双子星表面活性剂辅助的湿法粉尘分离多尺度机制：用于减少铝锂合金粉尘中的氢气排放并提升安全性

《Separation and Purification Technology》：Multi-scale mechanism of Gemini surfactant-assisted wet dust separation for hydrogen emission reduction and safety enhancement in Al Li alloy dust removal

研究三种Gemini表面活性剂对铝锂合金粉尘水解氢生成的抑制效果，发现DMBBHDAB在20%用量下抑制率达92.38%，其机制涉及表面吸附与化学配位作用，并通过多尺度模拟验证结构-活性关系。

　　在现代工业、农业和日常生活中，铝（Al）和镁（Mg）金属材料发挥着重要作用。随着国防科技、航空航天、电子信息技术、船舶制造、导弹技术和核技术的发展，对具有更高强度、更优异性能以及适应复杂环境的铝镁材料需求不断上升。同时，全球能源消耗的增加和环境污染的加剧，使得减少燃料使用和排放成为构建经济高效社会的关键。铝-锂（Li）合金因其出色的性能和能源效率，已被广泛应用于航空航天和汽车制造领域。然而，随着铝锂合金需求的增加，其在社会发展中带来了显著的安全和环境挑战。特别是在合金加工过程中，铝锂合金粉尘（ALD）的积累成为职业健康危害和爆炸风险的重要来源。

在2025年，中国河北省某机械加工公司（Huachuan Machinery Processing Co., Ltd.）在进行铝合金打磨和研磨作业时，发生了一起粉尘爆炸事故，导致20名工人受伤。该公司采用了湿-干混合的粉尘收集方式，但由于湿系统中水分不足，粉尘在与水接触时引发了氢气的生成，进而导致自燃。静电在粉尘收集器中积累，以及加工过程中产生的高温热源共同触发了爆炸，这是粉尘收集系统爆炸的典型诱因。这表明，即便在采用湿式粉尘收集系统的情况下，氢气的生成仍可能成为安全隐患。

为了解决湿式和干式粉尘收集系统中的爆炸风险，已经采取了多种措施。干式粉尘收集系统通常采用惰化、爆炸抑制、隔离和排气等技术。尽管这些措施在一定程度上降低了爆炸发生的可能性，但金属粉尘在干式系统中仍频繁引发爆炸，且危害严重。湿式粉尘收集系统作为干式方法的替代方案，同样存在爆炸风险，主要源于粉尘腐蚀过程中氢气的生成。目前的安全措施包括强制通风、氢气浓度监测和水位报警系统。然而，由于机械系统的固有不可靠性，要从根本上预防爆炸，必须抑制金属颗粒在水中的腐蚀引发的氢气生成。因此，探索抑制氢气生成的方法不仅能够解决湿式粉尘收集系统中的氢气爆炸问题，还为干式系统的粉尘爆炸风险控制提供了更安全、更高效的解决方案。

研究表明，将化学试剂（称为氢气抑制剂）添加到湿式粉尘收集系统中的水中，能够有效抑制由铝粉尘引起的腐蚀生成氢气。目前，氢气抑制剂的发展主要集中在无机和有机化合物上。无机抑制剂，如磷酸钠、钨酸钠和硅酸钠，通过在金属粉尘表面形成保护性沉淀膜来发挥作用。有机抑制剂则通过物理和化学相互作用在粉尘表面形成吸附膜，从而阻止水与粉尘的直接接触。由于有机抑制剂具有环境友好和可持续的特性，它们在实际应用中更为广泛，包括生物聚合物、植物提取物、氨基酸和有机酸盐等。表面活性剂作为一种两亲性化合物，包含亲水性和疏水性部分。亲水性部分通常由带电的离子头和不带电的极性基团组成，而疏水性部分则通常由碳氢链构成。表面活性剂展现出多种功能特性，如乳化、润湿、增溶、分散和起泡，广泛应用于矿物浮选、石油开采、腐蚀抑制和生物杀菌等领域。

Gemini表面活性剂，也称为双分子表面活性剂，是由两个单链表面活性剂通过连接基团相连而成。连接基团能够将两个活性分子的亲水部分化学连接，从而减少极性基团之间的静电排斥，并增强分子内和分子间的疏水相互作用。这些结构特征赋予Gemini表面活性剂独特的性能，包括较低的临界胶束浓度、增强的润湿能力和更优异的表面活性。Gemini表面活性剂根据其在溶液中的离子化特性，可以分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型。其中，阳离子型Gemini表面活性剂因其易于合成和良好的生物降解性，被广泛应用于腐蚀抑制领域。

阳离子型Gemini表面活性剂的结构特性与其连接基团密切相关，连接基团的长度、亲水性与疏水性的平衡以及刚性或柔性对它们的功能性产生重要影响。已有研究表明，1,3-双（十二烷基二甲基氯化铵）丙烷在盐酸溶液中对冷轧钢具有优异的腐蚀抑制性能。此外，乙基双（十八烷基二氧乙烯铵氯化物）在两种类型的酸性溶液（盐酸和硫酸）中对钢的腐蚀抑制效率分别达到92.9%和91.5%。不对称Gemini表面活性剂在酸性环境中的腐蚀抑制效果也受到关注，研究表明，随着分子不对称性的增加，其抑制效率显著提高。连接基团长度不同的阳离子型表面活性剂在铁的腐蚀抑制中表现出不同的效果，较短的连接基团能够提供更优异的性能。而具有羟基连接基团的Gemini表面活性剂在对低碳钢的腐蚀抑制中表现出高达95.67%的峰值效率。

综上所述，尽管已有大量研究聚焦于阳离子型Gemini表面活性剂的腐蚀抑制性能，但仍需进一步探讨它们在氢气抑制方面的效果，特别是与传统阳离子型表面活性剂在不同连接基团和头基团结构下的对比，以及在宏观、分子和原子尺度上的多尺度机制。本研究选择了三种阳离子型Gemini表面活性剂——乙基双（十六烷基二甲基溴化铵）（EBHDAB）、乙基双（十六烷基聚氧乙烯铵溴化物）（EBHPAB）以及二乙基马来酸桥连双（十六烷基二甲基溴化铵）（DMBBHDAB），其分子结构如图1所示。这三种Gemini表面活性剂均具有典型的分子结构，包括双亲水性的季铵盐头基团和长链疏水性烷基尾。这种两亲性结构使它们能够通过头基团的强静电相互作用和潜在配位作用吸附到金属表面，而疏水性尾则有助于形成阻止氢气渗透和生成的屏障层。

与EBHDAB的刚性头基团结构相比，EBHPAB具有更极性和更柔性的亲水性部分，而DMBBHDAB则具有一个包含独特二乙基马来酸基团的连接基团。通过系统比较这些结构相近的Gemini表面活性剂，本研究旨在阐明亲水性头基团的极性和柔性，以及连接基团的化学结构和刚性如何影响它们在金属表面的吸附行为和氢气抑制性能。为了比较不同分子结构的Gemini表面活性剂在ALD上的氢气抑制性能，本研究结合了理论模拟和实验研究。量子化学（QC）计算和分子动力学（MD）模拟被用于系统研究三种Gemini抑制剂——EBHDAB、EBHPAB和DMBBHDAB——在铝（111）和铝锂（220）表面的活性位点、吸附行为和结合能。通过分析这些分子在ALD表面的吸附动力学和关键结构特征，本研究旨在阐明Gemini表面活性剂抑制ALD氢气生成的机制。

此外，宏观尺度的氢气抑制实验评估了这三种Gemini表面活性剂在不同浓度下的抑制效率，并拟合了等温吸附模型以解释实验数据。随后，分析了未添加抑制剂和添加抑制剂的ALD的化学动力学参数。为了研究添加Gemini表面活性剂后ALD的表面形貌、分子结构、元素分布和表面化合物组成，本研究采用了扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）等技术。通过整合理论计算、动力学分析和多尺度表征，本研究旨在阐明Gemini表面活性剂在抑制ALD氢气生成中的结构-活性关系，并为反应性金属粉尘的安全收集和储存提供机制性见解和理论基础。

在实验材料和设备部分，本研究使用的ALD来自江苏南京材料研究研究所。通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）分析，发现ALD中的锂含量为2.33%，其余主要由铝组成。激光粒度分析显示，ALD的中位粒径约为10微米。而三种Gemini表面活性剂——EBHDAB、EBHPAB和DMBBHDAB——则由河南郑州新材料有限公司提供，其固含量为50%±2%，呈黄色至其他颜色的粉末状。为了确保实验的准确性，所有样品均经过严格的质量控制和预处理，以排除杂质对实验结果的干扰。

在量子化学计算和分子动力学模拟部分，本研究分析了EBHDAB、EBHPAB和DMBBHDAB的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）。HOMO和LUMO是分子轨道理论中的基本概念，用于描述电子能量水平的分布。HOMO因其较弱的电子结合能力，通常作为电子供体，而LUMO由于其较强的电子亲和能力，通常作为电子受体。图2(a)-(i)展示了这三种Gemini表面活性剂的优化分子结构、HOMO分布和LUMO分布。在三种表面活性剂中，DMBBHDAB的HOMO分布显示出更强的电子供体特性，而EBHDAB的LUMO分布则显示出更强的电子受体特性。这种电子分布的差异可能影响它们在金属表面的吸附行为和氢气抑制效果。

此外，通过分子动力学模拟，研究了这三种Gemini表面活性剂在ALD表面的吸附行为和结合能。模拟结果显示，DMBBHDAB在ALD表面的吸附能最高，其次是EBHPAB和EBHDAB。这种吸附能的差异可能与其头基团的结构和连接基团的化学特性有关。DMBBHDAB的头基团具有较强的静电相互作用能力，而EBHPAB的头基团则具有更灵活的结构，可能影响其在金属表面的吸附行为。这些模拟结果与实验数据相互印证，表明DMBBHDAB在抑制氢气生成方面具有更优异的性能。

在讨论部分，本研究系统探讨了三种Gemini表面活性剂的抑制性能及其结构-性能关系。通过结合分子动力学模拟、量子化学计算和表面表征实验，研究发现，尽管分子动力学模拟预测的吸附能排名为DMBBHDAB > EBHPAB > EBHDAB，但实验数据显示，DMBBHDAB在氢气抑制方面的表现最为突出。实验表明，DMBBHDAB在20%的添加量下，能够实现高达92.38%的抑制效率，将氢气转化度从0.2573降低至0.0196，并将氢气生成速率降至3.1656×10??，接近于零。相比之下，EBHDAB和EBHPAB在氢气抑制方面的效率较低，分别为约75.2%和82.1%。这种差异可能与其头基团的结构和连接基团的化学特性有关，特别是DMBBHDAB的头基团通过其不饱和键和杂原子与ALD形成稳定的金属配合物，从而有效抑制氢气的生成。

进一步的分析表明，这三种Gemini表面活性剂在ALD表面的吸附行为均遵循弗伦德利希模型。结合分子动力学模拟，EBHDAB和EBHPAB采用多层、平行吸附的结构，而DMBBHDAB则通过其季铵盐头基团的强吸附作用，形成多层垂直结构。这种结构差异可能影响它们在金属表面的吸附行为和氢气抑制效果。DMBBHDAB的垂直吸附结构能够形成更稳固的吸附层，从而有效阻止氢气的渗透和生成。相比之下，EBHDAB和EBHPAB的平行吸附结构可能在吸附层的稳定性方面稍逊一筹。

此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析，研究确认了DMBBHDAB通过其不饱和键和杂原子与ALD形成稳定的金属配合物。这种配合物能够有效保护粉尘表面，防止氢气的生成和渗透。相比之下，EBHDAB和EBHPAB虽然也能够通过头基团与ALD形成一定的吸附作用，但其形成的配合物稳定性较低，难以有效抑制氢气的生成。因此，DMBBHDAB在氢气抑制方面的表现优于其他两种Gemini表面活性剂。

本研究的结论表明，三种Gemini表面活性剂在抑制铝锂合金粉尘氢气生成方面均展现出一定的效果，其中DMBBHDAB表现最为突出。理论计算表明，Gemini表面活性剂具有内在的化学活性，其疏水性链能够通过物理吸附和化学相互作用与ALD表面结合，从而形成有效的吸附层。实验数据进一步支持了这一结论，表明DMBBHDAB在抑制氢气生成方面具有更优异的性能。此外，通过多尺度表征和理论模拟，研究揭示了Gemini表面活性剂在抑制氢气生成中的结构-活性关系，为反应性金属粉尘的安全收集和储存提供了理论基础和实践指导。

在作者贡献部分，Tengteng Hao负责原始撰写、方法论、数据管理和概念设计；Haojie Wang负责验证、监督和调查；Kaili Xu负责审阅和编辑以及资金获取。所有作者均对研究的各个阶段做出了贡献，包括实验设计、数据收集、分析和解释，以及论文的撰写和修改。在利益冲突声明中，作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的报告。最后，在致谢部分，本研究得到了国家自然科学基金（52074066）的支持。我们感谢eceshi（www.eceshi.com）提供了FTIR、XPS和XRD的分析服务。同时，我们对Scientific Compass（www.shiyanjia.com）提供的SEM-EDS和TOF-SIMS表示感谢。这些支持对于本研究的顺利进行起到了重要作用，使得实验数据的获取和分析得以顺利完成。