露天礦化學(xué)抑塵劑制備和性能研究

徐國俊 徐占金

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司）

隨著露天礦開采技術(shù)的進(jìn)步以及開采規(guī)模和設(shè)備的大型化發(fā)展，露天開采活動產(chǎn)生的粉塵對環(huán)境的影響越來越大［1］，粉塵問題不僅加劇了開采設(shè)備的磨損，影響其使用年限［2］，而且會因濃度過高引發(fā)爆炸等安全事故，同時高濃度粉塵環(huán)境嚴(yán)重影響露天礦工作人員的身心健康，大幅度增加了露天礦施工人員的作業(yè)難度［3］，長期工作在充滿粉塵的環(huán)境中會誘發(fā)塵肺病，嚴(yán)重者會導(dǎo)致勞動能力喪失或危及生命［4］。

采用傳統(tǒng)的治理方法如灑水、遮蓋等效率很低，難以達(dá)到好的抑塵效果，因此，研究清潔高效的化學(xué)抑塵劑是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)［5］。目前，傳統(tǒng)化學(xué)抑塵劑按抑塵機(jī)理主要分為4種類型［6］，凝聚型化學(xué)抑塵劑、黏結(jié)型化學(xué)抑塵劑、潤濕型化學(xué)抑塵劑、復(fù)合型化學(xué)抑塵劑，新型化學(xué)抑塵劑主要包括3種類型［7］：生態(tài)環(huán)保型化學(xué)抑塵劑、功能型化學(xué)抑塵劑、高分子化學(xué)抑塵劑，傳統(tǒng)的化學(xué)抑塵劑抑塵效果不是很理想，存在成本高、造成二次污染等缺點(diǎn)［8-9］，所以，使用高分子材料制備價格低廉且抑塵效果好的化學(xué)抑塵劑具有重要意義［10］。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

聚乙烯醇（PVA）是一種水溶性高分子聚合物，它的水溶液具有一定的黏度，通過與馬來酸（MA）在高溫下發(fā)生酯化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)酯化交聯(lián)，該反應(yīng)實(shí)際上是將羰基間接引入PVA的分子鏈上，在保持整個PVA分子主鏈不變的情況下生成一種新的聚合物。由于淀粉是具有多羥基的化合物，具有較多的脫水葡萄糖單元，因此淀粉分子中存在大量的可反應(yīng)基團(tuán)，將PVA、MA與淀粉作為基料，在硫酸鹽、表面活性劑、成膜助劑的作用下，在加熱條件下反應(yīng)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使化學(xué)抑塵劑在具有一定黏聚粉塵效用的同時還能產(chǎn)生膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行覆蓋，達(dá)到固土防塵的目的，進(jìn)而減少粉塵對人類生產(chǎn)生活的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究涉及化學(xué)抑塵劑，包括以下組分：聚乙烯醇3%～6%、淀粉2%～6%、馬來酸5%～8%、表面活性劑1%～3%、硫酸鹽2%～4%、成膜助劑1%～2%，余量為水。

制備方法：將水加熱至50℃以上時，加入淀粉，持續(xù)加熱攪拌使淀粉糊化，待溫度上升到65～90℃后加入聚乙烯醇，攪拌10 min后，加入馬來酸和硫酸鹽繼續(xù)進(jìn)行攪拌，5 min后停止攪拌，自然冷卻至30～35℃后加入表面活性劑與成膜助劑。

本次研究根據(jù)上述配方以及制備方法，預(yù)設(shè)5種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對比研究（表1）。

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2 化學(xué)抑塵劑性質(zhì)分析

2.1 失水率測定

將實(shí)驗(yàn)得出的5種化學(xué)抑塵劑配比與水進(jìn)行失水率對比分析，分別噴灑相同質(zhì)量的5種化學(xué)抑塵劑與水到相同質(zhì)量的土壤上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取50 g土壤分別噴灑10 g化學(xué)抑塵劑與水，分為6組樣本放入恒溫箱中，設(shè)定溫度為25℃，并排除其他因素影響，化學(xué)抑塵劑與水會隨時間進(jìn)行自然揮發(fā)，每隔30 min取出樣本進(jìn)行稱重記錄，直至化學(xué)抑塵劑與水完全揮發(fā)，將每組樣本總質(zhì)量減去每時間段記錄的質(zhì)量得出差值，差值與化學(xué)抑塵劑與水質(zhì)量的比值即為對應(yīng)時間的失水率，將6組計(jì)算得出的數(shù)據(jù)記錄（表2）并列表分析。

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根據(jù)表2化學(xué)抑塵劑與水的6組失水率測定實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),繪制失水率隨時間變化曲線圖，使用平滑曲線擬合失水率測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得出失水率隨時間的演化規(guī)律，將其規(guī)律曲線與水的失水率曲線進(jìn)行對比，分析化學(xué)抑塵劑性質(zhì)?；瘜W(xué)抑塵劑失水率隨時間增加逐漸增加，當(dāng)達(dá)到180 min時樣本水完全揮發(fā)，化學(xué)抑塵劑中水分并未完全揮發(fā)，在0~180 min內(nèi)化學(xué)抑塵劑失水率明顯低于樣本水失水率。方案1由于聚乙烯醇、馬來酸和淀粉含量較少，在酸醇發(fā)生酯化反應(yīng)后與糊化淀粉生成產(chǎn)物黏度較低，所以在5種實(shí)驗(yàn)方案中失水率最高；方案5由于聚乙烯醇、馬來酸和淀粉含量較多，雖然產(chǎn)生反應(yīng)后失水率在5種方案中最少，但同時黏度較高。失水率作為化學(xué)抑塵劑性質(zhì)評定中的一個重要指標(biāo)，直接影響了化學(xué)抑塵劑的持續(xù)抑塵效果，從上述圖表中可知，5種實(shí)驗(yàn)方案均具有較低的失水率，在相同的時間內(nèi)保濕性更強(qiáng)，水分更不易流失。

2.2 沉降率測定

實(shí)驗(yàn)室配有空氣質(zhì)量變送器進(jìn)行粉塵濃度測量，其本身可以壁掛或放置使用，外殼具有較高的防護(hù)等級和較好的防水性，適用于各類公共場合，采用激光散射測量原理，通過數(shù)據(jù)雙頻采集技術(shù)進(jìn)行篩分，得出單位體積內(nèi)等效粒徑的顆粒物粒子個數(shù)，并以科學(xué)算法計(jì)算出單位體積內(nèi)等效粒徑的顆粒物質(zhì)量濃度，保證設(shè)備長期穩(wěn)定在0～1 000μg/m3測量范圍，雙頻數(shù)據(jù)采集及自動標(biāo)定技術(shù)一致性可達(dá)±10%，響應(yīng)速度≤90 s，隨后通過485總線將粉塵濃度數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)境監(jiān)控平臺，進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測，并繪制實(shí)時濃度曲線，手機(jī)電腦可隨時通過環(huán)境監(jiān)控云平臺查看，不僅在粉塵濃度超標(biāo)會后有報(bào)警提示，還可以將后臺記錄粉塵濃度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行計(jì)算研究（圖1）。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化學(xué)抑塵劑沉降效果測定，將化學(xué)抑塵劑實(shí)驗(yàn)方案與水分成6組進(jìn)行抑塵效果測定。取50 g煤粉在相同風(fēng)速條件下，進(jìn)行粉塵逸散相似模擬；在不改變此條件的情況下，分別使用相同質(zhì)量的化學(xué)抑塵劑及水進(jìn)行噴灑，隨后使用空氣質(zhì)量變送器進(jìn)行粉塵濃度測定，并根據(jù)程序輸出數(shù)據(jù)，每隔一秒進(jìn)行記錄當(dāng)前粉塵濃度，將起始粉塵濃度數(shù)值減去對應(yīng)時間粉塵濃度，所得差值與起始粉塵濃度之比即為沉降率，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)按時間與沉降率對應(yīng)記錄，如表3所示。

以1 s為記錄數(shù)據(jù)的時間間隔，記錄五組化學(xué)抑塵劑以及水總共6組沉降率隨時間變化數(shù)據(jù)，當(dāng)時間達(dá)到6 s時化學(xué)抑塵劑最高沉降率已達(dá)90%以上，此時停止數(shù)據(jù)記錄，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，無論是哪種化學(xué)抑塵劑，沉降率都明顯高于水的沉降率，5種化學(xué)抑塵劑在1～6 s內(nèi)記錄的6個時間節(jié)點(diǎn)的沉降率均高于水的沉降率，化學(xué)抑塵劑擬合曲線平均水平均高于水的擬合曲線，可以看出方案3沉降率在5種方案中最高，方案1沉降率在5種方案中最低，5種化學(xué)抑塵劑沉降率為水的1.38～1.47倍不等，化學(xué)抑塵劑沉降率方案3＞方案2＞方案4＞方案5＞方案1，由數(shù)據(jù)可知5種方案無論時效性還是最終抑塵效果，均具有良好表現(xiàn)。

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2.3 基本性質(zhì)測定

對5種化學(xué)抑塵劑實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行pH值、表面張力、滲透性、黏度、保存時間等性質(zhì)測定分析，化學(xué)抑塵劑pH值排序：方案1＞方案3＞方案4＞方案5＞方案2，由于酸醇發(fā)生酯化反應(yīng)剩余有未完全反應(yīng)的馬來酸以及催化劑硫酸鹽，化學(xué)抑塵劑整體呈酸性；化學(xué)抑塵劑黏度排序：方案5＞方案4＞方案3＞方案2＞方案1，由于聚乙烯醇與糊化淀粉本身都具有一定的黏度，通過一系列反應(yīng)混合后會產(chǎn)生大量的膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致化學(xué)抑塵劑具有一定的黏度；化學(xué)抑塵劑保存時間排序：方案3＞方案2＝方案5＞方案4＞方案1，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出化學(xué)抑塵劑均有10 d以上較長的保存時間，具備足夠的時間條件進(jìn)行使用。

化學(xué)抑塵劑表面張力和滲透性是衡量化學(xué)抑塵劑抑塵效果的重要指標(biāo)，兩者之間存在著間接的影響，得到各化學(xué)抑塵劑方案與其相對應(yīng)的表面張力及滲透性關(guān)系，如圖2所示。

化學(xué)抑塵劑表面張力排序：方案5＞方案4＞方案3＞方案1＞方案2，由于原反應(yīng)原料在溶于水后具有一定的黏度，導(dǎo)致溶液表面張力較高，通過添加表面活性劑使得化學(xué)抑塵劑整體具有較低的表面張力；化學(xué)抑塵劑滲透性排序：方案2＞方案1＞方案3＞方案4＞方案5，化學(xué)抑塵劑的表面張力間接影響其滲透性，由于表面張力減小致分子間作用力降低，化學(xué)抑塵劑中分子分散度更高，且具有較高的滲透性。

將實(shí)驗(yàn)室測得的5種化學(xué)抑塵劑方案的成分、pH值、表面張力（mN/m）、滲透性（mm/h）、保存時間（d）、黏度（mPa·s）、沉降率（%）以圖表的方式直觀展現(xiàn)出來，便于分析各化學(xué)抑塵劑實(shí)驗(yàn)方案之間的物理化學(xué)性質(zhì)，再結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況選出最優(yōu)方案，如表4所示。

3 結(jié) 論

注：成分（質(zhì)量比）為淀粉∶聚乙烯醇∶馬來酸∶硫酸鹽∶表面活性劑∶成膜助劑

（1）利用聚乙烯醇優(yōu)越的水溶性和黏結(jié)性等特點(diǎn)，將具有強(qiáng)黏結(jié)型的改性淀粉以及與聚乙烯醇能發(fā)生良好酯化反應(yīng)的馬來酸為主要原料，在其余輔料的作用下，制備了一種清潔高效且符合產(chǎn)品指標(biāo)要求的化學(xué)抑塵劑，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，化學(xué)抑塵劑的適宜工藝配方為聚乙烯醇4%、淀粉4%、馬來酸7%、硫酸鹽3%、表面活性劑2%、成膜助劑1%，余量為水。

（2）該化學(xué)抑塵劑的吸濕、保水性較好，在具有較好抑塵效果的同時能夠增加粉塵的濕度以及黏度，防止噴灑后塵土干裂，起到固土防塵的效果，延長了抑塵時間并改善了抑塵效果。

（3）由于該化學(xué)抑塵劑本身具有一定的黏度，對粉塵顆粒具有一定的捕捉能力，能在噴灑的同時黏結(jié)空氣中的粉塵，并在噴灑后形成一定的固化層覆蓋在粉塵表面，防止二次揚(yáng)塵，可適用于露天礦靜態(tài)及動態(tài)作業(yè)情況，具有較好的抑塵效果。