67%，始终超过约 21% 的环境大气氧浓度，而面罩内相对压力则呈正弦变化。所提出的 PAPR 系统显著提升了在恶劣、缺氧及高粉尘环境中的综合呼吸安全水平，从而为高海拔采矿人员提供了更安全、更舒适的防护解决方案。

引言矿产资源是支撑当代社会经济成长的基础物质支柱，其持续供应与全球工业基础设施的稳定密不可分 [1]。目前，碳中和的追求正从广泛的国际共识转向具体实施，而全球能源转型已逐步上升为国际能源领域的首要议程。随着这场能源革命的深入，矿产储备（特别是被归类为关键矿产的资源）的战略相关性发生了深刻的结构性重新校准。与传统的化石燃料框架不同，清洁能源技术（包括电动汽车、风力涡轮机、光伏和电池储能系统）对这些矿物资源的依赖度要高得多，从而进一步巩固了其高昂的地缘政治和工业意义 [2], [3]。同时，随着近地表储备的逐渐耗尽，采矿活动不可避免地正向深部地下煤层和偏远的高海拔地区迁移 [4]。虽然这一轨迹有助于满足日益增长的原材料需求，但也使矿工暴露于日益恶劣的自然条件中，从而对采矿安全规程和职业健康保护措施提出了新的严峻挑战 [5]。

在高海拔采矿环境中，大气氧分压的急剧降低构成了作业人员面临的主要生理挑战 [6]。随着海拔升高，环境空气逐渐稀薄，导致吸入空气的氧分压持续下降，进而降低动脉血氧饱和度，并引发心脏和呼吸速率的代偿性加速 [7]。然而，长期暴露于这种缺氧环境中最终将超过身体的生理代偿能力，引发一系列不良健康后果，包括认知能力下降、体力耐力降低和心血管负担加重，在严重情况下可能直接威胁生命 [8]。先前的研究表明，在海拔超过 3000 米的地方，人体体力工作能力降低约 20% 到 40%，这一限制对采矿作业效率和职业安全构成了实质性的约束 [9]。

除了缺氧引起的生理压力外，高浓度的空气颗粒物代表了高海拔开采作业中另一个主要且不可忽视的职业健康危害 [10]。在包括钻孔、爆破、破碎和运输在内的各个生产阶段，大量的细微矿物粉尘不断释放并悬浮在工作环境中 [11]。尽管煤层注水、喷雾降尘和机械通风等工程控制措施已在采矿作业中得到广泛应用，并在一定程度上降低了粉尘总体浓度，但实际的现场粉尘水平经常仍然超过国际公认的职业暴露限值 [12]。这一持续存在的问题主要归因于开挖面空间几何结构的限制、通风气流的特定分布模式以及粉尘颗粒的持续动态产生 [13]。长期吸入此类矿物粉尘已被确证为不可逆职业呼吸道疾病的主要病因，尤其是尘肺病和慢性阻塞性肺疾病（COPD）[14]。这一现实凸显了仅靠工程粉尘缓解措施不足以从根本上消除矿工面临的健康威胁这一固有局限性 [15]。

当工程粉尘抑制措施被证明不足以将空气颗粒浓度降至允许的安全限值以内时，个体呼吸防护装备（RPE）成为了保护矿工呼吸健康的最后关键防线 [16]。目前，过滤式面罩呼吸器（FFR）由于其简单的结构设计和高性价比，继续主导市场 [17]。然而，重粉尘负荷和高呼吸流量率的协同效应导致过滤器阻力迅速升级，用户经常报告明显的吸气不适和气短 [18]。现场行为观察表明，由于佩戴舒适性不足，工人随意摘除或重新调整口罩以缓解呼吸痛苦已成为一种普遍做法 [19]。此类行为严重削弱了设备的预期保护效能，并同步增加了职业暴露的风险 [20]。为了克服这些 shortcomings，PAPR 结合了主动风扇驱动气流以建立正压，从而有效减轻吸气负担。因此，它们在高强度工作场景中获得了越来越多的关注 [21]。然而，大多数市售 PAPR 目前都在恒定流量输送范式下运行，其预设流量通常显著超过实际峰值吸气需求 [22]。这种不匹配导致气流利用效率低、能耗过大以及滤芯使用寿命缩短 [23]。尽管最近的研究试图实施呼吸同步变流量控制技术以实现节能和延长滤芯寿命，但这些系统通常缺乏集成的主动供氧模块 [24]。因此，它们无法有效解决高海拔缺氧环境对动脉血氧饱和水平构成的直接威胁 [25]。此外，市售面罩的设计参数主要基于高加索人群的人体测量数据，未系统考虑不同族群之间固有的面部几何差异 [26]。由此产生的密封缺陷进一步削弱了系统在现实应用中的整体保护性能 [27]。

基于上述分析，参与全球高海拔采矿作业的工人承受着重粉尘负荷和氧分压降低的双重生理压力 [28]。然而，现有的呼吸防护装备在三个关键方面存在显著的技术缺陷：持续过滤寿命、自适应氧气供应调节和人体工学面部贴合。当前的 PAPR 受限于褶皱几何结构和不明朗的最佳参数，导致在高粉尘条件下阻力迅速增加、频繁堵塞和使用寿命短，这直接损害了其有效保护时间和性能。虽然一些市售半面罩是为亚洲面部特征设计的，但它们仅与自吸式过滤呼吸器一起使用，尚未开发基于中国人体测量数据的 PAPR 半面罩。此外，现有的 PAPR 缺乏氧气供应功能。在当前的个体氧气供应设备中，化学氧气自救器产生高温氧气，吸入舒适性差，而压缩氧气自救器和空气呼吸器由于恒定流量输送机制，导致氧气利用效率低且消耗量大。

为了克服这些局限性，本研究设计并制造了一种新型 PAPR，协同整合了长效粉尘保留和主动氧气补充。具体的实施路线包括几个关键步骤。首先，使用 MOF 材料对 HEPA 过滤介质进行原位功能化，以增强超细颗粒的捕获效率，同时有效抑制过滤阻力的迅速升级。其次，进行系统的比较分析，以评估各种褶皱几何参数对滤芯粉尘保持量和气动阻力的影响，从而实现最佳结构配置的识别。第三，开发基于呼吸节奏的空气输送和氧气供应协调控制策略，以实现面罩腔体内氧气浓度的动态实时匹配。第四，利用不同人口群体的人体测量工程数据对面罩轮廓进行优化，以提高面部适应性，随后对整体过滤效率、面罩泄漏率和氧气供应稳定性进行全面实验评估。本研究致力于为保障高海拔矿井和其他极端工作环境下的呼吸健康提供新的技术方案，同时为相关个人防护装备的工程设计提供理论基础和实证数据。

章节片段

材料本研究中使用的所有材料的具体商业来源和纯度等级详见补充信息。

表征本研究中所用的表征测试的详细程序和仪器参数详见补充信息。

CCCM 的合成精确称量的乙酸锌二水合物（2.475 g）和 2-甲基咪唑（7.395 g）分别溶解在 300 mL 去离子水中。HEPA 纤维膜

CCCM 的设计与制造为了推进协同整合长效粉尘过滤与自适应富氧的 PAPR 系统的发展，必须克服三个关键技术障碍。首先，采用金属有机框架对 HEPA 纤维进行原位功能化，以调节表面电子态和微形貌，从而增强对超细颗粒的静电捕获和物理拦截，同时减轻...的增加

结论综上所述，本研究通过材料改性、结构优化和智能控制，成功开发了一种集成长期粉尘过滤与自适应氧气补充的 PAPR。主要发现总结如下：MOF 改性提高了过滤性能。负载原位 ZIF-8 的 CCCM-6 实现了超过 83% 的总过滤效率，同时具有适中的初始压降，验证了 MOF 功能化的可行性。此外，褶皱式

环境意义高海拔采矿环境中颗粒物的释放和氧分压的降低代表了大气完整性和职业健康的双重威胁。为了应对这些挑战，我们提出了一种新型动力送风呼吸器系统，结合了 MOF 改性 HEPA 介质、W 型褶皱滤芯和智能动态氧气供应，通过...实现

利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢研究工作得到了深部煤炭安全开采与环境保护国家重点实验室开放基金（2025YB021）、国家重点研发计划（编号 2025YFE0219700 和 2024YFC3015003）、国家自然科学基金（编号 52573054）和江苏省自然科学基金（编号 BK20253032）的支持。

利益冲突声明作者声明无利益冲突。

朱金托 | 黄薇薇 | 刘学晶 | 任波 | 聂云辉 | 付大勇 | 朱卫华 | 范文杰 | 王亮 | 侯玉珍 | 徐焕
深部煤炭安全开采与环境保护国家重点实验室，淮南矿业（集团）有限责任公司，中国淮南 232000