发酵生物粉尘抑制剂的发泡性能与界面吸附机制

时间：2026年2月18日

来源：Process Safety and Environmental Protection

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生物发酵粉尘抑制剂的制备与发泡性能研究及机理分析，采用微生物发酵技术制备新型环保粉尘抑制剂FBDS，通过泡沫扫描仪和液相色谱-质谱联用技术分析其发泡性能和分子结构，发现0.15‰浓度的FBDS与0.3‰聚合物协同作用时发泡效果最优，界面张力降至27 mN/m，并揭示了阳离子基团与聚合物三维网络结构对泡沫稳定性的增强机制。

张琪|王赫堂|王宇航|杨胜元|李晓娟|杨盼盼

中国矿业大学煤矿灾害防治国家重点实验室，徐州 221116，中国

摘要

颗粒物的控制对于生态保护和工业安全都至关重要。在湿法降尘技术中，使用抑尘剂是提高颗粒物捕获效率的关键。为了解决传统化学抑尘剂的局限性，如表面活性有限和环保性能不佳的问题，本研究提出了一种通过微生物发酵制备的发酵生物抑尘剂（FBDS），旨在实现高效且环保的粉尘控制。使用 Foamscan 评估了 BDS 的发泡性能和聚合物的增强效果，并通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对其分子结构进行了表征。界面流变仪用于测定临界胶束浓度（CMC），并从分子结构和吸附动力学的角度阐明了其作用机制。结果表明，在 FBDS 浓度为 0.15‰ 和聚合物浓度为 0.3‰ 时，获得了最佳的发泡能力、泡沫半衰期和排水半衰期。在 CMC 下，表面张力为 27 ± 0.5 mN/m，最大表面过剩浓度达到 4.75 × 10⁻⁵ mol/m²，显示出优异的界面活性。聚合物的添加通过在液膜内形成三维网络结构增强了泡沫稳定性，而阴离子基团减少了 FBDS 中的分子间排斥力，从而提高了气液界面的吸附强度。本研究为开发高性能、环保的抑尘材料奠定了基础，有助于减轻职业健康风险和环境污染。

引言

颗粒物是一种对生态环境、工业生产和人类健康构成重大威胁的污染物（Zhang 等人，2025；Brodny 和 Tutak，2021；Dinçer 等人，2024；Fang 等人，2020；Jin 等人，2024）。作为细颗粒物的一种，粉尘不仅直接影响空气质量，而且在自然条件下还可以以气溶胶的形式传播到周围地区，污染土壤和水体，对当地生态系统造成长期损害（De Marco 等人，2019；Ding 等人，2024）。粉尘在植被表面的大量沉积会阻碍正常的光合作用，影响植物生长和土壤肥力，导致生态系统失衡和退化。在工业过程中，大量的粉尘（例如煤尘、金属粉末）在遇到明火时容易引发粉尘爆炸（Tian 等人，2025；Yu 等人，2025；Zhao 等人，2024）。与其他灾害事件不同，粉尘爆炸尤其具有破坏性。一旦发生初次爆炸，冲击波和火焰会扰乱周围环境，可能引发其他积聚粉尘层的爆炸，导致连锁反应和二次爆炸（Gao 等人，2025）。此外，工人在操作过程中极易吸入大量粉尘颗粒。这些主要由矿石、煤炭、金属或矿物颗粒组成的微小碎片悬浮在空气中，被吸入呼吸系统，并沉积在气道、细支气管和肺泡等部位（Sun 等人，2025；Liu 等人，2023）。这些颗粒难以被身体清除，逐渐积累并在肺组织中引发炎症反应，导致炎症细胞的聚集和激活。长期暴露于矿尘可能导致肺部组织纤维化、瘢痕组织形成，并发展为尘肺病（Yu 等人，2025）。因此，有效的粉尘控制是确保工业安全、健康和可持续发展的关键要求（Peng 等人，2026；Cheng 等人，2025；Ding 等人，2025；Gao 等人，2025）。

湿法降尘是广泛采用的粉尘控制方法（Wang 等人，2025；Han 等人，2024；Yang 等人，2024；Zhang 等人，2022）。其主要原理是利用水或水溶液湿润、结合或聚集粉尘颗粒（Yuan 等人，2021；Zhang 等人，2025）。使用抑尘剂是提高湿法降尘效率的关键。传统的抑尘剂主要由化学物质组成。全球研究人员对各种抑尘剂进行了研究，包括基于无机盐和表面活性剂的抑尘剂以及化学改性的共聚物（Li 等人，2025）。基于无机盐和表面活性剂的化学抑尘剂主要通过盐的吸湿性和表面活性剂的表面活性发挥作用。这些材料降低了溶液的表面张力，加速了其对粉尘的渗透和湿润，同时无机盐增强了抑尘介质的吸湿性和保水能力，从而提高了整体粉尘去除效率（Geng 等人，2026；Han 等人，2025；Tao 等人，2024）。例如，为了治理碎石路上的粉尘污染，Promothes Saha 等人开发了基于氯化钙和氯化镁的抑尘剂并评估了其效果（Saha 和 Ksaibati，2022）。为了减少露天铜矿爆破作业产生的酸性气体中的粉尘，Jafar 等人制备了一种由酸化离子水和氢氧化钙组成的抑尘剂，通过提高溶液 pH 值和促进颗粒聚集来增强粉尘捕获（Abdollahisharif 等人，2016）。为了提高煤炭的润湿性，学者们还系统研究了不同浓度的无机盐絮凝剂（Al₂(SO₄)₃）与阳离子表面活性剂十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）的组合（Liu 等人，2025）。由于制备方法简单，基于无机盐和表面活性剂的抑尘剂在粉尘控制中得到广泛应用。然而，这些主要由无机盐和化学表面活性剂组成的抑尘剂通常具有有限的界面活性和增强水润湿性的能力（Yu 等人，2025；Zhang 等人，2023）。界面活性的局限性在于它们相对较高的表面张力以及降低气液界面能量的能力有限。

接枝共聚化化学修饰涉及在聚合过程中连接两种或更多不同的单体链，使所得共聚物具有独特的性质和新功能（Liu 等人，2021）。采矿粉尘控制领域的研究人员在这方面取得了显著进展。Medeiros 等人从生物柴油中提取了与聚乙烯醇结构相似的甘油，并用它进行聚合，制备了一种用于控制铁矿石运输过程中粉尘的抑尘剂（Medeiros 等人，2012）。尽管这些关于化学改性抑尘剂的研究取得了重要成果并推动了抑尘材料的发展，但它们的合成主要依赖于化学反应，这些反应往往具有较差的生物降解性。此外，化学修饰通常增强了抑尘剂的粘附性和聚集能力，但对提高其对粉尘的润湿性作用有限。通常需要加入额外的化学表面活性剂来增强湿润性能，从而增加了化学试剂的消耗，削弱了采矿作业中的绿色和可持续粉尘控制（Huang 等人，2026）。

生物抑尘剂是一类最近开发的粉尘控制材料（Zhou 等人，2023；Wang 等人，2021）。与化学抑尘剂相比，它们具有天然的生物降解性、高表面活性，以及潜在的无毒性和无害性，使其成为下一代抑尘剂的发展方向（Wang 等人，2025；Zhang 等人，2025）。因此，我们提出了一种通过微生物发酵合成生物抑尘剂的创新方法，利用细菌的次级代谢产生目标化合物。FBDS 是通过微生物发酵生产的，其活性成分是微生物次级代谢产物，这些产物通常被认为具有环境兼容性和天然生物降解性。因此，这种方法不仅利用了微生物发酵的高安全性和低环境影响，确保了产品的自然环境兼容性和无毒性，还利用了生物抑尘泡沫的优点，如大的表面积和出色的液体承载能力，有效管理粉尘，特别是那些小而分散且难以捕获的细颗粒。需要强调的是，FBDS 是一种发酵衍生的多组分生物抑尘剂，其性能源于混合生物活性物质的协同作用，而不是单一纯化的表面活性剂，这使其与传统的生物表面活性剂或合成抑尘剂有根本不同。基于之前开发的发酵生物抑尘剂，本研究探讨了其发泡性能，研究了通过添加聚合物来增强泡沫抑制效率的方法，并从分子结构和生物抑尘剂的吸附动力学的角度深入探讨了其作用机制（如图 1 所示）。目的是阐明微生物合成生物抑尘剂的发泡性能和气液界面吸附动力学，从而为绿色、高效和无害的粉尘控制材料的发展做出贡献。

部分片段

发酵生物抑尘剂的制备

本研究中使用的发酵生物抑尘剂（FBDS）是一种自开发的微生物发酵衍生的发泡剂。它是使用自开发的双重发酵合成实验装置生产的。使用的菌株为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。首先，将筛选出的工程菌株接种到 LB 培养基中，在 37 °C 的恒温摇床中以 180 r/min 的摇动速度培养 48 小时，初始 pH 值为 7。随后，取一部分种子

FBDS 的发泡性能

如图 2 所示，测试了 FBDS 在低浓度（Ⅰ，0.1‰）、中等浓度（Ⅱ，0.15‰）和高浓度（Ⅲ，0.2‰）下的发泡能力。结果表明，FBDS 的发泡能力随浓度增加而提高，从 0.1‰ 时的 0.62 增加到 0.15‰ 时的 1.02，然后在 0.2‰ 时趋于稳定（1.04）。这表明在低浓度下发泡能力较弱，随着浓度增加而最初增强，最终趋于稳定。为了更好地理解