露天煤礦生態(tài)型抑塵劑的制備及性能特征研究

白 志 華

（山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

中國露天煤礦揚(yáng)塵治理沒有得到足夠的重視，開采以及堆放完畢后不再進(jìn)行保護(hù)和處理，對環(huán)境和附近人員都有不同程度的影響。在煤塵化學(xué)抑制劑開發(fā)方面，國內(nèi)外專家學(xué)者取得了很多成果，比如俄羅斯利用己內(nèi)酰胺制備的AHSC 型抑塵劑，美國研制的Conherex 型煤塵抑制劑，日本已經(jīng)取得專利的SS 型環(huán)保抑塵劑，以及中國具有代表性的丙烯酰胺型粘結(jié)潤濕劑。雖然目前市面上化學(xué)抑塵劑有很多種類，但是普遍存在一下缺點(diǎn)和局限性：功能單一、污染環(huán)境、原料昂貴、有毒有害、難以降解以及其他二次污染等，并且面對露天煤礦復(fù)雜的條件，應(yīng)用更是受到了限制。

本文立足于朝凱露天煤礦為實(shí)際應(yīng)用情況，選擇羥乙基纖維素作為基體，與聚乙烯醇和聚丙烯酰胺為單體制備煤礦結(jié)殼抑塵劑，能夠有效起到抑制煤塵以及其他揚(yáng)塵的作用。實(shí)驗(yàn)用雙引發(fā)體系，能夠充分激活實(shí)際中羥基、酰胺基和羥基等，以N，N- 亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，同時加入無機(jī)鹽CaCl2和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，能夠進(jìn)一步提高該產(chǎn)品的保濕抑塵性。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 產(chǎn)物制備

把盛有300ml 水的燒杯放在水浴鍋中，溫度調(diào)節(jié)為85℃，緩慢均勻撒布羥乙基纖維素（HEC），在氮?dú)獗Ｗo(hù)下糊化30min。糊化完成后調(diào)節(jié)溫度為60℃，在燒杯中加入一定量的過硫酸銨和硫代硫酸鉀，等待20min 后加入聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（AM），反應(yīng)一段時間后緩慢將N,N'- 亞甲基雙丙烯酰胺溶液倒入反應(yīng)燒杯中，繼續(xù)加熱攪拌20min，加入十二烷基苯磺酸鈉和無水CaCl2，攪拌均勻后得到最終產(chǎn)物。

1.2 最佳配比

通過正交試驗(yàn)得出：HEC：PVA：AM 為 5:2:8，引發(fā)劑（過硫酸銨和硫代硫酸鉀）為HEC 的2%，交聯(lián)劑（N,N'- 亞甲基雙丙烯酰胺）為PVA 的1.8%，此配比結(jié)殼抑塵劑性能最佳。

1.3 紅外光譜

將羥乙基纖維素、產(chǎn)物放在真空干燥箱中干燥處理后，進(jìn)行紅外實(shí)驗(yàn)研究官能團(tuán)的變化。

1.4 掃描電鏡

將羥乙基纖維素、產(chǎn)物在真空干燥箱中干燥后破碎，用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

1.5 成殼性

殼體厚度的測定：待噴灑結(jié)殼抑塵劑的朝凱露天煤礦煤塵周邊泥土，結(jié)殼穩(wěn)定后取粘結(jié)形成的殼體殼，觀察成殼情況，用邵氏硬度計(jì)測試殼體表面硬度，用游標(biāo)卡尺測量其厚度，每個樣品重復(fù)測三次求取平均值。

1.6 抑塵性

將所制備抑塵劑噴灑于裝在培養(yǎng)皿的朝凱露天煤礦煤塵、周邊泥土表面，以及噴灑相同質(zhì)量的水作為 對 照 。 模 擬 5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s、12m/s、13m/s、14m/s、15m/s 不 同 風(fēng) 速 ， 風(fēng) 吹20min 后測定其抑塵率，同時與噴灑水進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用抑塵率α 表示：

1.7 生態(tài)性

將該結(jié)殼抑塵劑與朝凱露天煤礦煤粉1:1 混合平鋪在培養(yǎng)皿中，待表面干結(jié)水分損失率基本不發(fā)生變化時（大概經(jīng)過7 天），將該培養(yǎng)皿放在自然條件下保存，每天記錄質(zhì)量變化，計(jì)算分析降解情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 紅外實(shí)驗(yàn)

圖1 紅外譜線

觀察圖1 的紅外光譜可以發(fā)現(xiàn)，1601 cm-1處是CMC 與 AM 分子中的 C=O 伸縮振動吸收峰，1420cm-1為產(chǎn)物中- CH、- CH2 的彎曲振動吸收峰，3157cm-1處為 AM 中的 - NH2 伸縮振動吸收峰，2910cm-1處為- CH2 的特征吸收峰，證明AM已經(jīng)接到了CMC 分子主鏈上。1090cm-1為PVA 中結(jié)晶特征峰C- O，在（c）中- OH 的吸收峰位置發(fā)生了變化，偏移到 3367cm-1處，說明 HEC 中 - OH 和 PVA 中的- OH 產(chǎn)生了分子間氫鍵，雖然兩種大分子結(jié)構(gòu)相差較大，但仍然能夠相容。

2.2 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

圖2 掃描電鏡表面和截面圖像

觀察圖2 制得的結(jié)殼抑塵劑電鏡照片，可以發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)物呈現(xiàn)擠壓片狀空間結(jié)構(gòu)，正是這種特殊的空間結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物表面密實(shí)度較高，因此產(chǎn)物成殼硬度較高，在風(fēng)吹作用下，會逐步風(fēng)蝕表層結(jié)構(gòu)，能夠維持較長時間的結(jié)殼抑塵性能，且密實(shí)的表層構(gòu)造，在雨淋時能夠又具有好的憎水性，水能夠經(jīng)過上表層流走不至于破壞下層結(jié)構(gòu)。截面可以看出空間結(jié)構(gòu)具有一定的空隙結(jié)構(gòu)，能夠起到保濕抑塵的作用。

2.3 成殼性試驗(yàn)

圖3 朝凱露天煤礦煤塵和周邊泥土成殼

觀察圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過比較該結(jié)殼抑塵劑在朝凱露天煤礦煤塵與周邊泥土的結(jié)殼厚度方面，泥土平均結(jié)殼厚度更厚，可以抑制露天煤礦坑底煤塵以及礦坑周圍無植被的泥土發(fā)生揚(yáng)塵。觀察圖中殼體情況，可以更加直觀的看到成殼情況，在培養(yǎng)皿中能夠輕松拿起殼體，成殼情況良好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在噴灑8h 后，結(jié)殼硬度以及抑塵效果已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，再經(jīng)過12h后效果較之前沒有太大變化。

2.4 抑塵性試驗(yàn)

通過觀察圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在噴灑結(jié)殼抑塵劑后，風(fēng)速達(dá)到6m/s 之前，噴灑水和結(jié)殼抑塵劑的煤塵以及泥土抑塵性能變化不大，但隨著風(fēng)速增加，在6m/s～15m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)，噴灑結(jié)殼抑塵劑的抑塵性能卓越，風(fēng)速達(dá)到15m/s 時，抑塵率維持在88%左右，但噴灑水的樣品抑塵率只有28%左右；同樣噴灑水和結(jié)殼抑塵劑，在相同風(fēng)速下，泥土的抑塵率總是偏高于煤粉，作者發(fā)現(xiàn)泥土里含有大量細(xì)顆粒砂石，這導(dǎo)致泥土的整體密度較大，在于水和結(jié)殼抑塵劑形成的表層結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。因此該結(jié)殼抑塵劑具有良好的抑塵性能，覆蓋在表面成殼能夠有效防止揚(yáng)塵。

圖4 結(jié)殼抑塵劑抑塵性能

2.5 生態(tài)性實(shí)驗(yàn)

在生態(tài)降解實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)皿自然條件中的水分、空氣、微生物生物等的共同作用下，結(jié)殼抑塵劑逐漸分解，質(zhì)量逐漸損失，分析圖5 得知，在20 天以前質(zhì)量損失較?。?.21%），但是在20 以后質(zhì)量損失率變化較大（26.90%），一直到40 后質(zhì)量損失率趨于平緩（2.71%）。這是由于在20 天以前樣品表面及內(nèi)部開始生長菌落，20 天到40 天內(nèi)菌落開始大量生長，逐漸分解該結(jié)殼抑塵劑。通過顯微鏡觀察菌落表面，該菌落是絲狀，作者初步判定大部分菌落為放線菌，通過與放線菌電鏡圖片比對具有一致性。綜上能夠說明該結(jié)殼抑塵劑具有可降解性，對周圍環(huán)境友好，具有較好的生態(tài)環(huán)保性。

圖5 降解程度

3 結(jié) 論

本文通過HEC 與AM、PVA 在雙引發(fā)體系下，以MBA 作為交聯(lián)劑，通過添加十二烷基苯磺酸鈉和無水CaCl2進(jìn)一步提高產(chǎn)物性能，制備出成殼性好、耐候性強(qiáng)、抑塵效果顯著環(huán)境友好型結(jié)殼抑塵劑。掃描電鏡觀察了產(chǎn)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)在結(jié)殼抑塵方面具有優(yōu)越性能。經(jīng)過正交試驗(yàn)得出該產(chǎn)物最佳配比；通過性能測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)殼抑塵劑的作用效果，并且可降解具有較好的生態(tài)環(huán)保性，有望在朝凱露天煤礦展開實(shí)踐應(yīng)用，并且本文思路也為山西忻州神達(dá)朝凱煤業(yè)有限公司化學(xué)抑塵起到了拋轉(zhuǎn)引玉的作用，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。