（1）提出了微生物发酵法合成生物抑尘剂的思路与方法，有望为解决传统抑尘剂表面活性较低、成本高、难降解、环保性不足等问题提供新途径。
（2）揭示了发酵条件对生物抑尘剂合成产量的影响机制，初步建立了生物抑尘剂产量预测模型，获得了生物抑尘剂产量最大化的发酵工艺参数。
（3）在实验室合成了一种高表面活性的生物抑尘剂，初步探究了它的微观结构，分析了温度、酸碱度、盐度等环境参数对其界面性能的影响规律，实验证明了其优异的界面性能、环境耐受性和低浓度下的强润湿性能。
作 者
王和堂1，贺 胜2,3，章 琦1,2，赵 侠1,2
单 位
1. 中国矿业大学 矿山瓦斯粉尘灾害技术基础研究国家级专业中心实验室；2. 中国矿业大学 安全工程学院；3. 清华大学 工程物理系
研究背景
煤矿粉尘是煤炭生产过程中产生的固体微细颗粒的总称,其主要危害可归结为对健康、安全、环境3个方面的负面影响。①常导致尘肺病等职业病,严重损害煤矿工人的健康;②可发生煤尘爆炸,严重威胁矿井安全生产;③污染矿内和矿区周边环境,制约美丽矿山和矿区生态文明建设。因此,粉尘防治是煤炭工业安全、健康、绿色发展的重大需求。
为了防治煤矿粉尘危害,国内外开展了大量研究,研发了多种防尘技术, 其中湿式防尘是最常用的技术手段,即以水或水溶液作为润湿、黏结或凝并粉尘的介质,如煤层注水、喷雾降尘、湿式除尘器等。但由于煤尘具有较强的憎水性、水的表面张力较大,导致清水介质难以与煤尘有效结合,防尘效果不理想。抑尘剂(降尘剂)可以改善水对煤尘的亲和性,增强水介质对煤尘的润湿、黏结或凝并能力,提高降尘效率,因此成为粉尘防治领域的研究热点之一。
摘 要
抑尘剂(降尘剂)是提高水介质防尘降尘效率的重要途径,但目前煤矿应用的抑尘剂普遍为化学抑尘剂,存在表面活性较低、成本较高,降解性差、对环境有污染等问题。为此,提出研制高表面活性、天然环保的新一代抑尘剂———生物抑尘剂。
研发了枯草芽孢杆菌发酵合成生物抑尘剂BDS(Biological Dust Suppressant)的工艺,并采用响应面分析法和Design Expert软件分析了菌株高产的最优发酵条件;采用X 射线晶体衍射和红外光谱技术探究了BDS的晶体结构和官能团结构;采用表面张力仪测试BDS溶液的表面张力,研究了其在不同温度、酸碱度和盐度条件下的界面性能和环境耐受能力;采用界面流变仪和扫描电镜测试BDS 的润湿性能,并与化学抑尘剂AEO(Alcohol ethoxylate)进行了比较。
结果表明:对枯草芽孢杆菌进行活化、优选和培养可得到含有BDS的发酵液,然后采用酸化沉淀、超声萃取和减压蒸发方法对发酵液进行提纯,即可提取出BDS;在温度A=37.56℃、酸碱度B=7.99、摇床转速C=220r/min、接种量D=2.17%、装液量E=59.89mL的发酵条件下,BDS产量最大,达2.09g/ L;BDS结构上表现为各向同性,是一种具有长烷链和多肽结构的非晶体活性物质。
BDS的临界胶束质量浓度为30mg/L,较低的使用浓度即可将水的表面张力降至27mN/m以下,在较大的环境参数变化范围内(温度≤7℃、酸碱度5~9、NaCl质量分数≤15%),溶液表面张力仍保持在27~30mN/m;6mg/L(1/5临界胶束质量浓度)的BDS溶液与煤尘的接触角仅为11.19°,其润湿能力与500mg/ L( 临界胶束质量浓度) 的AEO溶液相比提高63.5%,表现出优异的润湿性能。研究工作有望为破解传统抑尘剂面临的表面活性和润湿能力较弱、生物降解性和环保性不足等难题提供借鉴。
部分图片
BDS合成工艺示意
界面流变仪(Tracker)
BDS产量预测模型规律性检验
发酵条件对BDS产量影响的显著性(温度、pH)
2种极端条件下的发酵特点
BDS结构特性
BDS环境耐受能力测试
AEO与BDS润湿性能比较
作者简介
王和堂，男，1985年12月生，湖南耒阳人，中共党员。研究生学历，博士（后），中国矿业大学教授，博士生导师。中国科协青年人才托举工程入选者（2017），孙越崎青年科技奖获得者（2018），全国高校矿业石油及安全工程领域优秀青年科技人才（2020），江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师（2019）。现任矿山瓦斯粉尘灾害技术基础研究国家级专业中心实验室副主任。兼任《煤炭学报》《International Journal of CoalScience & Technology》科学编辑，《International Journal of Mining Science and Technology》青年编委，中国职业安全健康协会通风安全与健康专业委员会青年常委。
从事粉尘防治与职业健康、通风与防灭火、空气污染控制等领域的研究工作。主持国家自然科学基金2项，国家重点研发计划子课题1项，中国博士后科学基金2项；作为骨干参与国家自然科学基金重点项目2项。研究成果获省部级（全国性行业协会）科学技术一等奖3项、二等奖5项；发表学术论文80余篇，其中SCI收录54篇（第一/通讯作者36篇，JCR一区35篇），入选热点论文1篇、高被引论文6篇；出版专著1部；获国家授权发明专利22件。曾任澳大利亚科廷大学博士学位论文评审专家，国际期刊《Advances in Polymer Technology》客座主编。是《Journalof Hazardous Materials》等20余本国际重要期刊的审稿人。曾在国务院学位委员会安全科学与工程学科评议组领导下，作为主要执笔人之一编制了《职业安全与健康》研究生核心课程指南。
来源：
王和堂,贺胜,章琦,等. 微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究[J]. 煤炭学报,2021,46(2):477-488.
WANG Hetang,HE Sheng,ZHANG Qi,et al. Experimental study on synthesis of biological dust suppressant by microbial fermentation[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):477-488.
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审核：常 琛
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