煤塵抑塵劑在不同作業(yè)場所的應(yīng)用與發(fā)展前景

田 敏，李治剛，郭紅光，李雨成

（太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理學(xué)院，山西太原 030024）

煤塵抑塵劑因其顯著的效果和特點被認為是治理煤塵揚塵的有效方法之一。因此，分析總結(jié)了煤塵抑塵劑在不同作業(yè)場所的研究應(yīng)用，探討了高分子、微生物抑塵劑的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，有利于更好地了解和把握煤塵抑塵技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。

1 煤塵抑塵劑的研究及應(yīng)用

1）礦井噴霧抑塵劑。礦井開采過程中會產(chǎn)生大量動態(tài)粉塵，為了控制粉塵進一步擴散，多使用噴霧抑塵劑進行降塵。井下噴霧系統(tǒng)使用的抑塵劑以潤濕性能為主，該抑塵劑通過降低溶液的表面張力來提高對粉塵的潤濕效果，從而捕捉、沉降空氣中的浮塵。李樹芳等[3]以氯化鈣、氯化鎂、過硫酸鈉及十二烷基磺酸鈉制備一種應(yīng)用于井下噴霧降塵的潤濕型抑塵劑，接觸角僅有21°，潤濕效果良好；金龍哲等[4]對比分析了多種吸濕材料和表面活性劑，進行氯化鈣、氯化鎂和曲拉通X-100 復(fù)配優(yōu)化，粉塵含水率提高10%，抑塵率98.3%。目前井下噴霧抑塵劑的應(yīng)用相對成熟，但仍需針對3 個方面進行優(yōu)化：①抑塵周期短：使用時需要反復(fù)噴灑，要考慮到使用成本問題；②腐蝕性問題：考慮是否會腐蝕噴嘴造成堵塞；③毒害性：考慮抑塵劑噴灑在空氣中是否會對人體健康產(chǎn)生危害。

2）煤炭儲運抑塵劑。煤炭儲運過程中主要是受到顛簸或風(fēng)力影響導(dǎo)致?lián)P塵污染，因此其應(yīng)用抑塵劑的性能更偏向于黏結(jié)凝聚粉塵。該抑塵劑通過覆蓋、固結(jié)、聚合等作用在噴灑過的散堆物料表面形成具有一定強度硬度的固化層，從而達到抑制煤塵飛揚的目的。陳景序等[5]以羧甲基纖維素鈉、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯酸鈉和無水硫酸鈉制備一種用于散煤運輸?shù)囊謮m劑，固結(jié)層抗壓強度為0.22 MPa，平均抑塵率超過96%，有效降低煤塵排放；JIN H 等[6]利用大豆分離蛋白、羧甲基纖維素鈉、十二烷基磺酸鈉、甲基硅酸鈉制得復(fù)合抑塵劑，其黏度為22.7 mPa·s，最低的風(fēng)蝕率達到20.62%。煤炭儲運過程中應(yīng)用的抑塵劑一般都具有良好的抗雨水沖刷性和抗凍融性，但實際應(yīng)用中無機抑塵劑易出現(xiàn)乳化效果不好的問題；有機抑塵劑滲透力不強，部分組成物質(zhì)難以自然降解，易造成二次污染。

3）露天煤礦抑塵劑。露天煤礦開采過程中由于煤層埋藏較淺，在機械破碎作用下容易產(chǎn)生大量浮沉，浮沉受自然風(fēng)流擾動的影響，會嚴重污染大氣環(huán)境。針對露天礦區(qū)粉塵污染問題，一些學(xué)者提出了以黏結(jié)凝聚為主，潤濕為輔的復(fù)合型抑塵劑。潘海霞[7]利用氯化鈣、水玻璃、硫酸鈉、甘油和脂肪醇聚氧乙烯醚類制備一種適用于礦山露天開采的抑塵劑，除塵效率為89.6%，相比清水提高53.1%；廖奇等[8]研究一種由表面活性劑、增效離子和纖維素組成的礦用復(fù)合抑塵劑，同時兼具潤濕、黏結(jié)、凝聚粉塵的作用，使用后全塵和呼塵的降塵率分別達95.0%和92.8%。但由于合成復(fù)合抑塵劑工藝工序較復(fù)雜，同時對抑塵劑的環(huán)保性能要求較高。因此，露天礦區(qū)抑塵劑的研發(fā)仍然需要不斷試驗與探索。

2 新型煤塵抑塵劑的發(fā)展前景

當(dāng)前煤塵抑塵劑的研究與應(yīng)用越來越廣泛，與此同時新型抑塵劑的發(fā)展也紛至沓來，其中以環(huán)保型、功能型、高分子、微生物抑塵劑為典型代表引領(lǐng)著新型煤塵抑塵劑的發(fā)展。

2.1 井工礦抑塵劑的發(fā)展

針對特定環(huán)境或滿足特別需求的抑塵劑往往是普通抑塵劑應(yīng)用的瓶頸，特別是煤礦開采有自燃傾向性和煤塵爆炸危險性的煤層時，煤塵抑塵劑需要有效針對特殊礦井環(huán)境，滿足特別需求。而功能型抑塵劑恰好可以填補這一空缺，其主要是以高分子聚合物為主，具有較強的成膜性，可有效隔絕物料表層，起到阻燃、阻氧化作用。施春紅等[9]針對井下運輸巷、工作面回風(fēng)巷等場所研制一種新型防火抑塵劑，阻化率達到80.93%，有效抑塵期達20 d 以上；來水利等[10]以納米SiO2、海藻酸鈉等高分子材料合成一種軟膜型硅磷協(xié)同煤炭阻燃抑塵劑，噴灑該抑塵劑煤樣的風(fēng)蝕率降低98.07%，同時兼具阻燃、抑塵2 種性能。

功能型抑塵劑通常針對性強、特點鮮明。例如防火抑塵劑，有較高的熱穩(wěn)定性和成膜性，形成的分子間聚合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)起到隔熱阻燃作用，可有效解決煤自燃現(xiàn)象。對于井工礦作業(yè)場所，開發(fā)集抑塵、防火、防爆于一體的煤塵抑塵劑是未來主要發(fā)展趨勢。

2.2 煤炭運輸抑塵劑的發(fā)展

煤炭運輸過程是煤塵揚塵的重要來源，既污染環(huán)境又浪費資源。為了符合國家對環(huán)保的要求，環(huán)保型抑塵劑漸漸成為關(guān)注的熱點。其主要是利用工農(nóng)業(yè)廢品、生活垃圾、生產(chǎn)副品、動植物等可降解的物質(zhì)作為其配置原材料，不僅原料環(huán)保且制作成本低。Li 等[11]利用廢紙?zhí)崛◆燃谆w維素鈉與聚乙烯醇和N-乙烯基吡咯烷酮聚合生成一種礦用有機抑塵劑，具有98HA 的固化強度，在風(fēng)速15 m/s 時抑塵率達88%; 梁文俊等[12]以農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈為原料，通過添加纖維素復(fù)合酶、瓜爾豆膠、乳酸鈉等制成一種環(huán)保型煤塵抑塵劑，表面張力31.20 mN/m、接觸角為15.2°，實際應(yīng)用表明PM10 濃度由145.2 mg/m3下降到24.3 mg/m3。

環(huán)保型抑塵劑具有生態(tài)相容性，成本低、綠色無害、無腐蝕、降解性好等優(yōu)點，在有效抑制煤塵揚塵減少資源損失的同時又不會給生態(tài)環(huán)境帶來危害。針對我國煤炭運輸過程中的煤塵逃逸問題，環(huán)保型抑塵劑具有良好的應(yīng)用前景。

在婦科腹腔鏡手術(shù)過程中,給予患者采用單純?nèi)?則無法使患者的交感神經(jīng)-腎上腺素髓質(zhì)系統(tǒng)受完全性阻滯,從而造成患者發(fā)生較明顯的應(yīng)激反應(yīng),使手術(shù)操作及手術(shù)效果受影響[4]。本次研究中,給予研究組患者施行全麻復(fù)合硬膜外麻醉,取得了較滿意的麻醉效果。全麻復(fù)合硬膜外麻醉可以有效對固定子宮神經(jīng)支配通路,以及其固定組織的神經(jīng)支配通路,達到神經(jīng)傳導(dǎo)完全阻滯,達到較為理想的子宮松弛度,從而為順利進行手術(shù)操作而奠定基礎(chǔ)[5]。

2.3 洗煤廠與堆煤場抑塵劑的發(fā)展

高分子抑塵劑憑借著潤濕能力、抗風(fēng)能力、抑塵能力突出等優(yōu)勢在洗煤廠、堆煤場煤塵抑制領(lǐng)域備受青睞。其主要是通過聚乙烯醇、海藻酸鈉、瓜爾膠等有機高分子接枝共聚制成，具有很好的黏結(jié)性。謝德瑜等[13]選用堿金屬鹽作為原料，利用表面活性劑和改性劑開發(fā)出SH 型抑塵劑，有效提高了洗煤廠煤塵的保水性和凝聚性；WEI 等[14]利用聚乙烯醇、黃原膠和丙烯酸聚合生成雙網(wǎng)水凝膠抑塵劑，黏度45 mPa·s，表面張力達30 mN/m，抑塵固化后煤體抗壓強度達126 kPa；ZHOU 等[15]通過殼聚糖與丙烯酸和聚乙烯醇接枝聚合，再與乙二胺四乙酸進行交聯(lián)反應(yīng)生產(chǎn)出一種控制煤渣堆積區(qū)揚塵的抑塵劑，附著力好，固化層硬度可達98 HA，風(fēng)速為15～18 m/s時，固塵率達92.67%。除此之外，太原理工大學(xué)葛少成、山東科技大學(xué)楊靜、東南大學(xué)楊林軍等都對高分子抑塵劑的配置方法展開深入研究。近10 年高分子抑塵劑的研究與應(yīng)用成果見表1。

表1 近10 年高分子抑塵劑的研究與應(yīng)用成果Table 1 Research and application results of polymer dust suppressants in recent ten years

在洗煤廠、堆煤場等煤塵抑制領(lǐng)域，高分子抑塵劑憑借著黏結(jié)性強，抑塵周期長，綜合效益高、抗風(fēng)抗雨能力突出等優(yōu)勢具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 露天煤礦抑塵劑的發(fā)展

露天煤礦抑塵劑因作業(yè)場所受地域、節(jié)氣和溫差影響大，情況比較復(fù)雜，因此，對抑塵劑的作用特點要求較高。微生物抑塵劑因其多方面的顯著特點備受關(guān)注，東南大學(xué)錢春香、中國礦業(yè)大學(xué)時國慶、山東科技大學(xué)胡相明、美國亞利桑那州立大學(xué)Nasser M. Hamdan、Brian Knorr 等國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的微生物抑塵劑的研究與應(yīng)用。近3 年微生物抑塵的研究與應(yīng)用成果見表2。

表2 近3 年微生物抑塵的研究與應(yīng)用成果Table 2 Research and application results of microbial dust suppression in recent three years

微生物抑塵劑的生物菌種以巴氏芽孢桿菌為主，菌種分泌脲酶加速尿素水解產(chǎn)生CO32-，通過外界加入鈣源形成微生物碳酸鈣。微生物碳酸鈣具有膠凝特性，促進松散煤塵顆粒的聚合和膠結(jié)，在煤塵表面形成固化層，有效提高其剛度、強度及抗風(fēng)蝕性。SONG W 等[22]從露天礦區(qū)的土壤中分離到1 株脲酶菌，通過單因素實驗確定生物抑塵劑的最佳配比，抑塵劑使用后的可抗風(fēng)速最大達到45.45 m/s；WU 等[24]研發(fā)一種適用于露天煤礦的新型生物抑塵劑，實驗研究表明其無毒、腐蝕性小、呈弱堿性、煤粉的失重率為2.56%。

當(dāng)前微生物抑塵劑的研究多以尿酶菌分解尿素制備的碳酸鹽為主，在其膠結(jié)煤塵過程存在氨氣釋放，會對環(huán)境造成一定負面影響，制約了該類型抑塵劑的推廣應(yīng)用，而膠質(zhì)芽孢桿菌進行誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀的方法有可能突破這一瓶頸，該菌種分泌的碳酸酐酶可以直接捕獲空氣中的二氧化碳，促進二氧化碳水合反應(yīng)生成碳酸鹽。因此，利用該菌種既能減少環(huán)境的危害，又對緩解溫室效應(yīng)加劇產(chǎn)生積極的作用?？偟膩碚f，微生物抑塵劑成本低、無毒無害、生物相容性好，在露天煤礦應(yīng)用領(lǐng)域中有重要的研究價值。

圍繞不同作業(yè)場所，以環(huán)保型、功能型、高分子、微生物抑塵劑為典型代表的新型抑塵劑目前多處于試驗與探索階段，商業(yè)化模式還尚不成熟，對于新型抑塵劑的持續(xù)有效性、生態(tài)環(huán)保性、安全可靠性、經(jīng)濟適用性、工藝簡易性等考核指標還需要現(xiàn)場和時間的進一步考證。因此，新型抑塵劑的作用機制以及相關(guān)的考核指標仍然需要大量的數(shù)據(jù)支撐與驗證。遵循國家綠色環(huán)保的發(fā)展理念，微生物抑塵劑具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景，特別是可以利用膠質(zhì)芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀制備出一種環(huán)保型微生物抑塵劑，具有良好的生態(tài)相容性，其對二氧化碳的固定與封存具有一定的積極作用，對于實現(xiàn)真正意義上的碳中和未來可期。

3 結(jié) 語

1）煤塵抑塵劑的發(fā)展經(jīng)歷了由效率強化型到功能復(fù)合型，由環(huán)保功能凸顯型到新型材料經(jīng)濟實用型。新型煤塵抑塵劑目前仍然處于試驗探索階段。井工礦中功能型抑塵劑的抑塵機理研究還不成熟，特別是不同類型、性質(zhì)的煤塵及復(fù)雜多變的礦山環(huán)境都會影響到它的應(yīng)用效果，未來還需有針對性的設(shè)計和適用性的開發(fā)。

2）煤炭運輸中環(huán)保型抑塵劑需要進一步簡化制備工藝，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)擴大其普及范圍是未來環(huán)保型抑塵劑發(fā)展的主要方向。

3）洗煤廠、堆煤場中高分子抑塵劑多以聚酯醇類為主，在未來的研究中還要不斷開發(fā)新的高分子原材料以拓寬其適用范圍，向著生態(tài)環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性、簡易操作性、持續(xù)有效性的方向發(fā)展。

4）露天煤礦中微生物抑塵劑既能減少環(huán)境的危害，又對緩解溫室效應(yīng)產(chǎn)生積極的作用，但其現(xiàn)場應(yīng)用的適用性、有效性與可靠性研究仍是未來發(fā)展的主要任務(wù)。