高分子抑塵劑對(duì)褐煤礦場(chǎng)細(xì)顆粒物的抑制特性

楊樹瑩，周 磊，楊林軍，楊 超

(1.東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096; 2.秦皇島首創(chuàng)思泰意達(dá)環(huán)保科技有限公司，河北 秦皇島 066004)

我國(guó)是煤炭資源消耗大國(guó)，在煤炭的開采、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、燃燒等過程均會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[1]。其中，呼吸性粉塵尤其是PM2.5易與空氣中的有害物質(zhì)如重金屬、有機(jī)烴化物等結(jié)合，通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體后，沉積在呼吸道及肺泡中，對(duì)人體造成嚴(yán)重危害，因而受到社會(huì)廣泛關(guān)注[2-3]。2017-06-13，環(huán)保部發(fā)布《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等20項(xiàng)國(guó)家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)修改單的公告(征求意見稿)中，對(duì)物料運(yùn)輸、裝卸、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移與輸送及生產(chǎn)工藝過程等，全面增加無組織排放控制措施要求[4]。

自20世紀(jì)30年代以來，運(yùn)用化學(xué)抑塵技術(shù)解決開放性塵源污染問題得到人們廣泛的認(rèn)可，化學(xué)抑塵劑也因其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性具有廣闊的發(fā)展前景[5]。根據(jù)化學(xué)抑塵的潤(rùn)濕、黏結(jié)、凝聚等機(jī)理，李成等[6]將傳統(tǒng)的化學(xué)抑塵劑分為四大類:潤(rùn)濕型、黏結(jié)型、凝聚型和復(fù)合型，并分析了各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。XI等[7]將聚乙二醇與十二烷基硫酸鈉混合制備一種抑塵劑，并研究了抑塵劑的熱特性、臨界膠束濃度、潤(rùn)濕性和黏附性。MIGUEL等[8]使用生物柴油的甘油副產(chǎn)品在140 ℃的條件下由酸催化開發(fā)得到一種有效的抑塵劑，可以防止顆粒物質(zhì)的分散。近年來，抑塵劑逐漸向綠色環(huán)保、專一高效、節(jié)能廉價(jià)、生態(tài)相容等方向發(fā)展。羅瑞冬等[9]以大豆分離蛋白為原料，加入十二烷基硫酸鈉、羧甲基纖維素鈉、甲基硅酸鈉等加熱攪拌制備了一種新型抑塵劑，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該抑塵劑有廣泛的適用性，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于市售產(chǎn)品。SCHWENDEMAN等[10]針對(duì)煤炭切割開采過程產(chǎn)生的呼吸性粉塵，開發(fā)了一種由水溶性聚合物和表面活性劑組成的泡沫抑塵劑，抑塵效率達(dá)90%～95%。TANG等[11]的研究結(jié)果首次揭示了，可吸入燒結(jié)粉塵的疏水性是由含有n-烷基鏈和芳香基團(tuán)的有機(jī)物通過親水官能團(tuán)鍵合形成的疏水外殼所決定的，以非離子表面活性劑通過疏水尾端吸附于可吸入燒結(jié)粉塵表面，使其親水基團(tuán)暴露在水中，可達(dá)到有效充分潤(rùn)濕的目的，這對(duì)于粉塵控制具有重要意義。

現(xiàn)有抑制可吸入煤塵的研究多用于煤礦綜采工作面等高濃度粉塵場(chǎng)所，且實(shí)驗(yàn)所用的煤料來源廣泛，煤質(zhì)組分各不相同，抑塵劑的性能應(yīng)用缺少針對(duì)性。對(duì)應(yīng)用結(jié)殼型抑塵劑專向控制褐煤露天礦場(chǎng)的細(xì)顆粒物，目前國(guó)內(nèi)外鮮有研究。褐煤資源在中國(guó)的儲(chǔ)量豐富[12]，隨著煤炭資源的開發(fā)和消費(fèi)，優(yōu)質(zhì)煤炭日漸衰竭，未來褐煤將成為我國(guó)主要的動(dòng)力用煤[13]。筆者選取高分子單體和表面活性劑各4種，通過考察固化層結(jié)殼性能及添加表面活性劑對(duì)褐煤潤(rùn)濕性能，優(yōu)選出性能優(yōu)良的高分子單體和非離子表面活性劑并將其復(fù)配。通過在抑塵模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展抗風(fēng)蝕性能實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同單體濃度、風(fēng)速條件下固化層被風(fēng)吹蝕后顆粒物濃度和粒度分布變化，得到一種工藝簡(jiǎn)單、廉價(jià)易得、褐煤礦場(chǎng)專用的結(jié)殼型抑塵劑配方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用煤粉來自內(nèi)蒙古褐煤，將褐煤煤粉過100目標(biāo)準(zhǔn)篩以作實(shí)驗(yàn)樣品;選取4種類別的高分子單體，可以與水相溶配制成溶液;選取陰離子表面活性劑和非離子型表面活性劑各2種，見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

抗風(fēng)蝕抑塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，采用有機(jī)玻璃制作，由送風(fēng)機(jī)段與風(fēng)道、實(shí)驗(yàn)艙主體、分析檢測(cè)系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)艙長(zhǎng)、寬、高分別為1.2，1.0，1.0 m，設(shè)有粉塵添加、噴霧等設(shè)施，底部設(shè)置放水閥門;風(fēng)道內(nèi)設(shè)置風(fēng)向調(diào)節(jié)裝置、風(fēng)速儀、煙塵采樣儀及電稱低壓沖擊器(ELPI)測(cè)口。風(fēng)道尺寸滿足風(fēng)道內(nèi)流速可達(dá)20～30 m/s，開啟軸流風(fēng)機(jī)，調(diào)整頻率可改變平臺(tái)內(nèi)部風(fēng)速，可在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中部開孔處使用便攜式風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)試?？癸L(fēng)蝕性能實(shí)驗(yàn)在模擬平臺(tái)的風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行，調(diào)整風(fēng)道內(nèi)流速，在風(fēng)道尾部用ELPI測(cè)量顆粒物濃度及粒徑分布變化情況，模擬考察不同抑塵劑濃度、不同風(fēng)速條件對(duì)抑塵劑性能的影響。

表1實(shí)驗(yàn)所用材料
Table1Materialsusedinexperiments

圖1 抑塵性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Dust suppression performance experimental platform

1.3 測(cè)試儀器及方法

顆粒物濃度及粒徑分布采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的ELPI在線實(shí)時(shí)測(cè)量。ELPI通過顆粒荷電、慣性分級(jí)及測(cè)量分級(jí)荷電量來確定顆粒物濃度和粒徑分布特征，主要包括三分荷電器、沖擊器和多通道靜電儀3個(gè)部分。顆粒物通過取樣口經(jīng)荷電器荷電，荷電顆粒通過沖擊器完成慣性分級(jí)，靜電儀測(cè)得的電流信號(hào)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，從而得到顆粒物的濃度和粒徑分布。

褐煤煤粉粒徑分布采用丹東百特科技有限公司的BT-9300ST型激光粒度分析儀測(cè)量。

接觸角的測(cè)定采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司的JC2000D2型接觸角測(cè)量?jī)x，將液滴滴在加壓成型的煤粉樣品表面，與接觸角測(cè)量?jī)x關(guān)聯(lián)的高速攝像頭對(duì)全過程進(jìn)行錄像，截圖后在jc2000d軟件上分析得到該濃度溶液在褐煤粉塵表面的接觸角。

表面張力采用山東淄博本創(chuàng)儀器有限公司的BCZ-800型全自動(dòng)界面張力儀進(jìn)行測(cè)試。

褐煤煤粉及固化層形貌采用LEO1530VP場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 結(jié)殼性能衰減實(shí)驗(yàn)

將高分子單體按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～1.1%配制溶液(液體物料按照其固體含固量進(jìn)行配制)待用。將過篩后的褐煤煤粉放入烘箱，80 ℃條件下烘干2 h。取烘干后的煤粉15 g放入直徑9 cm的培養(yǎng)皿內(nèi)，均勻平鋪。將高分子單體溶液按照2 L/m2噴灑在褐煤煤粉表面，在室溫條件下自然失水，待其表面板結(jié)后用邵氏硬度計(jì)測(cè)量表面殼層硬度。每次在殼層表面取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，取平均值作為該組實(shí)驗(yàn)的結(jié)殼硬度，并計(jì)算測(cè)試誤差。每隔24 h重復(fù)測(cè)試，共采樣10次。

1.4.2 接觸角實(shí)驗(yàn)

4種表面活性劑按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%，0.05%，0.07%，0.10%，0.30%，0.50%配制溶液，利用粉末壓樣機(jī)將實(shí)驗(yàn)煤粉在20 MPa壓力下壓實(shí)，形成具有壓光平面的圓柱體試片。用JC2000D2接觸角測(cè)量?jī)x分別測(cè)定以上各質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液在褐煤粉塵表面的接觸角大小。

1.4.3 抗風(fēng)蝕性能實(shí)驗(yàn)

稱取600 g過篩烘干后的褐煤煤粉置于長(zhǎng)300 mm、寬210 mm、高15 mm的托盤中，將上述經(jīng)初步篩選所得抑塵劑配方溶液噴灑在煤粉表面，自然風(fēng)干表面固化后置于風(fēng)道內(nèi)。調(diào)整風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速分別為5，10和15 m/s時(shí)，在風(fēng)道尾部用ELPI實(shí)時(shí)測(cè)量顆粒物濃度及粒徑分布變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 褐煤顆粒粒徑分析

將過100目篩的褐煤煤塵置入BT-9300ST激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試，褐煤煤粉粒度分布如圖2所示。結(jié)果顯示，煤粉粒徑范圍在100 μm以下，其中中位徑為26 μm，PM10約占煤粉總量的18%，PM2.5約占煤粉總量的4.3%。

圖2 褐煤煤塵粒度分布Fig.2 Particle size distribution of lignite coal dust

2.2 結(jié)殼性能衰減實(shí)驗(yàn)

結(jié)殼硬度是評(píng)價(jià)固化層性能的重要指標(biāo)，硬度越

大，固化層抵抗外界擾動(dòng)的能力越強(qiáng)，可有效避免因殼層破裂而引起的二次起塵現(xiàn)象。圖3是4種單體溶液在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，固化層表面硬度隨時(shí)間變化圖。對(duì)比圖3可以看出，結(jié)殼層平均硬度優(yōu)劣順序依次為羧甲基纖維素鈉≈瓜爾豆膠>聚丙烯酸乳液>聚丙烯酰胺。在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的10 d內(nèi)，固化層硬度隨時(shí)間變化上下波動(dòng)，第5 d開始呈下降趨勢(shì)，8 d后漸趨穩(wěn)定;隨著單體溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，結(jié)殼硬度先增大而后略有降低。聚丙烯酸乳液、瓜爾豆膠、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉噴灑到褐煤表面形成的固化層在第5 d能達(dá)到最大硬度，分別為64.11，65.24，54.42，62.83，對(duì)應(yīng)單體溶液最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.9%，0.7%，1.1%，0.5%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，殼層硬度并不完全隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而不斷增大，單體溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變大隨之黏度也增加，導(dǎo)致其在褐煤散料表層不易滲透，下滲量小，難以形成具有一定厚度和強(qiáng)度的固化層[14]。質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%的瓜爾豆膠溶液結(jié)殼性能優(yōu)良，相較第1天硬度55.74，10 d后增大到61.43，提升了10.2%。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，瓜爾豆膠表現(xiàn)出良好的結(jié)殼性能，因此選擇瓜爾豆膠作為抑塵劑配方主體。

圖3 時(shí)間對(duì)固化層硬度的影響Fig.3 Effect of time on solidified layer hardness

2.3 固化結(jié)殼前后顆粒物形貌變化

為探尋固化結(jié)殼對(duì)細(xì)顆粒物微觀形貌的影響，使用LEO1530VP場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)噴灑抑塵劑前后的顆粒物形貌特征進(jìn)行分析。如圖4(a)所示，褐煤粉塵相互之間無明顯黏附現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒間隙大，散亂地堆排在一起;由圖4(b)可以看出噴灑抑塵劑后褐煤散料在瓜爾豆膠溶液的黏著力作用下，緊密的凝聚在一起，形成完整的板塊狀固化層，表面平整，褐煤顆粒間隙明顯變小，密實(shí)黏結(jié)甚至重疊，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖4 噴灑結(jié)殼劑前后褐煤顆粒的電鏡Fig.4 Change of SEM before and after spraying dust suppressant

2.4 表面張力實(shí)驗(yàn)

表面活性劑溶液表面張力值的大小，可以作為在宏觀上反映表面活性劑對(duì)褐煤粉塵潤(rùn)濕能力的參考依據(jù)[15]。將4種表面活性劑按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%，0.05%，0.07%，0.10%，0.30%，0.50%配制溶液，采用BCZ-800型全自動(dòng)界面張力儀分別測(cè)定以上各質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液的表面張力。圖5是4種表面活性劑溶液在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下表面張力的變化圖，測(cè)得室溫條件下純水的表面張力值為71.2 mN/m。由圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)所用4種表面活性劑均能降低溶液表面張力，表面張力由小到大的順序?yàn)?TX-100

圖5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)表面活性劑表面張力的影響Fig.5 Effect of concentration on surface tension of surfactant

2.5 接觸角實(shí)驗(yàn)

首先測(cè)得純水對(duì)褐煤粉塵的接觸角為48.75°，并以此作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由圖6可以更直觀地發(fā)現(xiàn)，加入4種表面活性劑均可以降低溶液對(duì)褐煤粉塵的接觸角，提高其潤(rùn)濕性。同濃度條件下，非離子表面活性劑對(duì)褐煤煤塵的接觸角小于陰離子表面活性劑，潤(rùn)濕性能更好。這是因?yàn)殛庪x子表面活性劑在溶液中會(huì)電離出帶負(fù)電的表面活性離子，這些離子吸附于煤塵表面時(shí)相互之間產(chǎn)生電性排斥，也會(huì)與帶負(fù)電的褐煤煤塵表面同性相斥，因此陰離子表面活性劑在褐煤表面的吸附能力小于非離子表面活性劑，導(dǎo)致其接觸角大于非離子表面活性劑[17]。圖7呈現(xiàn)的是表面活性劑溶液在褐煤表面的接觸角與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，可以看出所選4種表面活性劑對(duì)褐煤的接觸角均隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小，潤(rùn)濕能力逐漸增強(qiáng)。曲拉通X-100對(duì)褐煤的接觸角隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較明顯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%時(shí)其接觸角為14.76°，比質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%時(shí)的26.52°降低44.34%，比同濃度的十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、吐溫-20分別低了43.3%，38.1%和35.4%。潤(rùn)濕性能優(yōu)劣排序?yàn)榍╔-100>TWEEN-20>SDBS>SDS。

圖6 純水和質(zhì)量濃度0.1%的各表面活性劑溶液在褐煤表面的接觸角Fig.6 Contact angle of pure water and 0.1% surfactant solution on lignite

圖7 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸角的影響Fig.7 Effect of concentration on contact angle

對(duì)比圖5和7可發(fā)現(xiàn)，表面活性劑溶液對(duì)褐煤的潤(rùn)濕能力與其表面張力值的大小不成正比。吐溫-20溶液的表面張力高于SDS和SDBS，但其潤(rùn)濕性能優(yōu)于SDS和SDBS。因此，表面張力不能作為評(píng)價(jià)表面活性劑溶液對(duì)褐煤粉塵潤(rùn)濕性能的唯一指標(biāo)，考察其對(duì)褐煤的潤(rùn)濕性能需綜合考慮溶液的氣-液表面張力及溶液與褐煤煤塵的液-固表面張力2個(gè)方面因素[18]。

表面活性劑是由親水基和親油基等構(gòu)成的兩親性化合物，當(dāng)其溶于水后活性劑分子可在氣液表面上定向排列形成界面吸附層[19]。不僅大大降低水溶液的表面張力，也消除了水滴與褐煤塵粒間的電性排斥，同時(shí)親油基端與褐煤顆粒間存在吸附作用從而潤(rùn)濕煤塵，改善單體溶液因黏度大而難以在煤堆表面滲透的狀況[20-21]。綜合接觸角和表面張力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，曲拉通X-100表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)濕性能，選取曲拉通X-100作為抑塵劑配方中的潤(rùn)濕劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

2.6 抗風(fēng)蝕性實(shí)驗(yàn)

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%的瓜爾豆膠溶液分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的TX-100溶液復(fù)配噴灑在托盤內(nèi)的煤粉表面，自然風(fēng)干固化后置于模擬平臺(tái)風(fēng)道內(nèi)。圖8是噴灑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)抑塵劑的煤樣表面結(jié)殼后，在模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)風(fēng)機(jī)直流吹蝕顆粒物的數(shù)量濃度分布結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)得未噴灑抑塵劑的褐煤散料經(jīng)5 m/s風(fēng)速的吹蝕后顆粒物數(shù)量濃度為2.57×107cm-3，由圖8可以觀察到，各濃度抑塵劑的固化層均能抵抗5 m/s風(fēng)速的侵蝕，細(xì)顆粒物數(shù)量濃度在7.58×104～9.39×104cm-3，抑塵效率提高了99.6%～99.7%，風(fēng)速提高時(shí)被風(fēng)吹蝕的顆粒物濃度逐漸增加。瓜爾豆膠單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的抑塵劑溶液形成的固化層硬度最小，抗風(fēng)蝕能力最差，風(fēng)速5 m/s時(shí)顆粒物數(shù)量濃度為9.39×104cm-3，風(fēng)速10 m/s時(shí)顆粒物數(shù)量濃度達(dá)到1.98×106cm-3，風(fēng)速15 m/s時(shí)顆粒物數(shù)量濃度迅速攀升至3.39×106cm-3，比風(fēng)速5 m/s的顆粒物數(shù)量濃度增大了97.2%。隨著單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，被風(fēng)吹蝕的顆粒物數(shù)量濃度逐漸降低，褐煤粉塵結(jié)殼層抗風(fēng)蝕能力逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)閱误w濃度增大，抑塵劑對(duì)顆粒物的黏著能力隨之增強(qiáng)，褐煤顆粒緊密黏結(jié)形成的固化層越發(fā)堅(jiān)硬，不易受外界擾動(dòng)影響。單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%的抑塵劑抗風(fēng)性能最強(qiáng)，顆粒物數(shù)量濃度隨風(fēng)速增加無明顯變化，能抵抗15 m/s的大風(fēng)吹蝕。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.7%時(shí)，實(shí)驗(yàn)煤樣表面開始出現(xiàn)大塊裂縫，風(fēng)速增大后，固化層不完整的上表面無法對(duì)下方散煤起到防護(hù)作用，顆粒物數(shù)量濃度逐漸增大，抗風(fēng)能力減弱。噴灑瓜爾豆膠單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.1%的抑塵劑的煤樣在風(fēng)速15 m/s時(shí)被吹蝕出的顆粒物數(shù)量濃度為2.69×106cm-3，比噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%抑塵劑的煤樣結(jié)殼層被15 m/s大風(fēng)吹起的細(xì)顆粒物數(shù)量濃度增大約90.3%。按照風(fēng)力等級(jí)表，15 m/s風(fēng)速對(duì)應(yīng)為7級(jí)勁風(fēng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%瓜爾豆膠的固化層能抵抗15 m/s風(fēng)速侵蝕而不受影響，足以應(yīng)對(duì)北方大風(fēng)天氣。

圖8 各濃度抑塵劑風(fēng)蝕后的顆粒物數(shù)量濃度變化Fig.8 Change of fine particle concentration

圖9為15 m/s風(fēng)速條件下噴灑瓜爾豆膠單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和0.7%的抑塵劑的結(jié)殼煤樣經(jīng)風(fēng)吹蝕后顆粒物的粒徑分布，由圖9可以看出，粒徑呈典型的單峰分布。未噴灑抑塵劑時(shí)，被風(fēng)吹起的褐煤顆粒數(shù)量濃度峰值出現(xiàn)在0.02 μm左右，對(duì)應(yīng)數(shù)量濃度為2.12×106cm-3;質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的顆粒物數(shù)量濃度峰值出現(xiàn)在0.075 μm左右，對(duì)應(yīng)數(shù)量濃度為5.37×105cm-3;單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時(shí)顆粒物數(shù)量濃度峰值出現(xiàn)在0.85 μm左右，數(shù)量濃度減少至3.69×105cm-3。

圖9 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和0.7%抑塵劑風(fēng)蝕后顆粒物粒徑分布Fig.9 Change of diameter distribution after wind erosion

采用分級(jí)抑塵效率進(jìn)一步考察抑塵劑對(duì)細(xì)顆粒物的抑制效果，分級(jí)抑塵效率定義為某一級(jí)顆粒數(shù)濃度變化與未噴灑抑塵劑時(shí)該級(jí)顆粒數(shù)濃度比值的百分率:

式中，Ni0,Nit分別為未噴灑抑塵劑和噴灑抑塵劑后第i級(jí)粒徑段的顆粒數(shù)濃度。

圖10 質(zhì)量濃度0.1%和0.7%抑塵劑的顆粒物分級(jí)抑制效率Fig.10 Change of particle classification inhibition efficiency

由圖10可以看出，瓜爾豆膠單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%時(shí)，粒徑0.1 μm左右的顆粒物分級(jí)抑制效率僅有30.1%，粒徑超過0.3 μm時(shí)抑制效率可達(dá)90%以上。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.1%增大到0.7%時(shí)，低粒徑段抑制效率總體由30.1%提高至94.4%，粒徑0.1 μm左右的細(xì)顆粒物抑制效率增幅達(dá)64%。這表明該抑塵劑對(duì)細(xì)顆粒物的抑制效果非常明顯，顆粒物數(shù)量濃度降低的同時(shí)，粒徑分布也相應(yīng)產(chǎn)生變化，峰值向大粒徑段移動(dòng)。該抑塵劑對(duì)細(xì)顆粒物的抑制效果主要體現(xiàn)在:瓜爾豆膠溶液具有一定的黏著力使褐煤顆粒黏結(jié)在一起，同時(shí)也增大褐煤顆粒間的黏著強(qiáng)度，使多個(gè)小顆粒黏附連結(jié)形成較大的顆粒，曲拉通X-100溶液輔以潤(rùn)濕作用，增強(qiáng)瓜爾豆膠溶液在煤堆中的滲透效果，二者協(xié)同促使表面形成具有一定厚度和強(qiáng)度的固化層覆蓋在煤堆上以達(dá)到抑塵目的。

將固化層硬度與15 m/s風(fēng)速吹蝕后的顆粒物數(shù)量濃度建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到圖11。將表面自然固化10 d后的殼層硬度與顆粒物數(shù)量濃度進(jìn)行線性擬合，得到回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.917 2，這表明二者之間存在良好的線性關(guān)系。固化層硬度越高，風(fēng)蝕后顆粒物數(shù)量濃度越低，抗風(fēng)蝕性能越強(qiáng)，抑塵效率越好，這一結(jié)論與前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖11 固化層硬度與細(xì)顆粒物數(shù)量濃度的關(guān)系Fig.11 Relationship between curing layer hardness and fine particle concentration

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)褐煤露天礦場(chǎng)產(chǎn)生的細(xì)顆粒物研制出一種高效環(huán)保的結(jié)殼型抑塵劑，抑塵劑最佳配方為0.7%的瓜爾豆膠和0.1%的曲拉通X-100，抑塵效率達(dá)94.4%以上。

(2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面活性劑的表面張力與其對(duì)褐煤粉塵的潤(rùn)濕能力不成正比，考察表面活性劑溶液對(duì)褐煤粉塵的潤(rùn)濕性能需綜合考慮溶液的氣-液表面張力及溶液與褐煤煤塵的液-固表面張力2方面因素。

(3)對(duì)比噴灑單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和0.7%的抑塵劑溶液形成的固化層，風(fēng)蝕后顆粒物粒徑峰值向大粒徑段移動(dòng)，細(xì)顆粒物抑制效率明顯提高，相應(yīng)細(xì)顆粒物數(shù)量濃度也大大降低，表明該抑塵劑對(duì)細(xì)顆粒物控制效果明顯。

(4)通過掃描電鏡圖可以明顯觀察到噴灑抑塵劑后褐煤顆粒被緊密黏結(jié)在一起形成完整呈板狀的堅(jiān)硬殼層，形成固化防護(hù)作用。驗(yàn)證得知固化層硬度與經(jīng)風(fēng)蝕后產(chǎn)生的顆粒物數(shù)量濃度存在良好的線性關(guān)系，固化層硬度與抗風(fēng)抑塵效率成正比。