DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34252-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41530285
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Chunxiao Qi وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات الهوائية وتأثيراتها
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة البحثية صياغة مادة مثبطة للغبار قابلة للتحلل البيولوجي بالكامل، قائمة على الماء، مصممة للاستخدام في البيئات المعرضة للغبار مثل مناجم الفحم المفتوحة، والأراضي الحضرية العارية، ومواقع البناء. تستخدم المادة المركبة صمغ الزانثان (XG) كعامل ربط، والجليسرول (GLY) للاحتفاظ بالرطوبة، والبوليجلوكوزيد الألكيلي (APG) كعامل خافض للتوتر السطحي. من خلال تجارب العامل الواحد ومنهجية سطح الاستجابة (RSM)، تم تحديد نسبة الكتلة المثلى كالتالي: 0.15% XG، 5.0% GLY، و0.13% APG، مما أدى إلى لزوجة قدرها 207.82 مPa·s، ومعدل احتفاظ بالرطوبة قدره 84.27% بعد 14 ساعة عند 25 درجة مئوية و43% رطوبة نسبية (RH)، وتوتر سطحي قدره 27.4 mN/m.
تشير النتائج إلى أن المثبط المطور للغبار يظهر احتفاظًا كبيرًا بالرطوبة ومقاومة للتآكل بفعل الرياح، حتى في درجات الحرارة المرتفعة. على وجه الخصوص، عند 40 درجة مئوية، ظل معدل احتفاظ الرطوبة عند 63.2% بعد 14 ساعة، مما يوضح الخصائص الفعالة لمكافحة التبخر في التركيبة. تستنتج الدراسة أن نماذج RSM التي تم إنشاؤها للزوجة، واحتفاظ الرطوبة، والتوتر السطحي موثوقة وذات دلالة، مما يؤكد على إمكانية استخدام المادة المركبة في التطبيقات العملية للحد من الغبار في ظروف بيئية متنوعة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية المهمة لتلوث الغبار في الصين، والتي تفاقمت بسبب التصنيع السريع والتحضر، خاصة في المناطق ذات الأسطح المكشوفة مثل المناجم المفتوحة ومواقع البناء. غالبًا ما تتجاوز تركيزات الجسيمات العالقة (PM10 وPM2.5) في هذه المناطق الحدود المحددة من قبل معايير جودة الهواء المحيط (GB 3095–2012)، حيث تصل المستويات المسجلة إلى مئات إلى أكثر من ألف ميكروغرام لكل متر مكعب. تظهر طرق تثبيط الغبار التقليدية، التي تعتمد بشكل أساسي على رش الماء، أنها غير فعالة، حيث لا تتجاوز مدة التثبيط 0.5 ساعة لكل طن من الماء، ويزيد استهلاك الماء السنوي عن \(2 \times 10^8 \, \text{م}^3\) في المناطق التعدينية الشمالية. كما أن التحديات الموسمية، مثل درجات الحرارة المتجمدة في الشتاء والتبخر السريع في الصيف، تقلل من فعالية هذه الطرق.
لمعالجة هذه التحديات، استكشف الباحثون مجموعة متنوعة من المثبطات الكيميائية للغبار، بما في ذلك الأملاح غير العضوية (مثل CaCl₂، MgCl₂)، والبوليمرات الاصطناعية (مثل بولي أكريلات الصوديوم، بولي فينيل الكحول)، والعوامل الخافضة للتوتر السطحي (مثل SDBS، OP-10). تهدف هذه البدائل إلى تعزيز مدة تثبيط الغبار مع تقليل استهلاك الماء، وبالتالي معالجة التناقض الحرج المتمثل في “ارتفاع استهلاك الماء وانخفاض الكفاءة” المرتبط بالطرق التقليدية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام نهج تجريبي شامل لتقييم وتحسين مثبط الغبار المركب في موقع بناء. شمل أخذ العينات تقنية متعرجة مع تسعة نقاط محددة، حيث تم جمع التربة السطحية من منطقة تبلغ مساحتها 5 أمتار مربعة باستخدام مكنسة. تضمنت تصميم التجربة تجارب لعامل واحد لتقييم تأثيرات تركيزات مختلفة من العامل الرابط (XG)، والعامل المرطب (BG)، والعامل الخافض للتوتر السطحي (MEGA) على مقاييس الأداء الرئيسية، بما في ذلك اللزوجة، ومعدل احتفاظ الرطوبة، والتوتر السطحي. تم إنشاء مجموعات تحكم باستخدام ألجينات الصوديوم، وبيوتانديول، والبوليجلوكوزيد الألكيلي، على التوالي، لتقييم أداء المواد المختارة.
بعد تجارب العامل الواحد، تم استخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتحسين صياغة المثبط للغبار. باستخدام برنامج Design Expert 13، تم تنفيذ تصميم Box-Behnken، الذي يتضمن ثلاثة متغيرات مستقلة (العامل الرابط، المرطب، العامل الخافض للتوتر السطحي) وثلاثة متغيرات استجابة (اللزوجة، معدل احتفاظ الرطوبة، التوتر السطحي). تضمنت تصميم التجربة 17 نقطة، مما يعكس بشكل فعال مساحة التصميم ويوضح العلاقات بين العوامل وتأثيراتها على أداء المثبط للغبار. توفر نتائج هذه التجارب، الموضحة في الجدول 2، رؤى حول التركيزات المثلى لتحقيق الخصائص الفيزيائية المرغوبة للمثبط للغبار.
نتائج
في قسم النتائج، تقدم الدراسة نتائج من تجارب لعامل واحد تهدف إلى تصنيف مقاييس الأداء. تكشف التحليلات عن اختلافات كبيرة في نتائج الأداء بناءً على تعديل العوامل الفردية. تم تقييم تأثير كل عامل بشكل منهجي، مما يوفر رؤى حول مساهماتهم المختلفة في الأداء العام.
تشير النتائج إلى أن بعض العوامل تظهر تأثيرًا بارزًا على الأداء، بينما يظهر البعض الآخر تأثيرًا ضئيلًا. يبرز هذا التأثير التفاضلي أهمية التعديلات المستهدفة في تصميم التجربة لتحسين نتائج الأداء. تسهم النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية المعنية، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف والتنقيح في الدراسات اللاحقة.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التحديات المرتبطة بطرق تثبيط الغبار التقليدية، التي غالبًا ما تؤدي إلى مشاكل بيئية مثل تآكل المعدات وتملح التربة. لقد أدت الحاجة إلى بدائل “خضراء وفعالة ومنخفضة التكلفة” إلى دفع البحث في المواد المستندة إلى البيولوجيا. استكشفت دراسات متنوعة تركيبات من البوليمرات الطبيعية، لكنها غالبًا ما تكافح لتحقيق توازن مثالي بين الأداء والسلامة البيئية. على سبيل المثال، بينما قام Zhang وآخرون بتمديد مدة تثبيط الغبار باستخدام السليلوز الكربوكسي ميثيل وبولي أكريلاميد، تجاوزت مدة التحلل 90 يومًا. وبالمثل، أظهرت تركيبات أخرى تحسينات في التوتر السطحي لكنها أدت إلى زيادة انبعاثات الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD).
يقترح المؤلفون نظامًا تآزريًا ثلاثيًا باستخدام صمغ الزانثان (XG)، والجليسرول (GLY)، والبوليجلوكوزيدات الألكيلية (APG) لتعزيز فعالية تثبيط الغبار مع ضمان القابلية للتحلل البيولوجي. يعمل XG كعامل ربط وتشكيل الأفلام، بينما يعمل GLY كعامل للاحتفاظ بالرطوبة، ويقلل APG من التوتر السطحي. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تحقيق منهجي في النسب المثلى والفعالية طويلة الأمد لهذه المادة المركبة تحت ظروف متنوعة، خاصة في البيئات التعدينية. تشير النتائج إلى أن التركيبة المقترحة لا تلبي فقط المعايير البيئية ولكنها أيضًا تحسن بشكل كبير من احتفاظ الرطوبة ومقاومة التآكل بفعل الرياح، مما يوفر حلاً مستدامًا للسيطرة على الغبار في التطبيقات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34252-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41530285
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Chunxiao Qi et al.
Primary Topic: Aeolian processes and effects
Overview
This research paper details the formulation of a fully biodegradable, water-based composite dust suppressant designed for use in dust-prone environments such as open-pit coal mines, urban bare lands, and construction sites. The composite utilizes xanthan gum (XG) as a binding agent, glycerol (GLY) for moisture retention, and alkyl polyglucoside (APG) as a surfactant. Through single-factor experiments and response surface methodology (RSM), the optimal mass ratio was established as 0.15% XG, 5.0% GLY, and 0.13% APG, yielding a viscosity of 207.82 mPa·s, a moisture retention rate of 84.27% after 14 hours at 25 °C and 43% relative humidity (RH), and a surface tension of 27.4 mN/m.
The findings indicate that the developed dust suppressant exhibits significant moisture retention and wind erosion resistance, even under elevated temperatures. Specifically, at 40 °C, the moisture retention rate remained at 63.2% after 14 hours, demonstrating the formulation’s effective anti-evaporation properties. The study concludes that the established RSM models for viscosity, moisture retention, and surface tension are reliable and significant, confirming the composite’s potential for practical applications in mitigating dust in various environmental conditions.
Introduction
The introduction highlights the significant issue of dust pollution in China, exacerbated by rapid industrialization and urbanization, particularly in areas with exposed surfaces like open-pit mines and construction sites. The concentrations of particulate matter (PM10 and PM2.5) in these regions frequently exceed the limits set by the Ambient Air Quality Standards (GB 3095–2012), with recorded levels reaching hundreds to over a thousand micrograms per cubic meter. Traditional dust suppression methods, primarily water sprinkling, are shown to be inefficient, with a suppression duration of less than 0.5 hours per ton of water and an annual water consumption exceeding \(2 \times 10^8 \, \text{m}^3\) in northern mining areas. Seasonal challenges, such as freezing temperatures in winter and rapid evaporation in summer, further diminish the effectiveness of these methods.
To address these challenges, researchers have explored various chemical dust suppressants, including inorganic salts (e.g., CaCl₂, MgCl₂), synthetic polymers (e.g., sodium polyacrylate, polyvinyl alcohol), and surfactants (e.g., SDBS, OP-10). These alternatives aim to enhance the duration of dust suppression while reducing water usage, thereby addressing the critical contradiction of “high water consumption and low efficiency” associated with conventional methods.
Methods
In this study, a comprehensive experimental approach was employed to evaluate and optimize a composite dust suppressant at a construction site. The sampling involved a serpentine technique with nine designated points, where surface soil was collected from a 5 square meter area using a broom. The experimental design consisted of single-factor experiments to assess the effects of varying concentrations of binder (XG), humectant (BG), and surfactant (MEGA) on key performance metrics, including viscosity, moisture retention rate, and surface tension. Control groups were established using sodium alginate, butanediol, and alkyl polyglucoside, respectively, to benchmark the performance of the selected materials.
Following the single-factor experiments, response surface methodology (RSM) was utilized to optimize the formulation of the dust suppressant. Using Design Expert 13 software, a Box-Behnken design was implemented, incorporating three independent variables (binder, moisturizer, surfactant) and three response variables (viscosity, moisture retention rate, surface tension). The experimental design comprised 17 points, effectively capturing the design space and elucidating the relationships between the factors and their effects on the performance of the dust suppressant. The results of these experiments, detailed in Table 2, provide insights into the optimal concentrations for achieving desired physical properties of the dust suppressant.
Results
In the section on results, the study presents findings from single-factor experiments aimed at characterizing performance metrics. The analysis reveals significant variations in performance outcomes based on the manipulation of individual factors. Each factor’s influence was systematically evaluated, providing insights into their respective contributions to overall performance.
The results indicate that certain factors exhibit a pronounced effect on performance, while others demonstrate minimal impact. This differential influence underscores the importance of targeted adjustments in experimental design to optimize performance outcomes. The findings contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play, paving the way for further exploration and refinement in subsequent studies.
Discussion
The discussion highlights the challenges associated with traditional dust suppression methods, which often lead to environmental issues such as equipment corrosion and soil salinization. The need for “green, efficient, and low-cost” alternatives has prompted research into biobased materials. Various studies have explored combinations of natural polymers, but they often struggle to achieve an optimal balance between performance and ecological safety. For instance, while Zhang et al. extended dust suppression duration using carboxymethyl cellulose and polyacrylamide, the degradation time exceeded 90 days. Similarly, other combinations have shown improvements in surface tension but resulted in increased chemical oxygen demand (COD) emissions.
The authors propose a ternary synergistic system using xanthan gum (XG), glycerol (GLY), and alkyl polyglucosides (APG) to enhance dust suppression efficacy while ensuring biodegradability. XG serves as a binding and film-forming agent, GLY acts as a moisture-retaining agent, and APG reduces surface tension. The study emphasizes the need for systematic investigation into the optimal ratios and long-term effectiveness of this composite under various conditions, particularly in mining environments. The findings indicate that the proposed formulation not only meets environmental standards but also significantly improves moisture retention and wind erosion resistance, thereby offering a sustainable solution for dust control in industrial applications.