露天煤礦生態型抑塵劑的制備及性能特征研究

白 志 華

（山西忻州神達朝凱煤業有限公司，山西 忻州 036700）

中國露天煤礦揚塵治理沒有得到足夠的重視，開采以及堆放完畢后不再進行保護和處理，對環境和附近人員都有不同程度的影響。在煤塵化學抑制劑開發方面，國內外專家學者取得了很多成果，比如俄羅斯利用己內酰胺制備的AHSC 型抑塵劑，美國研制的Conherex 型煤塵抑制劑，日本已經取得專利的SS 型環保抑塵劑，以及中國具有代表性的丙烯酰胺型粘結潤濕劑。雖然目前市面上化學抑塵劑有很多種類，但是普遍存在一下缺點和局限性：功能單一、污染環境、原料昂貴、有毒有害、難以降解以及其他二次污染等，并且面對露天煤礦復雜的條件，應用更是受到了限制。

本文立足于朝凱露天煤礦為實際應用情況，選擇羥乙基纖維素作為基體，與聚乙烯醇和聚丙烯酰胺為單體制備煤礦結殼抑塵劑，能夠有效起到抑制煤塵以及其他揚塵的作用。實驗用雙引發體系，能夠充分激活實際中羥基、酰胺基和羥基等，以N，N- 亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，同時加入無機鹽CaCl2和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，能夠進一步提高該產品的保濕抑塵性。

1 實驗過程

1.1 產物制備

把盛有300ml 水的燒杯放在水浴鍋中，溫度調節為85℃，緩慢均勻撒布羥乙基纖維素（HEC），在氮氣保護下糊化30min。糊化完成后調節溫度為60℃，在燒杯中加入一定量的過硫酸銨和硫代硫酸鉀，等待20min 后加入聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（AM），反應一段時間后緩慢將N,N'- 亞甲基雙丙烯酰胺溶液倒入反應燒杯中，繼續加熱攪拌20min，加入十二烷基苯磺酸鈉和無水CaCl2，攪拌均勻后得到最終產物。

1.2 最佳配比

通過正交試驗得出：HEC：PVA：AM 為 5:2:8，引發劑（過硫酸銨和硫代硫酸鉀）為HEC 的2%，交聯劑（N,N'- 亞甲基雙丙烯酰胺）為PVA 的1.8%，此配比結殼抑塵劑性能最佳。

1.3 紅外光譜

將羥乙基纖維素、產物放在真空干燥箱中干燥處理后，進行紅外實驗研究官能團的變化。

1.4 掃描電鏡

將羥乙基纖維素、產物在真空干燥箱中干燥后破碎，用掃描電子顯微鏡進行觀察。

1.5 成殼性

殼體厚度的測定：待噴灑結殼抑塵劑的朝凱露天煤礦煤塵周邊泥土，結殼穩定后取粘結形成的殼體殼，觀察成殼情況，用邵氏硬度計測試殼體表面硬度，用游標卡尺測量其厚度，每個樣品重復測三次求取平均值。

1.6 抑塵性

將所制備抑塵劑噴灑于裝在培養皿的朝凱露天煤礦煤塵、周邊泥土表面，以及噴灑相同質量的水作為 對 照 。 模 擬 5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s、12m/s、13m/s、14m/s、15m/s 不 同 風 速 ， 風 吹20min 后測定其抑塵率，同時與噴灑水進行對比。實驗結果用抑塵率α 表示：

1.7 生態性

將該結殼抑塵劑與朝凱露天煤礦煤粉1:1 混合平鋪在培養皿中，待表面干結水分損失率基本不發生變化時（大概經過7 天），將該培養皿放在自然條件下保存，每天記錄質量變化，計算分析降解情況。

2 實驗結果與討論

2.1 紅外實驗

圖1 紅外譜線

觀察圖1 的紅外光譜可以發現，1601 cm-1處是CMC 與 AM 分子中的 C=O 伸縮振動吸收峰，1420cm-1為產物中- CH、- CH2 的彎曲振動吸收峰，3157cm-1處為 AM 中的 - NH2 伸縮振動吸收峰，2910cm-1處為- CH2 的特征吸收峰，證明AM已經接到了CMC 分子主鏈上。1090cm-1為PVA 中結晶特征峰C- O，在（c）中- OH 的吸收峰位置發生了變化，偏移到 3367cm-1處，說明 HEC 中 - OH 和 PVA 中的- OH 產生了分子間氫鍵，雖然兩種大分子結構相差較大，但仍然能夠相容。

2.2 掃描電鏡實驗

圖2 掃描電鏡表面和截面圖像

觀察圖2 制得的結殼抑塵劑電鏡照片，可以發現該產物呈現擠壓片狀空間結構，正是這種特殊的空間結構，產物表面密實度較高，因此產物成殼硬度較高，在風吹作用下，會逐步風蝕表層結構，能夠維持較長時間的結殼抑塵性能，且密實的表層構造，在雨淋時能夠又具有好的憎水性，水能夠經過上表層流走不至于破壞下層結構。截面可以看出空間結構具有一定的空隙結構，能夠起到保濕抑塵的作用。

2.3 成殼性試驗

圖3 朝凱露天煤礦煤塵和周邊泥土成殼

觀察圖3 實驗結果，通過比較該結殼抑塵劑在朝凱露天煤礦煤塵與周邊泥土的結殼厚度方面，泥土平均結殼厚度更厚，可以抑制露天煤礦坑底煤塵以及礦坑周圍無植被的泥土發生揚塵。觀察圖中殼體情況，可以更加直觀的看到成殼情況，在培養皿中能夠輕松拿起殼體，成殼情況良好。實驗發現在噴灑8h 后，結殼硬度以及抑塵效果已經達到最優狀態，再經過12h后效果較之前沒有太大變化。

2.4 抑塵性試驗

通過觀察圖4 可以發現，在噴灑結殼抑塵劑后，風速達到6m/s 之前，噴灑水和結殼抑塵劑的煤塵以及泥土抑塵性能變化不大，但隨著風速增加，在6m/s～15m/s 風速范圍內，噴灑結殼抑塵劑的抑塵性能卓越，風速達到15m/s 時，抑塵率維持在88%左右，但噴灑水的樣品抑塵率只有28%左右；同樣噴灑水和結殼抑塵劑，在相同風速下，泥土的抑塵率總是偏高于煤粉，作者發現泥土里含有大量細顆粒砂石，這導致泥土的整體密度較大，在于水和結殼抑塵劑形成的表層結構更加密實。因此該結殼抑塵劑具有良好的抑塵性能，覆蓋在表面成殼能夠有效防止揚塵。

圖4 結殼抑塵劑抑塵性能

2.5 生態性實驗

在生態降解實驗中，培養皿自然條件中的水分、空氣、微生物生物等的共同作用下，結殼抑塵劑逐漸分解，質量逐漸損失，分析圖5 得知，在20 天以前質量損失較小（8.21%），但是在20 以后質量損失率變化較大（26.90%），一直到40 后質量損失率趨于平緩（2.71%）。這是由于在20 天以前樣品表面及內部開始生長菌落，20 天到40 天內菌落開始大量生長，逐漸分解該結殼抑塵劑。通過顯微鏡觀察菌落表面，該菌落是絲狀，作者初步判定大部分菌落為放線菌，通過與放線菌電鏡圖片比對具有一致性。綜上能夠說明該結殼抑塵劑具有可降解性，對周圍環境友好，具有較好的生態環保性。

圖5 降解程度

3 結 論

本文通過HEC 與AM、PVA 在雙引發體系下，以MBA 作為交聯劑，通過添加十二烷基苯磺酸鈉和無水CaCl2進一步提高產物性能，制備出成殼性好、耐候性強、抑塵效果顯著環境友好型結殼抑塵劑。掃描電鏡觀察了產物內部結構在結殼抑塵方面具有優越性能。經過正交試驗得出該產物最佳配比；通過性能測試實驗進一步驗證該結殼抑塵劑的作用效果，并且可降解具有較好的生態環保性，有望在朝凱露天煤礦展開實踐應用，并且本文思路也為山西忻州神達朝凱煤業有限公司化學抑塵起到了拋轉引玉的作用，為企業的可持續發展提供了新思路。