露天礦山運輸路面泡沫抑塵劑的配方優(yōu)選及性能試驗研究*

劉家進，鄔長福，陳祖云，黃志勝

(1.江西理工大學 資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000)

0 引言

當前我國非煤礦山多為露天開采，且運輸路面多為土碎石臨時路面。露天礦一般多位于距路面5 m處，其空氣含塵濃度可高達750～800 mg/m3，是職業(yè)衛(wèi)生標準的800倍左右，其中露天礦山運輸過程中產(chǎn)生的粉塵約占全礦產(chǎn)塵的70%～90%。嚴重威脅作業(yè)人員的身心健康[1]。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國共新增各類職業(yè)病23 497例，其中塵肺病占總數(shù)的82.85%[2]；2019年中國共新增各類職業(yè)病19 428例，塵肺病占總數(shù)的81.83%[3]。

解決路面揚塵的傳統(tǒng)方法為灑水抑塵，但耗水量大、對微細粉塵的抑制效率低。當氣溫在0 ℃以下時，運輸路面易凍結(jié)；當氣溫較高時，水分易蒸發(fā)，有效抑塵時間短，且重復灑水易加重路面風化程度，不利于露天礦山的物資運輸，揚塵進一步加劇。粘結(jié)型化學抑塵劑的粘結(jié)性和高溫抗蒸發(fā)性較好，但難以降解，且吸濕性較差；凝聚型化學抑塵劑具有良好的吸水性，但具有一定的浸蝕性；復合型化學抑塵劑的抑塵性能較全面，但研發(fā)的成本較高，且制備難度大[4]。因此，為降低成本并提高抑塵效果，研制現(xiàn)實可行的抑塵劑是解決路面揚塵問題的關鍵。

泡沫抑塵劑作為新型抑塵劑，以高效的除塵效率而得到廣泛研究。具有以下優(yōu)勢：作用時間長，對微米級的粉塵具有良好的抑制效果，增大泡沫捕塵面積。然而大多數(shù)研究針對煤礦粉塵[5-9]，對露天非煤礦山運輸路面揚塵的研究與應用較少。在查閱文獻和已做試驗的基礎上[10-15]，本文選擇泡沫抑塵劑的配制與性能研究，研究成果可為泡沫抑塵劑的配制以及降低揚塵濃度提供理論基礎和技術(shù)指導，對于降低揚塵對人體的傷害、保護生態(tài)環(huán)境有著重要的實際意義。

1 揚塵的基本性質(zhì)表征

1.1 塵樣的收集與整理

對某露天礦山的運輸?shù)缆番F(xiàn)場采用蛇形采樣法。共設6個采樣點，采樣時清掃附近2 m2的表層土樣。采用XZM-100型振動磨樣機選擇轉(zhuǎn)速為710 r/min，振動3 min，用200目的分樣篩篩選，置于干燥箱中干燥11 h，密封備用。采用光譜儀測定揚塵中Fe，S，Si等元素的含量。具體結(jié)果如表1所示。

表1 揚塵的主要元素組成Table 1 Main elemental composition of dust %

1.2 表征測試結(jié)果與分析

由表1可看出：運輸?shù)缆窊P塵中含量相對較高的元素分別是Fe,S,Si。這些元素通常以FeO,Fe2O3,SiO2的形式存在，其中SiO2粉塵顆粒不溶于水，是矽肺病的致病粉塵。對于此類難溶于水的粉塵，傳統(tǒng)的灑水難以有效降低揚塵濃度。

2 泡沫抑塵劑的配方優(yōu)選

根據(jù)揚塵的性質(zhì)，抑塵劑須具有保水性、粘結(jié)性、潤濕性和對細微粉塵有效等原則，從眾多抑塵劑單體中選取0.1%烷基糖苷(APG)、0.6%烷基硫酸鈉(K12)、0.3%月桂酸鈉、0.4%烷基磺酸鈉(SDBS)、0.4%聚丙烯酰胺(PAM)、0.3%烷基苯磺酸鈉(LAS)溶液6種抑塵劑單體。

2.1 起泡劑配比優(yōu)選

2.1.1 選擇適宜起泡劑

以0.1%APG溶液為質(zhì)量標準，0.6%K12溶液、0.4%SDBS，0.3%月桂酸鈉、0.3%LAS均按照0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6的配比與0.1%APG溶液混合，檢測各質(zhì)量分數(shù)起泡劑溶液的表面張力，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同起泡劑的表面張力Fig.1 Surface tension of different foaming agents

由圖1可知，起泡劑的表面張力隨著復配比例的增大先減小后增大，最后趨于平衡。從整體來看，0.6%K12與0.1%APG復配溶液的表面張力最大，起泡效果最好時的比例為1∶1。為深入確定二者的最佳配比，進一步縮小檢測范圍。

2.1.2 確定起泡劑添加質(zhì)量比例

以0.1%APG溶液為質(zhì)量基準，縮小檢測范圍，檢測復配比例為0.7∶1～1.1∶1時的表面張力，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 起泡劑K12的表面張力Fig.2 Surface tension of foaming agent K12

由圖2可知，0.6%K12與0.1%APG復配后，在1∶1時達到最低，但與配比為1.05∶1時相近，因此，確定m(0.6%K12)∶m(0.1%APG)為1∶1和1.05∶1，待后續(xù)研究進一步確定。

2.2 穩(wěn)泡劑配比優(yōu)選

2.2.1 選擇適宜的穩(wěn)泡劑

為檢驗0.4%的PAM溶液作為穩(wěn)泡劑的性能，進行2組對比試驗，1組為空白組，另1組添加配制的0.4%的PAM溶液，記錄0～3 h時的泡沫體積，結(jié)果如圖3所示。

圖3 泡沫體積與時間變化的關系Fig.3 Relationship between foam volume and time change

由圖3可知，對比未添加穩(wěn)泡劑，可觀察到添加穩(wěn)泡劑后：不同起泡劑的起泡性能雖無明顯變化，但泡沫體積的消散程度變得更加穩(wěn)定，且3 h后的泡沫體積有較大程度的增加，說明穩(wěn)泡劑有效改善了泡沫的穩(wěn)定性。其中APG與K12復配溶液的泡沫穩(wěn)定性能最佳。

2.2.2 確定穩(wěn)泡劑添加質(zhì)量比例

在2.2.1節(jié)確定的APG和K12溶液的基礎上，添加0.4%PAM溶液，檢測不同配比下溶液的表面張力，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 穩(wěn)泡劑PAM的表面張力Fig.4 Surface tension of foam stabilizer PAM

由圖4可知，配比在0.1∶1～0.6∶1區(qū)間，溶液的表面張力持續(xù)減??；在0.6∶1～0.8∶1區(qū)間，表面張力較低。因此，為深入確定最佳配比，選取配比為0.6∶1～0.8∶1，在試驗中進一步進行優(yōu)選。

2.2.3 泡沫穩(wěn)定性測試

以2.1節(jié)確定的復配起泡劑比例為質(zhì)量基準，按0.6∶1，0.7∶1，0.8∶1的比例加入質(zhì)量分數(shù)為0.4%的陰離子穩(wěn)泡劑PAM溶液，檢測各溶液泡沫的穩(wěn)定性，結(jié)果如表2和圖5所示。

圖5 抑塵劑泡沫體積檢測Fig.5 Foam volume test of dust suppressant

由表2可以看出，泡沫穩(wěn)定性隨著時間的增長均逐漸下降。對比未添加穩(wěn)泡劑PAM溶液3 h的泡沫穩(wěn)定性為46.30%，添加穩(wěn)泡劑PAM溶液后3 h的泡沫穩(wěn)定性最低為66.67%，提高了43.99%以上。4 h后的泡沫穩(wěn)定性與3 h的穩(wěn)定性變化不大，最低為64.71%。比較穩(wěn)泡劑PAM不同添加量時4 h后的泡沫穩(wěn)定性，當0.6%K12∶0.1%APG=1∶1時，0.4%PAM的配比為0.7，其泡沫穩(wěn)定性為78.05%；當0.6%K12∶0.1%APG=1.05∶1時，0.4%PAM的配比為0.6，其泡沫穩(wěn)定性為83.33%，泡沫穩(wěn)定性均為最高。故選擇試劑配比為m(0.6%K12)∶m(0.1%APG)∶m(0.4%PAM)=1∶1∶0.7和1.05∶1∶0.6。

表2 不同配比的PAM的泡沫穩(wěn)定性Table 2 Foam stability of PAM with different ratios

2.3 潤濕劑配比優(yōu)選

以0.1%APG溶液質(zhì)量為基準，加入配比為0.1∶1～0.6∶1的潤濕劑0.3%LAS溶液，測試加入不同配比LAS后溶液的潤濕性能，如圖6所示。

圖6 不同配比潤濕劑對粉塵樣品的接觸角及滲透試驗Fig.6 Experiments on contact angle and infiltration of wetting agent with different ratios on dust sample

2.3.1 接觸角與滲透性試驗

如圖6(a)所示，用克呂士DSA100卓越型接觸角測量儀測量不同配比的潤濕劑溶液與粉體樣品的接觸角，每種試劑測量3次取平均值，結(jié)果見表3。

表3 粉塵樣品的平均接觸角Table 3 Average contact angle of dust sample

由表3可知，潤濕劑與粉體樣品的接觸角較小，說明其潤濕性能較好，當m(0.3%LAS)∶m(0.1%APG)為0.1∶1時，平均接觸角最小為19.4°。

如圖6(b)，圖6(c)所示，根據(jù)不同配比潤濕劑滲透試驗，得到103 min內(nèi)各配比的潤濕劑對粉塵的浸潤深度，潤濕劑對粉塵的浸潤深度與時間的關系如圖7所示。

圖7 潤濕劑LAS浸潤深度與時間的關系Fig.7 Relationship between infiltration depth of wetting agent LAS and time

2.3.2 確定潤濕劑的最佳配比

由圖7可看出，在20 min內(nèi)，復配比例0.5∶1的滲透效果最好，0.1∶1其次，但二者相差較小。隨著時間的延長，復配比例0.1∶1的浸潤深度只略小于0.6∶1，但遠大于其他比例。基于潤濕性能和成本綜合考慮，選擇該泡沫抑塵劑溶液中潤濕劑的配比為m(0.3%LAS)∶m(0.1%APG)=0.1∶1。

2.4 抑塵劑優(yōu)選配方確定

綜上所述，優(yōu)選出了6種泡沫抑塵劑復配配方，配方見表4。6個配方中，配方2與配方4的泡沫穩(wěn)定性較好，故本文試驗初步選定的復配泡沫抑塵劑配方為配方2與配方4，待后續(xù)研究進一步確定最佳配方。

表4 泡沫抑塵劑的配方Table 4 Formulations of foam dust suppressant

3 泡沫抑塵劑性能測定

為確定最佳配方，將泡沫抑塵劑溶液噴灑在粉塵樣品上，檢測保水性、抗壓強度、抗風蝕性、現(xiàn)場測試抑塵效率，并測試泡沫抑塵劑溶液的pH值。保水性試驗樣品及裝置如圖8所示。

圖8 保水性試驗樣品及裝置Fig.8 Test samples and device of water retention

3.1 試驗部分

3.1.1 保水性試驗

如圖8所示，分別稱取10 g已干燥的塵樣置于7個培養(yǎng)皿中，再分別加入1組2 g的去離子水和6組2 g配制的抑塵劑。放入干燥箱中干燥40 h，設定溫度為25，40 ℃，每間隔5 h稱取塵樣的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)并計算得出塵樣的含水率，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 保水性試驗Fig.9 Water retention tests

3.1.2 抗風蝕性試驗

為檢測泡沫各抑塵劑配方噴灑過后的粉塵抗風蝕性能，在7個培養(yǎng)皿中加入同等分量的塵樣，分別噴灑等量的去離子水、6個配方的抑塵劑溶液，將其完全干燥后，模擬室外大風環(huán)境，進行8 h持續(xù)吹風。經(jīng)測試風速分別為9.2，14 m/s。通過稱重，計算出粉塵的損失率，具體結(jié)果見表5。

表5 不同風速下的粉塵損失率Table 5 Dust loss rates under different wind speeds

3.1.3 抑塵效率試驗

為驗證泡沫抑塵劑的抑塵效果，選擇某露天礦山運輸?shù)缆纺陈范危瑖姙⒀兄瞥龅呐浞?與配方4泡沫抑塵劑。為最大程度檢測抑塵效果，在道路的交匯路段設置2個監(jiān)測點，采用CCZ-1000型測量儀對呼吸性粉塵和全塵的濃度進行測定。具體步驟如下：

1)將泡沫抑塵劑原料試劑與水混合，緩慢、少量多次放入APG試劑，在放料的同時進行攪拌，攪拌機在攪拌時保持45°傾斜，待原料溶解后再加大投放。

2)PAM在與水接觸后易出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，需持續(xù)攪拌20 min。將配置好的配方泡沫抑塵劑溶液用水泵抽至灑水車車廂內(nèi)，進行現(xiàn)場噴灑。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 保水性試驗結(jié)果與分析

由圖9結(jié)果可以看出：對比噴灑去離子水后的粉塵的保水率，噴灑了抑塵劑的粉塵的保水率得到明顯提高，且有效保水時間更長。在30 h內(nèi)保水率減小的較快，在30～40 h內(nèi)減小的趨勢有所改善。對比不同配方的保水率：25 ℃時保水率最高的為配方4的35.41%，其次為配方2的34.53%；40 ℃時保水率最高的為配方4的23.06%，其次為配方2的22.47%。綜上所述，保水率最高的是配方4，其次是配方2。

3.2.2 抗風蝕性試驗結(jié)果與分析

由表5可得出，本試驗配制的6種泡沫抑塵劑均可在粉塵表面形成一層堅硬的固化層，有較好的抗風蝕性能，在9.2 m/s風速下風蝕率為0，在風速14 m/s條件下(相當于7級自然風)，風蝕率為17.3%～17.5%，能有效抵抗風蝕作用。6個樣品中，粉塵損失率最低的為配方4，其次為配方2。因此，配方4的抗風蝕性優(yōu)于配方2。

3.2.3 抑塵效率試驗結(jié)果與分析

監(jiān)測點的粉塵抑塵效率如圖10所示。

圖10 粉塵的抑塵效率Fig.10 Dust suppression efficiencies of dust

針對全塵的抑塵效率：配方2在2個監(jiān)測點的抑塵效率分別約為85.02%，84.52%；配方4在2個監(jiān)測點的抑塵效率分別約為86.73%，87.11%。

針對呼吸性粉塵的抑塵效率：配方2在2個監(jiān)測點的抑塵效率分別約為74.1%，74.33%；配方4在2個監(jiān)測點的抑塵效率分別約為74.9%，75.26%。

對于全塵和呼吸性粉塵，配方4的抑塵效率均大于配方2。因此，最優(yōu)泡沫抑塵劑配方為配方4，其配比為m(0.6%K12)∶m(0.1%APG)∶m(0.4%PAM)∶m(0.3%LAS)=1.05∶1∶0.6∶0.1。

3.3 pH值測試

選用PHS-3E型pH計分別對工業(yè)水樣和各配方的抑塵劑溶液進行pH測量。25℃時礦區(qū)工業(yè)水的pH值為7.14，將6個采樣點的塵樣和工業(yè)水混合的樣品攪拌均勻，當粉塵沉淀后，在溶液頂部測量pH值,結(jié)果表明：樣品的pH值為7.33，呈弱堿性。

配方1～6的pH值分別為:7.44，7.43，7.42，7.49，7.47，7.39，可以看出抑塵劑的pH值呈弱堿性接近中性，故配制出的泡沫抑塵劑溶液對礦區(qū)環(huán)境及土壤的影響較小，符合綠色環(huán)保的要求。

4 結(jié)論

1)通過對運輸路面粉塵的基本性質(zhì)分析，得出礦區(qū)水土呈弱堿性，粉塵樣品中主要元素是Fe，S，Si，難溶于水且對人體健康有較強危害。

2)根據(jù)已做的試驗選用0.1%APG作為主劑、0.6%K12作為復配起泡劑，加入0.4%PAM溶液作為穩(wěn)泡劑，0.3%LAS溶液作為潤濕劑。通過表面張力測試和起泡性檢測，確定以0.1%APG為質(zhì)量基準，確定0.6%K12的質(zhì)量配比為1,1.05；通過穩(wěn)泡性試驗，確定穩(wěn)泡劑0.4%PAM的質(zhì)量配比為0.6，0.7，0.8；通過接觸角和滲透性試驗，確定潤濕劑0.3%LAS的質(zhì)量配比為0.1。以上共確定6個泡沫抑塵劑配方，其中配方2與配方4的起泡性與泡沫穩(wěn)定性較好。

3)噴灑配方泡沫抑塵劑后的粉塵樣品保水性較好，粉塵表面能夠長時間保持濕潤狀態(tài)，能夠有效地抵抗外界擾動所造成的殼體損壞和自然風的風蝕作用。其中，配方4泡沫抑塵劑的性質(zhì)與性能最佳，配方2其次。

4)抑塵效率的現(xiàn)場測試表明：無論是對于全塵還是呼吸性粉塵的抑塵效率，配方4都優(yōu)于配方2。結(jié)合上述試驗最終選用配方4：m(0.6%K12)∶m(0.1%APG)∶m(0.4%PAM)∶m(0.3%LAS)=1.05∶1∶0.6∶0.1。pH值為7.49，對環(huán)境影響較小，符合綠色環(huán)保的要求。