羥基淀粉煤炭抑塵劑的制備及性能表征

朱開金，朱鵬宇，譚俊華，趙彥亮，劉 菲，高建金

(1.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008； 2.江蘇理工學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院，江蘇 常州 213001)

羥基淀粉煤炭抑塵劑的制備及性能表征

朱開金1，朱鵬宇2，譚俊華1，趙彥亮1，劉 菲1，高建金1

(1.太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008； 2.江蘇理工學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院，江蘇 常州 213001)

采用羥丙基淀粉醚為主要原料，以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺作交聯(lián)劑，過硫酸銨作引發(fā)劑，羧乙基纖維素鈉作粘度調(diào)節(jié)劑和成膜劑，得到一種保濕性、抗風(fēng)蝕性、水穩(wěn)性、耐溫性等性能優(yōu)良的煤炭抑塵劑。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，此種抑塵劑在抗風(fēng)蝕性、水穩(wěn)性、耐溫性方面比純淀粉基煤炭抑塵劑的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)。交聯(lián)反應(yīng)雖可形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)物的保濕抗風(fēng)蝕等性能，也會(huì)降低其粘度，不利于成膜性，因此控制交聯(lián)反應(yīng)程度為一關(guān)鍵。最佳的反應(yīng)條件是溫度為70℃左右，時(shí)間為1h。

羥丙基淀粉醚；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺；交聯(lián)；煤炭抑塵劑；性能

目前煤炭抑塵劑的研究分濕潤(rùn)型、粘結(jié)型和強(qiáng)吸水型三類，各類抑塵劑均有其優(yōu)點(diǎn)，但都存在保濕時(shí)間短、粘結(jié)強(qiáng)度不夠、吸水性能不強(qiáng)等問題[1]。以羥丙基淀粉醚為主要原料，用N，N-亞甲基雙丙烯酰胺與之作交聯(lián)反應(yīng)，再加少量經(jīng)溶解后的羧乙基纖維素鈉，即可得到一種粘結(jié)保濕能力強(qiáng)、抑塵效果佳、不引起二次污染的生態(tài)型改性淀粉基煤炭抑塵劑[2-3]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

1)原料。羥丙基淀粉醚：山東特耐斯淀粉有限公司；羧乙基纖維素鈉：廣東佛山市日特化工有限公司；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺：天津化學(xué)試劑廠；過硫酸銨：鄭州化工廠；淀粉基煤炭抑塵劑：市售；改性淀粉基煤炭抑塵劑：自制。

2)儀器。電子天平、恒溫水浴、烘箱、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、粉塵粒篩等。

1.2 制備

稱取一定量的羥丙基淀粉醚溶解于500mL的燒杯水中，攪勻。加一定比例量的交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，然后將燒杯置于恒溫水浴中，升溫并控制在70℃左右，添加少量引發(fā)劑過硫酸銨，保溫?cái)嚢璺磻?yīng)1h后，再加少量的羧乙基纖維素鈉攪拌，然后經(jīng)過濾、烘干，制得改性淀粉基煤炭抑塵劑樣品。

實(shí)驗(yàn)表明，交聯(lián)反應(yīng)會(huì)降低體系粘度，故反應(yīng)程度不可太大。羧乙基纖維素鈉水溶液粘度較大，可調(diào)節(jié)其體系的粘度。經(jīng)交聯(lián)后產(chǎn)物形成的緊密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于煤炭抑塵劑其他性能的改善。

1.3 測(cè)試

對(duì)制備好的本煤炭抑塵劑結(jié)合煤粉進(jìn)行粘度、抗風(fēng)蝕性、水穩(wěn)性、耐溫性等各項(xiàng)物理性能指標(biāo)測(cè)試，并與非改性淀粉煤炭抑塵劑性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，考察其實(shí)用性和相比性[4]。

2 性能表征

2.1 粘度

煤炭抑塵劑粘度是其實(shí)用性與否的重要技術(shù)指標(biāo)，考慮到粘結(jié)劑受環(huán)境溫度的影響而變化，用旋轉(zhuǎn)粘度法測(cè)試了不同溫度下改性淀粉基煤炭抑塵劑(以下簡(jiǎn)稱改性煤抑劑)的粘度，并與市售的淀粉基煤炭抑塵劑(以下簡(jiǎn)稱非改性煤抑劑)粘度以及鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3210.1-2009作了對(duì)比[5]。兩者均與水按實(shí)際使用配比1∶50的比例配成水溶液進(jìn)行粘度測(cè)試，得結(jié)果見表1。

表1 不同溫度條件下抑塵劑粘度對(duì)比

從表1可以看出，在各個(gè)所測(cè)溫度點(diǎn)，改性抑塵劑均比非改性抑塵劑粘結(jié)性能優(yōu)，通常高4～6倍，且在極端溫度50℃時(shí)，粘度也遠(yuǎn)超TB/T3210.1-2009標(biāo)準(zhǔn)要求[6]，而后者在40℃以上的高溫條件下卻不能滿足要求。

2.2 保濕性

分別稱取50g過100目篩的煤粉三份攤平于一定面積的玻璃板上，稱取改性抑塵劑、非改性抑塵劑各1g用50倍水稀釋后，分別在兩份煤樣表面噴灑10ml的量，再用純凈水樣使另一煤樣表面噴灑相同的量，用烘箱測(cè)試0～50℃區(qū)間不同溫度點(diǎn)和不同置放時(shí)間的保濕性，以煤樣失水率作為衡量保濕性程度的基準(zhǔn)(表2～4)。

表2 噴灑改性煤抑劑后煤樣保濕性試驗(yàn)結(jié)果

表3 噴灑非改性煤抑劑后煤樣保濕性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表2～4可看出，改性煤抑劑具有明顯的保濕效果，比相同條件下的非改性煤抑劑提高1倍左右，比噴水樣提高6～10倍，且溫度達(dá)50℃時(shí)失水率不超過15%。

2.3 抗風(fēng)蝕性

煤炭在運(yùn)輸過程中，要受到大風(fēng)的侵蝕，由此造成大量煤粉的逸散和對(duì)環(huán)境的污染，故評(píng)價(jià)煤炭抑塵劑的另一指標(biāo)即其抗風(fēng)蝕性具有重要的意義[7]。

表4 噴灑水后煤樣保濕性試驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用電吹風(fēng)法檢驗(yàn)抑塵劑的抗風(fēng)蝕能力。將過40目(1#)、60目(2#)、80目(3#)和100目(4#)四種篩的煤粉各100g置于一定大小的瓷盤中，每種煤粉稱兩次重復(fù)樣，然后按粒徑分成兩組共8個(gè)樣，將改性煤抑劑和非改性煤抑劑配成水樣后按0.18ml/cm2的用量分別噴灑在兩組樣品表面，待其自然固化。

用小型可調(diào)速電扇橫向間隙吹風(fēng)，風(fēng)速5m/s，吹風(fēng)時(shí)間為10min，電扇與樣品間隔距離為2m，事先用塑料罩對(duì)吹落的煤粉進(jìn)行收集，完后將收集的煤粉用電子天平進(jìn)行稱量。

改變風(fēng)速，重復(fù)上述試驗(yàn)，得相應(yīng)結(jié)果。

同時(shí)實(shí)驗(yàn)顯示，若不噴灑煤炭抑塵劑，煤粉經(jīng)5m/s的風(fēng)侵后全部被吹盡，損失100%(表5～6)。

表5 改性煤抑劑抗風(fēng)蝕性能試驗(yàn)結(jié)果

表5、表6結(jié)果表明，對(duì)各種粒徑煤粉噴灑改性煤抑劑和非改性煤抑劑后，在風(fēng)速5～20m/s情況下的吹損程度，前者比后者明顯減少，平均損失率減少1倍多。

2.4 水穩(wěn)性

水穩(wěn)性是指煤粉經(jīng)噴灑抑塵劑后所形成的固結(jié)層抗雨水侵蝕是否散落及散落的程度。用改性煤抑劑與未改性煤抑劑進(jìn)行水穩(wěn)性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用前者對(duì)煤粒第一次噴灑后形成的固結(jié)層，浸水5s后表面基本不散落，自然風(fēng)干后無(wú)明顯裂紋，而用后者對(duì)相同煤粒噴灑形成的固結(jié)層一旦浸入很快即表面散落，表明其水穩(wěn)性能不佳。表7是一組對(duì)比數(shù)據(jù)。

表6 非改性煤抑劑抗風(fēng)蝕性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 不同抑塵劑對(duì)煤粒的水穩(wěn)試驗(yàn)情況

表7說(shuō)明該抑塵劑具有較好的穩(wěn)定性。

2.5 固化層厚度的穩(wěn)定性

對(duì)靜態(tài)散煤粉噴灑改性煤抑劑，形成厚度為15mm左右的固化層。為考察其對(duì)溫度、時(shí)間的穩(wěn)定性，將試驗(yàn)品置于烘箱中，測(cè)試固化層厚度的變化[8]。結(jié)果表明，對(duì)于負(fù)溫情況則固化層厚度很穩(wěn)定；在不超過38℃的情況下，溫度對(duì)固化層厚度影響不大，略有減少；保持30℃的溫度時(shí)固化時(shí)間可以達(dá)到30天以上，在極端溫度50℃時(shí)固化時(shí)間仍超過10天(圖1)。

圖1 固化層厚度對(duì)溫度、時(shí)間的穩(wěn)定性變化

用非改性煤抑劑進(jìn)行相同情況試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固化層耐極限溫度35℃，耐溫時(shí)間不超過8天，說(shuō)明此種抑塵劑耐溫性不及改性淀粉基煤炭抑塵劑。

3 結(jié) 論

1)以羥基淀粉醚為主要原料制成的煤炭抑塵劑的粘性、保濕性、抗風(fēng)蝕性、耐水耐溫性等各物理性能指標(biāo)均優(yōu)于非改性的淀粉基煤炭抑塵劑。由于本抑塵劑是交聯(lián)反應(yīng)生成的產(chǎn)物，產(chǎn)物內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較緊密，再加上乙基纖維素鈉良好的成膜性，因此保內(nèi)部穩(wěn)定性和抗外界沖擊的性能比較好[9]。

2)羥基淀粉醚進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，一定要掌握好反應(yīng)物加入量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件，否則交聯(lián)過度會(huì)導(dǎo)致粘度下降甚重，進(jìn)而造成乙基纖維素鈉的成膜性降低，產(chǎn)物性能不佳。最佳的反應(yīng)條件是溫度為70℃左右，時(shí)間為1h。

3)利用羥基淀粉醚易溶于水且支鏈多，羥基經(jīng)交聯(lián)后易形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高產(chǎn)物綜合性能是一創(chuàng)新。

4)本煤炭抑塵劑制造成本不高，不僅能很好的應(yīng)用于鐵路運(yùn)煤，對(duì)煤礦坑口裝運(yùn)、露天堆煤及運(yùn)輸?shù)染哂休^好的推廣應(yīng)用價(jià)值。由于使用普通非毒的有機(jī)原料，因此本煤炭抑塵劑對(duì)人體無(wú)刺激性，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)造成二次污染，且對(duì)車體金屬、有機(jī)漆層無(wú)腐蝕性，生態(tài)特點(diǎn)明顯。

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The preparation and performance characterization of a coal dust suppression with hydroxy-starch

ZHU Kai-jin1，ZHU Peng-yu2，TAN Jun-hua1，ZHAO Yan-liang1，LIU Fei1，GAO Jian-jin1

(1.Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030008，China； 2.School of Chemical and Environmental Engineering，Jiangsu Univeisity of Technology，Changzhou 213001，China )

Hydroxypropyl starch is used as the main raw material，N，N-methylene-bis-arcylamide as a cross-linking agent，ammonium persulphate as an intiator，sodium carboxy ethyl cellulose as a viscosity regulator and film-forming agent，a coal dust-depressor with fine moisture，anti-rheumatic，water stability and temperature resistance is gotten.By comparison，the technology indicators of this suppressant are well than pure starch-based coal dust-depressor in some aspects such as anti-rheumatic，water stability and temperature resistance.Cross-linking reaction could form a network structure，and improve product’s moisture and the resistance to wind erosion，but it could also reduce product’s viscosity，is not conductive to film-forming property，so controlling the degree of cross-linking is critical.Optimum reaction conditions are a temperature of about 70 degrees，and time of 1h.

hydroxypropyl starch；N，N-methylene-bis-arcylamide；cross-linking；coal dust-depressor；property

2014-12-26

朱開金(1962-)，男，安徽馬鞍山人，教授，工學(xué)博士，從事環(huán)境工程技術(shù)研究。E-mail:zkj621104@163.com。

TD714+.4

A

1004-4051(2015)07-0145-04