新型化學防塵控制技術試驗及應用

張 巖

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

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新型化學防塵控制技術試驗及應用

張 巖

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

摘要：指出了為有效抑制粉塵飛揚，研制了兩種新型的抑塵劑。運用正交試驗方法，對兩種新型抑塵劑的配方進行了優化，以無側限抗壓強度、間接抗拉強度及水穩定性為指標初步確定了兩種新型抑塵劑的最佳配比。同時將得到的最優配比的抑塵劑應用到實際中，并通過電鏡進行了微觀分析,結果表明：兩種新型抑塵劑的抑塵效果明顯高于純水，尤其是抑塵劑-1的效果最佳。

關鍵詞：粉塵；防塵控制技術；抑塵劑

1引言

粉塵污染在空氣污染中占有很大的比例，很多工作活動都會產生細顆粒粉塵，威脅到人體的健康[1]。由于粉塵顆粒大多非常細小，遇風易飛揚，對周圍附近人員的健康和安全造成不良影響。例如造成毒害和刺激，降低能見度，引起設備磨損腐蝕等。為此國內外在粉塵控制技術方面進行了大量的研究，使得防塵技術水平不斷地完善和提高。近年來國內外研究出了許多的新型除塵方法及除塵設備。其中化學抑塵[2]是近年來我國發展起來的一項防塵新技術，實踐證明其防塵效果很好，特別是降低對人體有害的呼吸性粉塵效果更加明顯，但針對化學抑塵的研究還比較薄弱，現有的各種抑塵劑存在性能單一、工藝復雜、成本高、污染環境及應用推廣度不夠等問題。因此，研究開發適用范圍更廣、性能更穩定、效果更明顯、價格更低廉、污染更小的抑塵劑具有明顯的經濟及社會效益。筆者在論述化學抑塵技術的基礎上，研制了抑塵效果好、穩固周期長、成本低廉及污染小的新型抑塵劑。

2新型化學抑塵劑的組成及性能

抑塵劑-1：由海藻酸鈉和氯化鈣組成。

成膜劑、粘結劑——海藻酸鈉：具有成凝膠和成膜的能力，其含有大量游離的羧基，性質活潑，具有很高的離子交換功能，極易與Ca2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+等離子發生交換，形成三維網狀結構的凝膠來抑制粉塵飛揚。

保濕劑、助劑——無水氯化鈣：吸濕能力極強，能吸收大氣中的水分，增加粉塵顆粒的單重，并能與海藻酸鈉發生交聯反應，生成交聯的三維網狀的海藻酸鈣聚合物。

抑塵劑-2：由羧甲基纖維素鈉、硅酸鈉組成。

成膜劑、粘結劑——羧甲基纖維素鈉：具有粘合、增稠、增強、保水作用，粘度在pH值為6～9時最佳。因此常作為絮凝劑、螯合劑、增稠劑、保水劑、成膜材料。

保濕劑、粘結劑——硅酸鈉：溶于水成粘稠溶液，是一種無機粘合劑，可作為粉塵粘結劑。

3化學抑塵穩固性的測定

3.1無側限抗壓強度和間接抗拉強度試驗

基于《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTJ057—94)進行無側限抗壓強度試驗和間接抗拉強度試驗。

將養護后的圓柱形試件置于強度測力儀的升降臺上，調節升降旋鈕和速度控制旋桿，保持mm/min的恒定速率增加。抗壓強度Rc按下式計算，試驗原理如圖1所示。

Rc=P/A

(1)

式中：P為試件破壞時的最大壓力(N)；A為試件的截面積，A=πd2/4，d為試件的直徑(mm)。

圖1　無側限抗壓強度原理

對圓柱形試件不加墊條直接施加徑向壓力[3]，直至試件被壓裂，如圖2。劈裂強度Ri按下式計算：

Ri= 2P/ (πdL)

(2)

式中：P為試件破壞時的最大壓力(N)；L為試件的長度(mm)；d為試件的直徑(mm)。

3.2水穩定試驗

將試件浸泡于水中(保持試樣不被破壞且體積恒定)，10 min后取出并擦干試件表面的水分，然后測定其無側限抗壓強度值。在此用水穩定系數Kr來衡量其水穩定性。水穩定系數Kr按下式計算：

Kr=R浸水/R標準

(3)

圖2　劈裂法(巴西圓盤試驗)原理

式中：R標準為標準狀態下的抗壓強度，MPa；R浸水為浸水狀態下的抗壓強度，MPa。

4抑塵劑最佳配比的確定

4.1抑塵劑的選擇配比

利用蒸發率(SVR)的變化情況評價保濕劑對粉塵的作用能力[4]，以確定試劑的百分比范圍。在此研究了不同質量分數的吸濕保水材料(硅酸鈉和無水氯化鈣)的抗蒸發特性。

根據試驗結果，得到無水氯化鈣和硅酸鈉對粉塵的吸濕保水能力，如圖3，4。綜合考慮氯化鈣、硅酸鈉的成本及濕潤能力，試驗最終選擇5 %～10 %這一適宜的濃度范圍作為正交試驗因素水平的選擇依據。

圖3　不同質量分數的CaCl2對粉塵水分蒸發率的影響

圖4　不同質量分數的硅酸鈉對粉塵水分蒸發率的影響

其他試劑的劑量范圍主要根據實驗室配制結果和實際生產中的要求來確定，達到效果顯著且節省成本的目的。為確定粉塵中抑塵劑的最佳摻量配比，試驗選用L9(34)正交表，各成分均取3個水平，并以無側限抗壓強度、間接抗拉強度和水穩定性3個指標作為抑塵效果的考核指標。

4.2試件的制備和養護

按既定的各種配比制備抑塵劑，將其與普通粉塵拌和均勻，對照組試件按最佳含水量拌和，然后將配好的粉料分3次壓入試模中，最后將試件脫模即得Φ50 mm×50 mm圓柱形試件。將成型的試件在自然條件下養護，完成抑塵劑與粉塵顆粒之間的各種物化反應，養護齡期為14 d。

4.3實驗結果及分析

采用極差分析法對表1正交試驗結果進行分析得到：①無側限抗壓強度試驗得到最優配方方案0.5 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣；重要順序：氯化鈣>海藻酸鈉。②水穩定試驗得到最優配方方案2 %海藻酸鈉+0 %氯化鈣；重要順序：海藻酸鈉>氯化鈣。③間接抗拉強度試驗得到最優配方方案1 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣；重要順序：海藻酸鈉>氯化鈣。④綜合考慮實用性及經濟性最終選得抑塵劑-1的最佳配比為：1 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣。

表1　抑塵劑-1的正交試驗結果

采用極差分析法對表2正交試驗結果進行分析得到：①無側限抗壓強度試驗得到最優配方方案0.2 %羧甲基纖維素鈉+10 %硅酸鈉；重要順序：硅酸鈉>羧甲基纖維素鈉。②水穩定試驗得到最優配方方案0.2 %羧甲基纖維素鈉+0 %硅酸鈉；重要順序：硅酸鈉>羧甲基纖維素鈉。③間接抗拉強度試驗得到最優配方方案0.2 %羧甲基纖維素鈉+10 %硅酸鈉；重要順序：硅酸鈉>羧甲基纖維素鈉。④綜合考慮實用性及經濟性最終選得抑塵劑-2的最佳配比為：0.2 %羧甲基纖維素鈉+10 %硅酸鈉。

表2　抑塵劑-2的正交試驗結果

表3　對照組(只加純水)試件實驗結果

由上述實驗結果可知：抑塵穩固效果不是隨抑塵劑摻量的增加而增大，避免了盲目加大試劑用量而帶來的成本浪費；只加純水的試件培養一段時間后浸泡于水中，試驗結果見表3，由于粉塵顆粒之間沒有形成網狀膜，粉塵顆粒之間的粘結力不及添加抑塵劑的試件；在粉塵中添加海藻酸鈉和氯化鈣，加入羧甲基纖維素鈉及硅酸鈉都可明顯提高粉體的結構強度，相對于在粉塵中添加單一的海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉的抑塵效果較好。

5抑塵劑實際應用研究

將粉塵按照表4添加最佳配方抑塵劑-1、抑塵劑-2及水，制成圓柱形試件。將成型的試件置于自然狀態下分別養護3 d、7 d、14 d、28 d，之后取出進行無側限抗壓強度試驗。

表4　試件的無側限抗壓強度

由表4可知，在粉塵中噴水的抑塵效果不及2種抑塵劑的作用效果，其中抑塵劑-1的效果較抑塵劑-2的效果顯著。

通過掃描電鏡[5]定性分析養護好的粉塵樣本，觀察其微觀形貌，見圖5～8。

圖5　原狀粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

圖6　加水粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

由圖5～8可以觀察到粉塵的微觀結構中顆粒與顆粒之間的關系，添加水及抑塵劑的粉塵的團聚程度明顯高于未經處理的原狀試樣。相比與加水和抑塵劑-2，抑塵劑-1的抑塵固結程度更好，粉塵的團聚體的粒徑較大。

圖7　加抑塵劑-1的粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

圖8　加抑塵劑-2的粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

將處理后的粉塵放大至20000倍，見圖9。可以看出在粉塵顆粒之間充滿著凝膠狀和纖維狀水化物物質，這些水化物與粉塵顆粒牢固地膠結在一起，形成了很高的強度。它是抑塵劑與粉塵顆粒及自身相互反應產生的。這些凝膠物質覆蓋在粉塵顆粒表面并將顆粒包裹成較大的團粒狀結構，這些團粒狀結晶體排列非常緊密，從而使粉塵具有一定的強度和穩定性，這些微觀形貌照片恰恰充分證實抑塵劑對粉塵顆粒的包裹、網狀連接和孔隙填充作用。

圖9　處理后的粉塵×20000倍的電鏡下微觀形貌

6結論

(1)基于無側限抗壓強度試驗、間接抗拉強度試驗及水穩定試驗，研究了有效測定化學抑塵劑抑塵效果的測量方法。

(2)基于吸水、保濕、凝結原則，充分考慮各試劑的性價比、污染等問題確定了2種抑塵劑的組分。通過對2種新型的抑塵劑的正交試驗，對其配方進行了優化，其最優配比分別為1 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣，0.2 %羧甲基纖維素鈉 + 10 %硅酸鈉。

(3)基于2種新型抑塵劑的最優配比，研究了應用在實際的抑塵效果，可顯著增強粉塵顆粒間的相互作用，提高抑塵、除塵效果。

通過實驗，研究出了抑塵效果好、穩固周期長、成本低廉及污染小的新型化學抑塵劑，并運用科學合理的劑量來改善和提高粉體物理力學性質及工程性質(如抗壓、抗剪、抗沖刷和抗滲能力)，從而使粉塵顆粒相互積聚穩固，達到防塵、抑塵目的。

參考文獻：

[1]李錦,柳建龍.改良MPS型抑塵劑在料堆防塵中的試驗研究[J].工業安全與防塵,2000(1):13～15.

[2]彭小蘭,吳超.化學抑塵劑新進展研究[J].中國安全生產科學技術,2005,1(5):44～47.

[3]楊同,王寶學,孫林，等.墊條方式對巖石劈裂試驗的影響分析[J].勘察科學技術,2002(1):3～7.

[4]李建法.新型高分子沙土穩定材料的研制與應用[D].南京:中國林業科學研究院林產化學工業研究所,2003:110.

[5]Sugano Masashi, Yamazaki Yoshio, Ikeda Masaaki, et al. Image forming apparatus with an unapproved copy preventing means. USP：5481378[P].Washington:USP, 1996-01-02.

Experimental Study and Application on Neotype Chemical Dust Control Technology

Zhang Yan

(The40thInstituteofChinaElectronicsTechnologyCorporation,Bengbu233010)

Abstract:To effectively suppress dust floatfrom flying about, two new types of dust suppression agents were developed. With orthogonal test method, the formula of two new dust suppression agents was optimized, and with three indexes of unconfined compressive strength, water stability and indirect tensile strength, the best proportions of dust suppression agents was determined primarily. Meanwhile, the optimal proportions of dust suppression agents was applied to the practice.By electron microscopic analysis, the results showed that the dust suppression agent is better than water, and especially dust suppression agent-1 is the best.

Key words:dust; dust control technology; dust suppression agent

收稿日期：2016-05-09

作者簡介：張巖(1987—)，女，助理工程師，主要從事安全技術及安全、職業衛生與環境管理工作。

中圖分類號：TU834.6

文獻標識碼：B

文章編號：1674-9944(2016)10-0068-04