关于用没食子酸改性的海藻酸钠水凝胶在露天煤矿中抑尘性能的研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Study on the dust suppression performance of sodium alginate hydrogel modified with gallic acid in open-pit coal mines

水凝胶粉尘抑制剂XPSG通过SA/PAM共价交联与GA的氢键/π-π相互作用构建三维网络，显著降低表面张力（28.63 mN/m）、增大接触角（28.9°）并提升ζ电位（-58.49 mV），实现98%以上PM10/PM2.5抑制效率。机理研究表明GA的多酚羟基增强水煤界面氢键网络，量子计算证实电子互作用促进热稳定性（57.0 HA硬度）和风蚀抗性（50℃下6小时持水率＞40%）。

　　
该研究针对露天煤矿开采中煤尘污染问题，提出了一种基于天然聚合物复合的水凝胶型新型抑尘剂（XPSG）。研究团队通过整合钠羧甲基纤维素（SA）、聚丙烯酰胺（PAM）和没食子酸（GA）三种功能组分，构建了具备三维协同网络结构的环保型抑尘材料。创新性地引入GA作为分子增强剂，通过多组氢键和π-π堆积作用强化材料网络稳定性，显著提升了抑尘性能和环境适应性。

研究显示，XPSG抑尘剂在10米/秒风速下对PM10和PM2.5的抑制效率超过98%，其水保持能力在50℃环境温度下经6小时作用仍能维持40%以上水分含量，抗压强度达57HA。微观结构分析表明，材料表面形成了连续致密的保护膜，煤粉比表面积从3250-4000 m2/g降至3.1-3.9 m2/g，有效抑制了二次扬尘。

核心创新点体现在三个方面：首先，构建了"自由基聚合-离子配位-酚羟基协同"的三重交联网络，通过APS引发剂实现PAM与SA的共价交联，同时利用Ca2?介导的离子配位和GA的酚羟基与矿物质的电子相互作用形成多重稳定机制。其次，采用量子化学计算揭示了分子间作用力的协同效应，GA分子中的三个邻位酚羟基通过氢键网络与SA的羧基及PAM的酰胺基团形成立体构型，这种三维交联结构显著增强了材料的环境耐受性。

性能测试表明，该材料具有卓越的界面适应性：表面张力降低至28.63 mN/m，煤尘接触角降至28.9°，亲水特性使其能快速浸润粉尘颗粒。在模拟井下环境（温度50℃、风速10m/s）的连续6小时测试中，抑尘剂形成的保护膜硬度达57HA，远超传统抑尘剂（通常不足20HA）。BET表征显示材料表面形成了纳米级致密层，使煤尘颗粒接触面积减少83%，有效阻断了粉尘二次飞扬。

该研究突破传统抑尘剂"高耗水-短时效"的局限，通过天然高分子材料的协同效应实现了三大性能提升：1）界面润湿性能提升58%（接触角从传统材料的65°降至28.9°）；2）水保持能力突破传统材料的两倍（40% vs 15-25%）；3）抗风蚀强度提高2.8倍（57HA vs 20-25HA）。特别值得关注的是，材料中引入的没食子酸具有天然防腐特性，经实验室加速老化测试显示其抑尘效果维持周期超过180天，解决了现有抑尘剂易受微生物分解导致的性能衰减问题。

在应用场景方面，研究建立了"矿物成分-掺杂比例-润湿效果"的定量优化模型，通过掺杂SiO?和AlOOH矿物形成复合表面层，使抑尘剂在复杂工况下的稳定性提升37%。环境友好性方面，该材料生物降解率可达92%，在模拟雨水冲刷测试中仍保持85%以上的抑尘效率，符合绿色矿山建设要求。

该成果为煤炭开采行业提供了创新解决方案：在开采过程中直接喷洒XPSG材料，可快速形成纳米级保护膜（厚度约20-30nm），通过氢键网络和离子配位作用实现粉尘颗粒的物理吸附和化学键合。这种"分子级锚定"机制有效解决了传统抑尘剂因机械强度不足导致的表面结壳脱落问题。经山西某大型露天矿实地测试，连续使用该材料可使PM2.5浓度降低至0.03mg/m3（国标限值为0.07mg/m3），粉尘爆炸风险指数下降42%，同时减少水资源消耗达75%。

研究团队还构建了多维度评估体系：采用扫描电镜（SEM）直观展示材料表面形成的连续膜结构；通过比表面积测试（BET）量化分析粉尘颗粒的物理吸附状态；运用分子动力学模拟揭示材料与粉尘颗粒的界面作用机制。特别开发的"四相协同"抑尘模型（水相-固相-气相-微生物相）为后续研究提供了理论框架。

该技术的经济性评估显示，每吨XPSG材料的成本较进口同类产品降低32%，且通过复用技术（回收率可达78%）可实现循环应用。在山西大同某矿区推广后，不仅解决了传统抑尘剂需要频繁补喷的问题（维护周期从7天延长至60天），更使矿区PM10年均浓度下降至28μg/m3，达到世界卫生组织指导标准（35μg/m3）以下，显著提升了作业环境和工人健康水平。

研究还提出了"分子设计-宏观性能"的转化机制：通过调控SA、PAM与GA的摩尔比（最优配比1:1:0.3），可使材料形成特定交联密度（10? crosslink/m3），这种微观结构的精确控制直接决定了宏观性能的突破。量子化学计算表明，GA分子中的氧原子与PAM的酰胺基团形成氢键网络，其结合能较单一聚合物体系提升1.8倍，从而增强材料的热稳定性（耐温性达85℃）。

该成果的工程应用价值体现在三个方面：首先，材料的多孔结构（孔隙率42%）可促进水分渗透与保持的平衡；其次，表面负电位（-58.49mV）与煤尘颗粒的正电荷形成静电吸附，增强物理阻隔效果；最后，材料中的天然抑菌成分使微生物滋生减少67%，有效抑制了传统抑尘剂喷洒后形成的生物膜降解问题。

未来研究可拓展至以下方向：1）开发耐极端温度（-20℃至60℃）的复合抑尘剂；2）研究材料在含硫粉尘环境中的耐腐蚀性能；3）构建基于物联网的智能抑尘系统，实现抑尘效果实时监测与动态调控。该技术体系为全球露天煤矿粉尘治理提供了可复制的技术范式，对"双碳"目标下传统行业的绿色转型具有重要示范意义。