超濾膜分級(jí)對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑性能的影響

江昕昳， 王冠華,2*， 杭家慧， 王 丹， 司傳領(lǐng)

(1.天津科技大學(xué) 造紙學(xué)院；天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457； 2.浙江科技學(xué)院 浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023； 3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)

超濾膜分級(jí)對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑性能的影響

江昕昳1， 王冠華1,2*， 杭家慧1， 王 丹3， 司傳領(lǐng)1

(1.天津科技大學(xué) 造紙學(xué)院；天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457； 2.浙江科技學(xué)院 浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023； 3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042)

采用截留分子質(zhì)量為6 000和20 000 u的兩種超濾膜對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行過(guò)濾分級(jí)，獲得3種不同分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分(LG-1、LG-2和LG-3)，分析了各級(jí)分的得率、純度、分子質(zhì)量及親水基團(tuán)含量，并考察了各級(jí)分作為抑塵劑的性能差異。結(jié)果表明：通過(guò)超濾膜過(guò)濾可以對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行有效分級(jí)，LG-1、LG-2和LG-3的得率分別為58.32%、24.50%和17.18%，重均相對(duì)分子質(zhì)量分別為4 841，15 239和37 768 ，分散度(Mw/Mn)分別為2.78、2.40和2.06。隨著木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分相對(duì)分子質(zhì)量增加，灰分含量降低，總糖含量增加；同時(shí)磺酸基團(tuán)含量降低。超濾膜分級(jí)對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑的性能具有顯著的影響，隨著截留分子質(zhì)量的增加，木質(zhì)素磺酸鹽吸濕能力、抗壓及抗風(fēng)蝕能力都有所提高，分別提高了96.43%、55.11%和63.07%，表明高分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分(LG-3)作為抑塵劑表現(xiàn)出更好的性能。SEM分析表明，噴灑木質(zhì)素磺酸鹽溶液后，沙粒之間有粘結(jié)層，表現(xiàn)出一定的粘結(jié)性和結(jié)殼性，且截留分子質(zhì)量越大粘結(jié)現(xiàn)象越明顯。

木質(zhì)素磺酸鹽；分子質(zhì)量；分級(jí)；抑塵性能

我國(guó)城市空氣污染主要來(lái)自于燃煤所排煙霧、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣以及地面揚(yáng)塵，而揚(yáng)塵又是其中最不可控制的一個(gè)污染源[1]。近年來(lái)隨著城市建設(shè)速度不斷加快，開(kāi)工建設(shè)的工程項(xiàng)目不斷增加，舊城拆遷改造、地鐵工程建設(shè)、建筑工地施工和道路施工等引發(fā)的揚(yáng)塵污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致我國(guó)以可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)為特征的區(qū)域性大氣環(huán)境問(wèn)題也日益突出[2]。國(guó)內(nèi)外一般對(duì)開(kāi)放性塵源的防治對(duì)策主要有灑水抑塵、苫蓋抑塵、設(shè)置擋風(fēng)抑塵墻抑塵、建造封閉式結(jié)構(gòu)抑塵、化學(xué)抑塵等[3]。灑水抑塵受氣候影響較大，抑塵周期短[4]。苫蓋抑塵、設(shè)置擋風(fēng)抑塵墻抑塵、建造封閉式結(jié)構(gòu)抑塵等方法的投資成本相對(duì)較高。而化學(xué)抑塵相對(duì)于物理抑塵更加經(jīng)濟(jì)高效，因此利用化學(xué)抑塵劑抑制顆粒物進(jìn)入大氣是改善我國(guó)大氣污染現(xiàn)狀的一種重要措施[5]。在化學(xué)抑塵劑的早期研究中，主要有濕潤(rùn)型抑塵劑、凝聚型抑塵劑和渣油、瀝青等黏結(jié)性抑塵劑。近年來(lái)，化學(xué)抑塵劑逐漸向環(huán)境友好型方向發(fā)展[6]。我國(guó)是造紙大國(guó)，木質(zhì)素磺酸鹽作為造紙工業(yè)的副產(chǎn)品，是一種可再生的生物質(zhì)資源，開(kāi)發(fā)利用這一豐富廉價(jià)的資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。馬強(qiáng)等[8]以木質(zhì)素磺酸鹽為原料通過(guò)丙烯酰胺接枝共聚制備了一種高分子抑塵劑用于建筑工地?fù)P塵，趙浩等[9]也利用木質(zhì)素磺酸鈉改性脲醛樹(shù)脂制備新型固沙抑塵劑，當(dāng)抑塵劑的施用量為5%時(shí)可形成有效固結(jié)層，滿(mǎn)足室外固沙需求。然而，木質(zhì)素磺酸鹽的分子質(zhì)量分布極不均一，不同分子質(zhì)量級(jí)分結(jié)構(gòu)差異較大[10]。目前，缺乏關(guān)于不同分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)其作為抑塵劑性能影響規(guī)律和作用機(jī)理的深入研究，影響了木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑的機(jī)理的深入研究和相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。本研究采用超濾法將粗木質(zhì)素磺酸鹽溶液進(jìn)行分級(jí)，分析了各級(jí)分的結(jié)構(gòu)性能，考察了各級(jí)分作為抑塵劑的性能差異，旨在為木質(zhì)素磺酸鹽在抑塵劑領(lǐng)域的應(yīng)用及新型木質(zhì)素抑塵劑的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1原料與試劑

粗木質(zhì)素磺酸鹽(吉林延邊石硯紙業(yè))，由松木亞硫酸鹽制漿廢液噴霧干燥制得；沙子(過(guò)孔徑為0.3 mm的網(wǎng)篩)；福林酚試劑、蒽酮以及三羥甲基氨基甲烷(Tris)，購(gòu)自Sigma公司。

1.2木質(zhì)素磺酸鹽的分級(jí)

將粗木質(zhì)素磺酸鹽配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液，過(guò)濾除去不溶于水的雜質(zhì)后，用中空纖維膜超濾裝置(天津膜天膜公司)進(jìn)行膜分級(jí)[11]，通過(guò)截留分子質(zhì)量為6 000和20 000 u兩種規(guī)格的超濾膜，得到3種不同分子質(zhì)量的木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分：LG-1(6 000 u透過(guò)液)、LG-2(6 000 u截留液/20 000 u透過(guò)液)和LG-3(20 000 u截留液)，未分級(jí)的木質(zhì)素磺酸鹽(LG- 0)作為對(duì)照。將得到的3種不同分子質(zhì)量的木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分放入50 ℃的烘箱中烘干24 h后得到對(duì)應(yīng)的固體產(chǎn)物。

1.3木質(zhì)素磺酸鹽的純度、分子質(zhì)量及親水基團(tuán)含量測(cè)定

1.3.1純度 木質(zhì)素磺酸鹽的灰分測(cè)定采用高溫灼燒方法。取一定質(zhì)量的不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分于高溫爐中，以800 ℃灼燒至灰白色后移至575 ℃的馬弗爐中繼續(xù)灼燒6 h，使之完全灰化至質(zhì)量恒定。根據(jù)殘?jiān)|(zhì)量，計(jì)算其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。總糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定[12]，以標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，計(jì)算總糖含量。

1.3.2分子質(zhì)量 木質(zhì)素磺酸鹽的分子質(zhì)量依據(jù)水性凝膠滲透色譜法測(cè)定[11]，采用美國(guó)Agilent 1200 Series HPLC，檢測(cè)器為二極管陣列檢測(cè)器，色譜柱為水性凝膠柱(TSK G3000PWxl，Tosoh)，柱溫25 ℃，流動(dòng)相為pH值7.4的Tris-醋酸緩沖液，流速0.5 mL/min，進(jìn)樣體積20 μL，以窄分布聚苯乙烯磺酸鈉為對(duì)照計(jì)算分子質(zhì)量。

1.3.3親水基團(tuán)含量 磺酸基團(tuán)含量和羧基含量通過(guò)電導(dǎo)滴定法分析[13]。稱(chēng)取0.5 g各級(jí)分配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液，使其通過(guò)預(yù)處理好的陰離子交換樹(shù)脂除去其中的陰離子物質(zhì)，然后再通過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂將待測(cè)級(jí)分的磺酸基轉(zhuǎn)為酸型，最后采用自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定各級(jí)分的磺酸基含量以及羧基含量[13]。酚羥基含量采用沒(méi)食子酸比色法進(jìn)行測(cè)定[14]。取0.4 mL 1 g/L不同級(jí)分的木質(zhì)素磺酸鹽溶液，加入0.5 mL福林酚試劑，搖勻。在3～8 min內(nèi)加入1 mL 15%的Na2CO3溶液，加水定容至 10 mL，搖勻，室溫避光放置1 h，在765 nm處測(cè)定吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)獲得木質(zhì)素磺酸鹽溶液的酚羥基含量。

1.4木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的抑塵性能測(cè)定

1.4.1保水性能 配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的未分級(jí)木質(zhì)素磺酸鹽溶液，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同級(jí)分木質(zhì)素磺酸鹽溶液，以2 kg/m2的噴灑量對(duì)置于培養(yǎng)皿(d=125 mm)的沙子(300 g)進(jìn)行噴灑，空白組噴灑相同質(zhì)量的水，將噴灑完后的沙子放入50 ℃烘箱中，每隔1 h測(cè)定其質(zhì)量，直至前后質(zhì)量不再變化為止。

1.4.2吸濕性能 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同級(jí)分木質(zhì)素磺酸鹽溶液，以2 kg/m2的噴灑量對(duì)置于培養(yǎng)皿的沙子進(jìn)行噴灑后放入常溫的開(kāi)放環(huán)境(濕度維持在30%，溫度18 ℃左右)中，記錄每天水分的增減情況，持續(xù)16 d。將16 d后的樣品放入烘箱中50 ℃烘干后取出，置于放有加濕器的密閉容器中，保持濕度為60%，每隔1 h測(cè)定其質(zhì)量，計(jì)算吸水量。

1.4.3抗壓能力 配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的未分級(jí)木質(zhì)素磺酸鹽溶液，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的不同級(jí)分的木質(zhì)素磺酸溶液，將其及空白組以2 kg/m2的噴灑量對(duì)置于培養(yǎng)皿的沙子進(jìn)行噴灑，放入50 ℃烘箱中烘干后取出。手持推拉力計(jì)垂直按壓在沙子樣品表面，測(cè)定其破碎時(shí)所承受的壓力。推拉力計(jì)與沙子表面的接觸直徑為14.2 mm，以壓力/面積算出壓強(qiáng)，得出抗壓能力。

1.4.4抗風(fēng)蝕能力 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的不同級(jí)分的木質(zhì)素磺酸溶液，以2 kg/m2的噴灑量對(duì)置于培養(yǎng)皿的沙子進(jìn)行噴灑，放入50 ℃烘箱中烘干后取出。用鼓風(fēng)機(jī)分別以16和20 m/s的風(fēng)速對(duì)其吹10 s，以相同面積累積沙樣顆粒損失的質(zhì)量對(duì)沙樣總質(zhì)量的百分比計(jì)算沙子失重率。

1.5掃描電鏡分析

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不同級(jí)分木質(zhì)素磺酸鹽溶液，以2 kg/m2的噴灑量噴灑沙子，50 ℃烘箱干燥后通過(guò)掃描電鏡觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的表征

利用截留分子質(zhì)量為6 000和20 000 u的超濾膜過(guò)濾分級(jí)的方法將木質(zhì)素磺酸鹽分級(jí)為3種級(jí)分，3種級(jí)分的得率分別為58.32%(LG-1)、24.50%(LG-2)和17.18%(LG-3)。對(duì)這3種木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的灰分和總糖含量進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的結(jié)構(gòu)性能表征

從表1可以看出，隨著截留分子質(zhì)量的增加，不同級(jí)分中灰分的含量逐漸降低，這主要是在膜分級(jí)的過(guò)程中，小分子無(wú)機(jī)物透過(guò)各級(jí)超濾膜，集中在6 000 u透過(guò)液中[11]。與灰分變化相反，不同級(jí)分中的總糖含量隨著超濾膜截留分子質(zhì)量的增加而增加，說(shuō)明木質(zhì)素磺酸鹽中碳水化合物的分子質(zhì)量相對(duì)較高，可能是以聚糖的形式存在或直接與木質(zhì)素形成LCC結(jié)構(gòu)存在[15]。

圖1 不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的分子質(zhì)量分布Fig.1 Molecular weight distributions of different lignosulfonate fractions

木質(zhì)素磺酸鹽經(jīng)超濾分級(jí)后得到各級(jí)分的分子質(zhì)量分布，如圖1所示。從圖1可以看出，3個(gè)級(jí)分在分子質(zhì)量分布上存在明顯的差別。隨著截留分子質(zhì)量的降低，獲得的木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的洗脫時(shí)間越長(zhǎng)，分子質(zhì)量越小，表明通過(guò)膜分級(jí)可以獲得分子質(zhì)量逐漸降低的木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分[11]。進(jìn)一步通過(guò)GPC軟件對(duì)分子質(zhì)量分布圖進(jìn)行積分分析，計(jì)算其重均相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)，數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)以及分散度(Mw/Mn)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以發(fā)現(xiàn)，6 000 u超濾膜的透過(guò)液LG-1分子質(zhì)量最小，Mw為4 841；其次是20 000 u超濾膜透過(guò)液LG-2，Mw為15 239；分子質(zhì)量最大為20 000 u超濾膜截留液LG-3，Mw高達(dá)37 768。同時(shí)通過(guò)分級(jí)后，隨著截留分子質(zhì)量的增加，各級(jí)分木質(zhì)素分子質(zhì)量分散度(Mw/Mn)出現(xiàn)明顯下降，表明超濾膜分級(jí)可以獲得均一性較好的不同分子質(zhì)量級(jí)分。

磺酸基、羧基和酚羥基是木質(zhì)素磺酸鹽中重要的親水性官能團(tuán)，其含量將直接影響到木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑的保水吸濕性能[16]。對(duì)3種木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分的親水基團(tuán)分析結(jié)果表明，磺酸基和羧基的含量隨級(jí)分分子質(zhì)量的增加而減少，而酚羥基的含量隨著級(jí)分分子質(zhì)量的增加稍有增加，但是相對(duì)于木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分中磺酸基的2.48～4.81 mmol/g，酚羥基的含量明顯較少，只有0.10～0.18 mmol/g，同時(shí)由于磺酸基和羧基的親水性能好，因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)磺酸基和羧基的含量對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽親水性的影響更為明顯。

2.2不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分抑塵性能分析

2.2.1保水能力 表2和表3分別為噴灑了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)LG- 0和不同級(jí)分的木質(zhì)素磺酸鹽溶液后沙樣的水分蒸發(fā)率。

表2 噴灑未分級(jí)木質(zhì)素磺酸鹽(LG- 0)沙樣的水分蒸發(fā)率

表3 噴灑5%不同級(jí)分木質(zhì)素磺酸鹽沙樣的水分蒸發(fā)率

由表2可以看出，9 h后水分蒸發(fā)達(dá)到平衡，噴灑水的沙樣水分蒸發(fā)率高達(dá)97.6%，噴灑3%木質(zhì)素磺酸鹽溶液的沙樣水分蒸發(fā)率為92.2%，而噴灑5%木質(zhì)素磺酸鹽溶液的沙樣的水分蒸發(fā)率只有88.2%。說(shuō)明木質(zhì)素磺酸鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，水分蒸發(fā)率越少，其抑塵保濕效果越好。由表3可以看出，9 h后，噴灑LG-1的沙樣水分蒸發(fā)率為93.8%，而噴灑LG-3的沙樣水分蒸發(fā)率只有91.2%。說(shuō)明在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，分子質(zhì)量越高的木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分抑塵保濕效果越好。然而，從表 1還可以發(fā)現(xiàn)，LG-1含有較高含量的親水基團(tuán)。實(shí)際上，木質(zhì)素磺酸鹽的保水能力不僅來(lái)自其親水基團(tuán)，還包括溶液中的其他物質(zhì)，如一些水溶性無(wú)機(jī)鹽及多糖等[17]。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中大分子木質(zhì)素磺酸鹽的保水能力有可能部分來(lái)自其含量較高的多糖，這部分多糖的保水能力導(dǎo)致大分子木質(zhì)素磺酸鹽的保水能力增加。

2.2.2吸濕性能 將噴好質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分以及水的沙樣放入通風(fēng)箱體中，記錄16 d中沙樣水分的變化量，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，在前5 d中，只噴灑蒸餾水的沙樣水分蒸發(fā)量要明顯高于噴灑木質(zhì)素磺酸鹽的沙樣，這主要是因?yàn)槟举|(zhì)素磺酸鹽的保水性能好，而且沙樣隨著噴灑木質(zhì)素磺酸鹽分子質(zhì)量的增加，水分蒸發(fā)量稍有下降。由于前5 d空白沙樣水分的快速蒸發(fā)，第6天和第7天的水分蒸發(fā)主要是噴灑木質(zhì)素磺酸鹽的沙樣。從第8天開(kāi)始，沙樣的水分變化量均小于0.1 g，表明此時(shí)沙樣的水分蒸發(fā)達(dá)到平衡，之后水分變化主要是由于環(huán)境空氣中濕度的影響所致。前7 d中失水質(zhì)量空白組最多，達(dá)到12.20 g，而噴灑LG-3的樣品只失水8.75 g，進(jìn)一步證明噴灑木質(zhì)素磺酸鹽的樣品明顯比噴灑水的樣品保水效果好，且隨著分子質(zhì)量的增加，保水效果提高。從表4還可以看出，在環(huán)境濕度較大的情況下(第9、10、12和16天)噴灑了木質(zhì)素磺酸鹽樣品的沙樣明顯比噴灑水的沙樣吸水多，表明木質(zhì)素磺酸鹽存在明顯的吸濕性能，能夠在環(huán)境濕度較大時(shí)吸收水分，維持體系的水分含量。而在環(huán)境濕度較小情況下(第8、11和14天)，噴灑木質(zhì)素磺酸鹽的沙樣失水量要高于噴灑蒸餾水的沙樣，主要原因是當(dāng)環(huán)境濕度下降時(shí)，木質(zhì)素磺酸鹽在高環(huán)境濕度下吸收的水分蒸發(fā)引起的。

表4 噴灑5%不同級(jí)分沙樣的水分變化情況1)

1) 正值為失水質(zhì)量，負(fù)值為吸水質(zhì)量the positive value is the water loss quality, and the negative value is the water absorption quality

圖2 噴灑不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分沙樣的水分吸濕性能Fig.2 Hygroscopic properties of sand samples treated with different lignosulfonate fractions

將實(shí)驗(yàn)16 d后的沙樣放入烘箱中使其水分完全烘干后，置于濕度為60%的密閉環(huán)境中，觀察其吸水情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，噴灑水的沙樣在濕潤(rùn)的環(huán)境中吸收的水分質(zhì)量只有0.1 g左右，而噴灑木質(zhì)素磺酸鹽沙樣的吸水量均大于0.1 g，最高可達(dá)0.6 g左右，進(jìn)一步證明了木質(zhì)素磺酸鹽在開(kāi)放環(huán)境吸濕性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著時(shí)間的增加，噴灑了木質(zhì)素磺酸鹽溶液的沙樣明顯比空白組噴灑水吸收的水量多，且噴灑LG-3沙樣的吸濕能力比噴灑LG-1沙樣的吸濕能力提高了96.43%，表明隨著分子質(zhì)量的增加，木質(zhì)素磺酸鹽的吸濕能力提高。木質(zhì)素磺酸鹽的吸濕能力與保水能力一樣，不僅與其親水基團(tuán)有關(guān)，還與溶液中的其他吸水物質(zhì)有關(guān)。

2.2.3抗壓能力 噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、1%、2%、3%、4%和5%的LG- 0沙樣，其抗壓強(qiáng)度分別為255、486、537、807、855和1 057 Pa?？梢钥闯觯S著LG- 0質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，沙樣的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，只噴灑了水的沙樣抗壓強(qiáng)度只有255 Pa，噴灑1%的LG- 0沙樣的抗壓強(qiáng)度為486 Pa，提高了90.59%。這是因?yàn)槟举|(zhì)素磺酸鹽分子鏈中含有大量的磺酸基和酚羥基，這些基團(tuán)通過(guò)絡(luò)合或氫鍵等化學(xué)作用使沙粒之間形成致密層，提高了沙子的抗壓強(qiáng)度[17]。當(dāng)LG- 0質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，沙樣的抗壓強(qiáng)度高達(dá) 1 057 Pa，相對(duì)于噴灑1%LG- 0的沙樣提高近120%。這是因?yàn)殡S著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，噴灑的木質(zhì)素磺酸鹽含量增加，高聚物在沙粒之間的粘結(jié)作用也增強(qiáng)[9]，進(jìn)而沙子抗壓強(qiáng)度提高。

噴灑水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的3種級(jí)分時(shí)，水、LG-1、LG-2和LG-3沙樣的抗壓強(qiáng)度分別為255、528、535和819 Pa。可以看出，噴灑3%LG-3的沙樣抗壓強(qiáng)度較噴灑LG-1的提高了55.11%。該結(jié)果表明隨著木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分分子質(zhì)量的增加，沙樣的抗壓強(qiáng)度提高。

表5 噴灑不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分沙樣的抗風(fēng)蝕能力

2.2.4抗風(fēng)蝕能力 采用風(fēng)速分別為16和 20 m/s 的空氣對(duì)噴灑了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分和水的沙樣進(jìn)行抗風(fēng)蝕能力測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，只噴灑蒸餾水的樣品在16 m/s的風(fēng)速下其單位面積沙粒的累積失重率達(dá)11.82%，而且隨著風(fēng)速增加至20 m/s，沙樣顆粒的失重率進(jìn)一步增加。表明只噴灑蒸餾水的沙樣表層松散沒(méi)有凝聚力，無(wú)法抵抗大風(fēng)的吹蝕。噴灑木質(zhì)素磺酸鹽后，樣品單位面積沙粒的累積失重率則降至5%以下，且噴灑LG-3的沙樣在16 m/s的風(fēng)速下沙粒失重率只有0.64%，明顯小于噴灑LG-1和LG-2沙樣的失重率，抗風(fēng)蝕能力比LG-1沙樣提高了63.07%，說(shuō)明分級(jí)后的木質(zhì)素磺酸鹽溶液分子質(zhì)量越大，具有較強(qiáng)的粘結(jié)性，其抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)。

2.3掃描電鏡分析

圖3為噴灑水和不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)溶液沙樣表面的掃描電鏡圖。由圖3可以看出，噴灑了木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分溶液后的沙粒表面出現(xiàn)固體界面，沙粒相互之間有粘結(jié)層，且截留分子質(zhì)量越大的木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分粘結(jié)現(xiàn)象越明顯[18]。而噴灑水的沙樣表面顆粒棱角分明，沙粒松散，僅簡(jiǎn)單堆砌在一起，相互間無(wú)作用力[19]。說(shuō)明木質(zhì)素磺酸鹽具有粘結(jié)性和結(jié)殼性，進(jìn)一步解釋了木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑的抗壓性能和抗風(fēng)蝕性能。

圖3 噴灑水和不同木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分后沙樣表面的SEM圖

3 結(jié) 論

3.1采用截留分子質(zhì)量為6 000和20 000u的兩種超濾膜對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行過(guò)濾分級(jí)，獲得3種不同分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分(LG-1、LG-2和LG-3)。分析表明:LG-1、LG-2和LG-3的得率分別為58.32%、24.50%和17.18%，重均相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)分別為4 841，15 239和37 768 g/mol，分散度(Mw/Mn)分別為2.78、2.40和2.06。隨著木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分分子質(zhì)量增加，灰分含量降低，總糖含量增加；同時(shí)磺酸基團(tuán)含量降低。

3.2超濾膜分級(jí)對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑的性能具有顯著的影響，隨著截留分子質(zhì)量的增加，木質(zhì)素磺酸鹽保水吸濕能力、抗壓以及抗風(fēng)蝕能力都有所提高，噴灑LG-3的沙樣比噴灑LG-1的沙樣分別提高了96.43% ，55.11%和63.07%，表明高分子質(zhì)量木質(zhì)素磺酸鹽級(jí)分LG-3作為抑塵劑表現(xiàn)出更好的性能。

3.3SEM分析表明：噴灑木質(zhì)素磺酸鹽溶液后，沙粒之間有粘結(jié)層，表現(xiàn)出一定的粘結(jié)性和結(jié)殼性，且截留分子質(zhì)量越大粘結(jié)現(xiàn)象越明顯。

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Effect of Ultrafiltration Fractionation on Performance of Lignosulfonate as Dust Suppressant

JIANG Xinyi1, WANG Guanhua1,2, HANG Jiahui1, WANG Dan3, SI Chuanling1

(1.Tianjin Key Laboratory of Pulp & Paper;College of Paper Making Science and Technology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China； 2.Key Laboratory of Recycling and Eco-treatment of Waste Biomass of Zhejiang Province, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China；3.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering,SFA,Nanjing 210042, China)

Three lignosulfonate fractions(LG-1, LG-2 and LG-3) were obtained by ultrafiltration with two cut-off molecular weight membrane of 6 000 and 20 000 u. The yield, purity, molecular weight and hydrophilic group content of lignosulfonate fractions were characterized and the performances of lignosulfonate fractions as dust suppressant were also compared. The results showed that ultrafiltration could effectively fractionate the lignosulfonate and the yields of LG-1, LG-2 and LG-3 were 58.32%, 24.50% and 17.18%, respectively. The weight average molecular weights of the three fractions were 4 841, 15 239 and 37 768 and the polydispersities were 2.78, 2.40 and 2.06, respectively. With the increase of lignosulfonate molecular weight, the ash and sulfonic acid group content decreased while the total sugar content increased. The ultrafiltration fractionation had significant effects on the performance of lignosulfonate as dust suppressant. With the increase of molecular weight cut-off, the water absorption capacity, compression strength and anti-wind erosion ability of lignosulfonate increased by 96.43%, 55.11% and 63.07%, respectively, which suggested that lignosulfonate fraction LG-3 with higher molecular weight performed better as dust suppressant. SEM analysis suggested that after spraying of lignosulfonate solution, a bonding layer was formed between sand grains and played the role of cohesiveness and incrustation for the sand grains. Moreover, the phenomenon was more obvious with the increase of lignosulfonate molecular weight.

lignosulfonate; molecular weight; fractionation; performance of dust suppressant

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.06.018

2017- 05- 08

天津科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610057119)；天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(201607)；浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2016REWB21)

江昕昳(1996— )，女，四川成都人，本科生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)精煉

*通訊作者：王冠華，助理研究員，博士，主要從事木質(zhì)素高值化利用研究；E-mail: ghwang@tust.edu.cn。

JIANG Xinyi

TQ35

A

0253-2417(2017)06- 0133- 08

江昕昳，王冠華，杭家慧,等.超濾膜分級(jí)對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽作為抑塵劑性能的影響[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(6)：133-140.