道路施工環(huán)保型抑塵劑的制備及其性能評價

戴雯婧，甘延玲，葉綠萌，謝宗委，劉壯壯，賀烈華，黃海保，肖家勇

(1.中山大學 環(huán)境科學與工程學院，廣東 廣州 510275；2.湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410000；3.珠海市金灣區(qū)聯(lián)港基礎(chǔ)投資有限公司，廣東 珠海 519090)

0 引言

大氣漂浮的顆粒物會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境污染，近年來，隨著我國城市化的快速發(fā)展，道路施工揚塵對城市大氣顆粒污染物貢獻率愈加突出[1-2]。目前，國內(nèi)道路現(xiàn)場施工路面一般采用泥土、碎石、泥結(jié)石或混凝土等形式，道路施工從土方的開挖到后期的填筑、整平，揚塵的產(chǎn)生幾乎伴隨整個施工過程[3-4]。揚塵中粒徑較小的粉塵，易形成氣溶膠，長時間漂浮在空氣中，不易沉降，也不易于捕捉。這些粉塵不僅會降低能見度，增加相關(guān)工作人員傷亡事故的風險[5]，還會通過呼吸道進入體內(nèi)，引發(fā)哮喘、慢性阻塞性肺疾病和肺氣腫等疾病，嚴重情況下還會引起心血管疾病并導(dǎo)致過早死亡[6-8]，成為民眾極為關(guān)心的環(huán)境問題和投訴熱點。林方醒等[9]通過監(jiān)測珠三角區(qū)域城市房建工程的揚塵排放，發(fā)現(xiàn)施工道路為主要揚塵超標部位。抑制揚塵已成為城市大氣顆粒物控制的重要手段[10-13]。

噴灑水是抑制揚塵的一種常用方法，但水的粘度，耐久性和固結(jié)效果不佳，因此未得到廣泛應(yīng)用[14]。噴灑抑塵劑被認為是一種有效控制揚塵的措施。根據(jù)抑塵的機理差異，抑塵劑可以劃分為四種類型：凝聚型、潤濕型、粘結(jié)型和復(fù)合型，其中復(fù)合型抑塵劑可將潤濕、粘結(jié)、凝并、吸濕、保水等功能結(jié)合為一體，抑塵效果顯著，適用范圍廣泛，因此成為近年來的研究熱點[15-17]。梁文俊等[18]利用玉米秸稈、羧甲基纖維素鈉和工業(yè)堿 NaOH為原料，在常溫下制備出粘度320 mPa·s，抗壓強度220 kPa，能夠有效抵御外界破壞和優(yōu)異粘附性能的抑塵劑。來水利等[19]以羧甲基淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺為原料，在65 ℃微波輻射下以水溶液接枝共聚法制備了一種軟膜抑塵劑，其保水性、抗震蕩性及其抗風蝕性能均優(yōu)于市售抑塵劑。SUN等[20]用淀粉作為原料，以甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰胺為單體，制備出最大可承受56.35 N的軸承壓力，且在12 m/s風吹下，固塵率維持在80%以上的抑塵劑。李潁泉等[21]以丙烯酸為功能單體、甲基丙烯酸甲酯為硬單體、丙烯酸丁酯為軟單體、過硫酸銨為引發(fā)劑，用乳液聚合法合成固質(zhì)量分數(shù)為 51.0%，黏度為9.6 mPa·s，可穩(wěn)定保存6個月的速溶型液體抑塵劑。目前，很多市售抑塵劑雖抑塵效果顯著，但制備過程復(fù)雜、成本高、多半含有難降解單體，易對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。此外，研究者在探究抑塵劑相關(guān)性能時，大多使用濃度較高的抑塵劑原液，而忽略了在實際噴灑應(yīng)用中會將抑塵劑原液稀釋相應(yīng)比例，這會導(dǎo)致實驗和實際應(yīng)用效果存在較大差異。因此，在研發(fā)抑塵性能優(yōu)異、環(huán)保經(jīng)濟的環(huán)境友好型抑塵劑的同時，非常有必要探究抑塵劑實際應(yīng)用場景下的噴灑效果。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

水溶性淀粉，食品級，國藥集團化學試劑有限公司；海藻提取液，食品級，新未來生物制品成都有限公司；羥丙基甲基纖維素，食品級，河北鵬宇生物科技有限公司；氯化鎂，食品級，上海啟仁化工有限公司；尼伯金復(fù)合酯，食品級，山東魯森生物科技有限公司；市售抑塵劑1，濃縮液，河南君平新材料科技有限公司；市售抑塵劑2，濃縮液，大城縣亦博化工有限公司。

1.2 實驗儀器設(shè)備

Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo Fisher公司；Sigma 500型場發(fā)射掃描電鏡，德國Carl Zeiss股份公司；德國克呂士K100型表面張力儀，克呂士科學儀器(上海)有限公司；T09-1S型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式指針黏度計，上?？兲╇娮涌萍加邢薰?；9076A型電熱鼓風干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司。

1.3 抑塵劑原液制備

本研究采用原材料易得、安全環(huán)保、價格經(jīng)濟，制備過程簡單的工藝來合成抑塵劑原液，在常溫下將水溶性淀粉和羥丙基甲基纖維素按照質(zhì)量比7∶0.5混合，并加入適量去離子水，用磁力攪拌器攪拌一定時間，使其充分混合溶解。然后加入0.1%～0.2%的氯化鎂，攪拌使其充分混合反應(yīng)，最后加入2.1%～2.5%的海藻提取液和0.1%的尼伯金復(fù)合酯攪拌混合均勻后封裝保存。

1.4 塵樣采集

由于道路施工揚塵一般具有較多的塵土和沙石粉末，為模擬試劑應(yīng)用工況，本文選用沙土為原料。在裸露沙土地表面挖取適量沙土，除去其中較大的砂礫、枯枝、雜草和塑料垃圾等，置于太陽光下暴曬烘干，然后將沙土研磨過80目的篩子篩分，所得的樣品為實驗揚塵樣品。

1.5 抑塵劑性能測試

通過前期初步預(yù)實驗，選擇將抑塵劑原液分別稀釋2、4、6、8、10倍來測試其各項性能，包括保濕性、吸濕性、抗風蝕性、粘度和表面張力等，在保證抑塵效果的前提下，選擇最經(jīng)濟的方法，達到最佳抑塵效果。

1.5.1 保濕性

準備6個規(guī)格為90 mm的培養(yǎng)皿，每個培養(yǎng)皿稱取10 g塵樣鋪平，分別編號1～6，1號按照2 L/m2均勻噴灑水，作為對照組。2～6號分別均勻噴灑抑塵劑原液稀釋2、4、6、8、10倍的溶液，噴灑量為2 L/m2。然后將培養(yǎng)皿放置在溫度為35 ℃的電熱鼓風干燥箱中，每隔1 h取出培養(yǎng)皿稱重，并記錄數(shù)據(jù)。保濕性根據(jù)保水率的大小來表征，其計算公式如式(1)：

(1)

式中：θ1為保水率，%；W2為每隔1 h測得培養(yǎng)皿的重量，g；W1為噴灑溶液后培養(yǎng)皿的重量，g；W0為培養(yǎng)皿初始的重量，g。

1.5.2 吸濕性

準備6個規(guī)格為90 mm的培養(yǎng)皿，每個培養(yǎng)皿稱取10 g塵樣鋪平，分別編號1～6，1號按照2 L/m2均勻噴灑水，作為對比試樣。2～6號分別均勻噴灑抑塵劑原液稀釋2、4、6、8、10倍的溶液，噴灑量為2 L/m2。噴灑溶液后將培養(yǎng)皿放入干燥箱中60 ℃恒溫烘干2 h，取出稱重后，置于室溫環(huán)境中，每隔1 h稱重并記錄。吸濕性根據(jù)烘干后測得含水率的大小來表征，其計算公式如式(2)：

(2)

式中：θ2為含水率，%；W2為每隔1 h測得培養(yǎng)皿的重量，g；W1為噴灑溶液且干燥2 h后培養(yǎng)皿的重量，g；W0為塵樣的質(zhì)量，g。

1.5.3 抗風蝕性

準備7塊一面光滑一面粗糙的玻璃片(10 cm×10 cm)，稱取10 g塵樣置于每塊玻璃的粗糙面并鋪平，分別編號1～7，1號不做任何處理，2號均勻噴灑5 mL(約為1 L/m2)水，3～7號分別均勻噴灑原液稀釋2、4、6、8、10倍的抑塵劑，噴灑量為5 mL(約為1 L/m2)。噴灑完后置于鼓風干燥箱中50 ℃溫度下烘1 h，烘完取出稱重記錄。前期預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)在10 m/s的風速內(nèi)，噴灑水和抑塵劑的塵樣，在不經(jīng)過碾壓的情況下，抗風蝕性都很強，基本無差異，但在道路施工過程中，作業(yè)車輛、施工人員往來會對地面塵土造成一定的碾壓，可能會使已經(jīng)結(jié)殼的塵土破碎，從而產(chǎn)生二次揚塵，為針對道路施工實際情況測試，模擬車輪、重物和人行等會產(chǎn)生碾壓情況，分別用裝有500 mL水的玻璃瓶碾壓塵樣5次。先分別將1～7號玻璃片在5 m/s的風速下吹蝕 3 min后，稱重記錄；然后在10 m/s 的風速下吹蝕 3 min 并稱重記錄。最后通過計算其風蝕率，來進一步評價抑塵劑性能。風蝕率E計算公式如式(3)：

(3)

式中：E為風蝕率，%；W1為風蝕前玻璃片的質(zhì)量，g；W2為風蝕后玻璃片的質(zhì)量，g。

1.5.4 粘度

在25 ℃室溫環(huán)境下，利用 DNJ-1 型粘度計測量不同稀釋倍數(shù)抑塵劑溶液的粘度，分別將原液稀釋2、4、6、8、10倍的抑塵劑溶液放置在500 mL的燒杯中，溶液上表面沒過轉(zhuǎn)子刻度線，選擇合適的轉(zhuǎn)數(shù)，測量3次取平均值。

1.5.5 紅外光譜

采用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10型)進行紅外光譜測試，將不做處理、噴水和噴灑抑塵劑原液的塵樣在鼓風干燥箱中于60 ℃條件下干燥6 h后，用KBr作為載體，取適量塵樣覆蓋其表面壓平，用紅外光譜儀掃描分析抑塵劑的分子基團、化學鍵和官能團等變化。

1.5.6 掃描電鏡

采用場發(fā)射掃描電鏡(Sigma 500型)進行測試，將不做任何處理、噴灑水和噴灑原液稀釋2、4、6、8、10倍抑塵劑的塵樣在鼓風干燥箱中60 ℃下干燥2 h，再用導(dǎo)電膠分別將適量塵樣粘在樣品臺上，測試分析不同處理后塵樣的表面形態(tài)。

1.5.7 表面張力

采用德國克呂士K100型表面張力儀對抑塵劑溶液的表面張力進行測定，選擇Du Nouy環(huán)法測量原液稀釋2、4、6、8、10倍抑塵劑的表面張力，測量5次，取平均值。

1.6 經(jīng)濟實用性

為探究自制抑塵劑與市售抑塵劑的抑塵效果，分別從河南君平新材料科技有限公司和大城縣亦博化工有限公司購買市售抑塵劑1、2，選取抑塵性能測試中最具代表性的保濕性，將自制抑塵劑與所購抑塵劑進行對比，保濕性的測試方法同前一節(jié)所述，比較三款抑塵劑的經(jīng)濟實用性能。

2 結(jié)果和討論

2.1 保濕性

圖1為不同溶液噴灑塵樣的保濕性能對比，由圖可知，噴灑抑塵劑的總體保濕性明顯優(yōu)于噴灑水的，噴灑抑塵劑的保水率隨稀釋倍數(shù)的增大逐漸減小，噴灑抑塵劑原液稀釋4、6、8、10倍的保水率差異不明顯，總體不超過2%。其中噴灑原液稀釋2倍抑塵劑保水率是其他稀釋倍數(shù)的2倍以上，在經(jīng)過30 h后，保水率仍能維持在4.5%以上，說明可以長期鎖住塵樣中的水分，防止水分蒸發(fā)和二次揚塵產(chǎn)生，具有良好的抑塵效果。

圖1 不同溶液噴灑塵樣的保濕性能對比

2.2 吸濕性

圖2描繪了不同溶液噴灑塵樣后的吸濕性能對比，從圖中可以看出，噴灑水的塵樣吸濕性較差，干燥處理后的塵樣含水率幾乎為0。噴灑抑塵劑的含水率均高于噴灑水的，含水率隨稀釋倍數(shù)的增大逐漸減小，噴灑抑塵劑原液稀釋4、6、8、10倍的塵樣經(jīng)烘干置于室溫下，含水率保持在0.4%～1.3%之間，而噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣吸濕性明顯優(yōu)于其他稀釋倍數(shù)的抑塵劑，在經(jīng)過20 h后，含水率仍然保持在2.2%左右，對空氣中的水分展現(xiàn)了良好吸濕效果，能有效捕捉空氣中的水分，增加塵樣濕度和重量，能防止塵土飛揚，抑塵性能優(yōu)越。

圖2 不同溶液噴灑塵樣的吸濕性能對比

2.3 抗風蝕性

未做處理塵樣、噴灑水塵樣及噴灑不同稀釋倍數(shù)抑塵劑的塵樣的抗風蝕性能測試結(jié)果見表1，從表1可以看出，經(jīng)過碾壓后，不做處理和噴灑水的塵樣，分別在5 m/s和10 m/s風速吹3 min后，風蝕率都高達97%以上，說明其抗風蝕性極弱。而噴灑原液稀釋不同倍數(shù)抑塵劑的塵樣均具有一定的抗風蝕性，且隨抑塵劑原液稀釋倍數(shù)增大，抗風蝕性逐漸減弱。其中噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣，經(jīng)過碾壓后，在5 m/s風蝕下，風蝕率僅有0.838%，在10 m/s風蝕下，風蝕率為2.742%，說明噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣表面固化層的強度較高，不易松散，不易再次漂浮到空氣中，具有遠超其它稀釋倍數(shù)抑塵劑的優(yōu)異抗風蝕性能。

表1 抗風蝕性測量結(jié)果

2.4 粘度測試

水以及不同稀釋倍數(shù)抑塵劑的粘度測試結(jié)果如圖3所示，從圖中可明顯看出，從圖中可以看出，稀釋不同倍數(shù)的抑塵劑粘度均比水(1 mPa·s)的粘度高，原液稀釋2倍的抑塵劑是稀釋其他倍數(shù)的抑塵劑及水的粘度值的2倍以上，其余稀釋倍數(shù)的抑塵劑粘度值差異不明顯。一般在組分相同情況下，粘度值越高，粘結(jié)性能越大，抑塵效果越好，說明原液稀釋2倍的抑塵劑粘結(jié)性能最佳，對塵樣能夠有效的起到粘結(jié)作用，使粉塵顆粒發(fā)生聚集，增大顆粒物的粒徑，從而達到高效抑塵效果。

圖3 不同溶液的粘度值變化

2.5 紅外光譜

圖4為不做處理、噴灑水和噴灑抑塵劑原液三種不同方式處理塵樣的紅外光譜圖，由圖對比分析可得出，在噴灑抑塵劑原液塵樣的紅外光譜圖中，2 935 cm-1為水溶性淀粉甲基上-CH2-上的C-H不對稱伸縮振動峰。在1 420 cm-1處的峰為纖維素上的N-H的伸縮振動峰。在1 159 cm-1處出現(xiàn)的C-O-C的伸縮振動峰明顯強于不做任何處理和噴灑水的塵樣，可以說明塵樣中的含氧官能團增多，增大了塵樣親水性，提高抑塵性能。同時抑塵劑均為食品級原料，在塵樣上的吸附主要為物理吸附，不會影響塵樣結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因此不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，是一種環(huán)保型的抑塵劑。

圖4 不同處理塵樣的紅外光譜圖

2.6 掃描電鏡

通過掃描電鏡對不同條件處理的塵樣進行了表面形貌的觀察。掃描電鏡圖如圖5所示，圖a、b、c、d、e、f、g分別為不做處理、噴灑水、噴灑原液稀釋2、4、6、8、10倍的塵樣掃描電鏡圖，通過對比不同處理塵樣的掃描電鏡圖觀察發(fā)現(xiàn)，不做處理，噴灑水和噴灑原液稀釋4、6、8、10倍的塵樣相互之間黏連性較小，塵樣顆粒較為獨立、松散，塵粒間有較多的空隙。但是噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣表現(xiàn)出良好的黏連性，塵樣相互之間呈現(xiàn)絲狀黏連，空隙減少，提高其緊密結(jié)合性能，起到了良好的抑塵效果。

圖5 不同處理的塵樣表面掃描電鏡

2.7 表面張力

圖6為不同溶液的表面張力值，從圖中可以看出，不同稀釋倍數(shù)抑塵劑的表面張力值均小于水(72.28 mN/m)的表面張力值，其中稀釋2倍的抑塵劑與抑塵劑原液表面張力值相差不大，均小于48 mN/m，相較于水來說，表面張力值減小了將近一半，但是從稀釋4倍抑塵劑開始表面張力值開始明顯增大。表面張力值小能夠加速粉塵濕潤，使其更容易被捕捉，從而提高抑塵效果。因此稀釋2倍的抑塵劑具有最佳的實用性能。

圖6 抑塵劑原液稀釋不同倍數(shù)的表面張力

2.8 經(jīng)濟實用性分析

自制抑塵劑與市售抑塵劑的保濕性能對比見圖7，從圖中可以看出，在經(jīng)過5 h后，抑塵劑的保水率都迅速下降至10%以下，購買的兩款市售抑塵劑更是降到1%以下，而自制稀釋2倍的抑塵劑在經(jīng)過30 h后，仍然保持在4.5%～5% 的保水率，由此可見，自制抑塵劑的抑塵性能要好于這兩款在售抑塵劑。此外，自制抑塵劑實際使用中的噴灑量約為1 L/m2，通過成本核算，包括交通運輸費在內(nèi)，該抑塵劑的使用成本約為1.25元/m2，市售抑塵劑1、2的使用成本分別約為0.84元/m2和0.92 元/m2，和市售抑塵劑相比，雖然自制抑塵劑價格更高，但是其抑塵性能卻是市售的約5倍，從長遠角度看，自制抑塵劑抑塵性能好，原材料綠色，易降解，沒有二次污染，具有更好的經(jīng)濟實用性能。

圖7 自制抑塵劑與市售抑塵劑保濕性對比

圖8 圖7中A的放大圖

3 結(jié)論

本研究在充分考慮制備工藝、經(jīng)濟環(huán)保和實際應(yīng)用等因素基礎(chǔ)上，利用水溶性淀粉、羥丙基甲基纖維素、海藻提取液和尼伯金復(fù)合酯等食品級原料，在常溫下以低成本簡單工藝制備了一種環(huán)保型道路施工抑塵劑。

通過測試，噴灑原液稀釋2倍的抑塵劑的塵樣，保濕性和吸濕性在經(jīng)過20 h后，能穩(wěn)定維持4.5%和2.2%左右，在10 m/s的風蝕下，經(jīng)過碾壓，風蝕率僅為2.742%，粘度和表面張力分別為12 mPa·s 和46.90 mN/m，和原液相比差異小。表面張力小，濕潤性好，增加了塵樣間的粘結(jié)性，吸附性和保濕性，表現(xiàn)出良好的抑塵性能。

通過紅外光譜測試，得出制備的抑塵劑的含氧官能團增多，增大了塵樣親水性，提高抑塵性能。通過掃描電鏡顯示，噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣，表現(xiàn)出良好的黏連性，塵樣間呈絲狀緊密相連，有效抑制揚塵。

在保證抑塵效果的前提下，和市售的抑塵劑對比，原液稀釋2倍的抑塵劑使用成本約1.25元/m2，價格略高于市售抑塵劑，但是其抑塵性能卻是市售的約5倍，維持時間更長，原料均為可降解食品級材料，具有經(jīng)濟實用、綠色環(huán)保等優(yōu)點，有望實現(xiàn)規(guī)模推廣應(yīng)用，極大抑制道路施工揚塵，有效保護大氣環(huán)境。