基于正交試驗法秸稈利用生物抑塵劑的制備及優化

米永進，趙全勝，楊彥軍

(1.河北高速公路集團 京哈北線分公司，河北 遵化 064200；2.河北科技大學 建筑工程學院，河北 石家莊 050018；3.中建路橋集團有限公司，河北 石家莊 050001)

0 引言

2013年以來，我國多地霧霾頻發，京津冀地區尤為嚴重[1-3]。研究表明，PM2.5顆粒物是構成霾的主要成分，對人體的危害極大，而對PM2.5顆粒物的貢獻率中約33%來源于揚塵污染。公路建設過程中，土石方開挖和填筑、建筑材料露天堆放、臨時便道運輸均會引起施工揚塵，對環境和周邊農作物生長造成嚴重危害[4-5]。

目前，國內外對施工揚塵的控制手段主要有灑水降塵、覆蓋抑塵、干霧降塵、霧炮降塵、抑塵劑等[6-7]。灑水降塵是我國建筑工地常用的抑塵手段，但由于水分蒸發速率較快，抑塵周期短，重復工作量較大，且冬季易結冰，影響使用效果。覆蓋抑塵所使用的抑塵網強度較低，易兜風，成本較高，且覆蓋、拆解工序繁瑣，極易造成環境二次污染。干霧降塵和霧炮降塵，造價高昂，且工作面較小，限制了其使用范圍，難以推廣。

隨著材料學科的發展，開發化學抑塵劑[6-7]來解決施工揚塵問題成為了工程領域的熱點。20世紀70年代，化學抑塵劑主要有針對煤塵的以氯鹽為主原材料的凝并型抑塵劑和以瀝青、煤渣油為主原材料的黏結型抑塵劑問世，但是污染嚴重。新材料的出現引導著化學抑塵劑的研究逐步向復合型轉變，集潤濕、凝并、固結功能于一體[8-9]。現有的復合型抑塵劑多以高分子材料為主要原料，雖然大幅度提高了抑塵效率，無毒無腐蝕，但在自然環境中難以降解。在此基礎上，以糖蜜酒精廢液、非晶化淀粉等為原材料的綠色環保型有機化合物復合型抑塵劑成為近兩年的研究熱點。但由于其原材料成本較高，工藝流程復雜，難以推廣。故開發一種綠色環保、可降解、抑塵效果良好的施工揚塵抑塵劑備受期待。研究發現，秸稈經提取物加工后可以具有較高的保水性和黏結性。從環保角度出發，本研究以秸稈深度提取物衍生品為原料，結合抑塵劑潤濕、凝并、固結的抑塵機理，運用正交試驗法，進行了秸稈利用型抑塵劑系統試驗研究，經過優化，制備出可降解的生物抑塵劑，實現了黏度適中、易于噴灑且表面張力適宜，具備優良抑塵效果的技術目標。

1 試驗制備

1.1 原材料

秸稈利用型抑塵劑由黏結劑、保水劑、表面活性劑和吸水劑配制而成，施工時按照比例加水稀釋。本試驗核心原料粘結劑(羥乙基纖維素)是植物秸稈粉碎之后，在恒溫水浴中進行浸泡加熱，獲得固體纖維素、液體木質素和半纖維素的混合物，通過固液分離處理后得到纖維素，然后與氫氧化鈉反應并在環氧乙烷的作用下進一步處理，得到的一種密度約為0.75 g/mL的白色粉末；保水劑(羥丙基甲基纖維素)是植物秸稈提取的纖維素與氫氧化鈉反應，得到高質量的堿纖維素，又在環氧乙烷和氯甲烷作用下發生醚化反應，經過烘干、粉碎得到的一種密度約為0.5 g/cm3白色粉末；表面活性劑(以下稱為Y1)和吸水劑(以下稱為J1)經過試驗比選，優選出常用活性劑和吸水劑材料中性能較好的兩種[10-13]。

1.2 原材料優選與正交試驗設計

在設計正交試驗前，首先對幾種用于抑塵劑原料的黏結劑、保水劑、表面活性劑和吸水劑進行了篩選，優選出最佳性能原料，并對其性能和濃度的關系進行了試驗分析。

1.2.1羥乙基纖維素的黏度測定

黏度測定儀器選用DV3TLV型旋轉黏度計，測定溫度為25 ℃，對6組不同濃度的秸稈提取物溶液(濃度為0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%)進行黏度測定。每組濃度溶液測定4次，取4次測定平均值作為最終黏度值，羥乙基纖維素黏度測定依據GB/T 22235。

試驗結果發現，羥乙基纖維素溶液的黏度隨著溶液濃度的增大而增加，且增長速率不斷加快，如圖1所示，當溶液濃度為0.05%時黏度值為6 MPa·s，當溶液濃度為0.5%時黏度值為252 MPa·s。考慮到抑塵劑黏度過高，會導致流動性較差，當溶液黏度值大于130 MPa·s時不利于噴灑。故在正交試驗因素選擇時，優選小于0.4%(133 MPa·s)的0.15%，0.25%，0.35%共3個濃度作為因素水平。

1.2.2羥丙基甲基纖維素的保水性能試驗

為測試羥丙基甲基纖維素(B)的保水性，與保水性能較好的丙三醇(B+)和蔗糖(B-)進行對比測試。試驗溫度控制為25 ℃，首先將3種保水劑各配置0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，1%，3%共6個濃度，然后將烘干后的塵樣50 g裝入表面皿中，稱重記為M1；將配制好的各濃度保水劑溶液30 mL均勻噴灑在塵樣表面，稱重記為M2；然后噴灑保水劑后的樣品每隔i小時稱重一次，重量記為M3。保水率S計算公式如下：

圖1 羥乙基纖維素溶液黏度-濃度關系曲線Fig.1 Viscosity-concentration curve of hydroxyethyl cellulose solution

S=(M1-M2)/(M3)，

式中，S為保水率；M1為噴灑抑塵劑前塵樣和表面皿的質量；M2為噴灑抑塵劑后塵樣和表面皿的質量；M3為i小時后的質量，i=24，48，72 h。

試驗結果如圖2所示，試驗得到3種保水劑的保水率隨著時間的增加均呈下降趨勢，下降速率B

圖2 三種保水劑溶液的保水率隨時間濃度變化曲線Fig.2 Curves of water retention rate of 3 kinds of water retention agents with time and concentration

1.2.3表面活性劑優選試驗

表面活性劑應具有優良的潤濕、乳化的作用，可有效降低抑塵劑溶液的表面張力[14-16]。選取性能較佳3種表面活性劑，磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽(S+)、Y1(S)及十二烷基苯磺酸鈉(S-)進行表面張力測定，測定儀器選用JYW-200B型全自動表面張力測定儀。測定濃度選用0.01%，0.03%，0.05%，0.10%，0.25%，0.50%，1.00%。

試驗結果表明(見圖3)：S溶液的表面張力最低且在溶液濃度為0.2%時已趨近穩定，確定Y1為該抑塵劑的表面活性劑，溶液最優濃度為0.2%。

圖3 三種活性劑溶液表面張力-濃度關系曲線Fig.3 Curves of surface tension vs. concentration of 3 active agent solutions

1.2.4吸水劑優選試驗

吸水劑可以持續吸收空氣中的水分，使得揚塵顆粒的相對密度增大，有效抑制揚塵。本試驗對羧甲基淀粉鈉 (X+)、J1(X)和羧甲基纖維素類(X-)共3種吸水材料進行6次重復吸水測試。吸水率試驗選用茶袋法[17]。將烘干過80目標準篩后的樣品0.05 g放于茶袋中，封口做好標記，然后將茶袋置于500 mL蒸餾水的燒杯中，讓其吸水24 h。如圖4所示，發現隨著重復次數的增加，X+，X，X-共3種材料的吸水率分別下降54.6%，48%，50.7%。X吸水率始終保持在一個較高的范圍，從抑塵性能、吸水率大小和經濟性綜合考慮，選擇J1作為該復合抑塵劑的吸水劑。通過對J1進行補充吸水率試驗，綜合考慮噴射性和吸水率，確定在溶液濃度為0.05%時效果最佳。

圖4 三種活性劑溶液吸水率-濃度關系曲線Fig.4 Curves of water absorption vs. concentration of 3 active agent solutions

通過如上試驗比選，我們優選了羥乙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、Y1和J1共4種試劑分別作為該抑塵劑的黏結劑、保水劑、表面活性劑和吸水劑，并確定了其最優性能的濃度值。但是將4種材料按照其各自最優性能濃度進行混合后，并不能達到最佳的抑塵效果。因此設計表1所示四因素三水平的正交試驗，來研究4種材料復合成抑塵劑的最優配方。

表1 正交試驗設計表

其中，因素水平的選擇是基于優選試驗結果，在4種溶液最優濃度的上下可控范圍內選取的。N(羥乙基纖維素)的濃度選用0.15%，0.25%，0.35%共3個因素水平；B(羥丙基甲基纖維素)選用0.01%，0.03%，0.05%共3個因素水平；S(Y1)選用0.1%，0.2%，0.3%共3個因素水平；X(J1)選用0.025%，0.05%，0.075%共3個因素水平。正交試驗設計如表1所示。

1.3 抑塵劑性能測定

1.3.1黏度測定

黏度測定方法同優選試驗中黏度測定方法。

1.3.2 pH值測定

試驗選用pH-2016型數顯筆式酸度計對不同配方下的的抑塵劑溶液進行了pH測定。每組溶液都進行了充分攪拌直至溶質完全溶解。pH測定溫度控制在室溫(25 ℃)，每組溶液測定3次，取3次平均值作為最終pH值。

1.3.3高溫抗蒸發性測定

將等量揚塵顆粒放入蒸發皿中(相同質量，相同規格)，稱重記為K0；噴灑等量抑塵劑后稱重，記為K1；將試樣放入恒溫鼓風干燥箱中10 h后取出(溫度設定50 ℃)，稱重記為Ki。失水率計算公式如下：

N=(Ki-K0)/(K1-K0),

式中，N為保水率；K0為噴灑抑塵劑前質量(g)；K1為噴灑抑塵劑后質量(g)；Ki為i小時后的質量(g)，i=24，48，72 h。

1.3.4強度測定

由于實際噴灑物表面殼體形狀不規整，原位取樣試驗誤差較大。因此，選擇制作試件(直徑20 mm，高度50 mm的殼體試件)來測試殼體的抗壓強度[18]。將小于20目的塵樣與開發的抑塵劑溶液，按照不同的質量比拌和均勻，將混合物置于直徑20 mm，高度50 mm的模具中，烘干至恒重。強度測定選用WDW-100型電液伺服壓力試驗機，加載速度選擇0.5 mm/min，進行3次重復試驗，取3次試驗的平均值作為試件強度值。

1.3.5滲透時間測定

抑塵劑滲透時間的測定采用正向沉降法[19]。首先稱取揚塵樣品9份，每份35 g，裝入比色管(50 mL)中，裝入過程中應分成振搗，以保證密實性。將配置好的抑塵劑溶液15 mL使用滴定管將液緩慢滴入比色管中，記錄抑塵劑溶液滲透到揚塵下1 cm 所需時間，滴定過程中控制各組試驗速率相等。

2 試驗結果與分析

正交試驗的考察指標包括黏度、pH值、失水率、抗壓強度和滲透時間。試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗結果

根據試驗結果，進行各試驗指標極差分析，得到了各影響因素的主次順序。由于極差分析方法雖然直觀易懂，但極差分析較為片面，因此在極差分析的基礎上又進行了方差分析。最后對各試驗因素進行綜合分析，確定該抑塵劑的最優水平組合，各指標極差及方差分析結果見表3和表4。

表3 正交試驗結果極差分析表

2.1 正交試驗分析

2.1.1抑塵劑正交試驗黏度分析

極差分析表中k值越大表明某水平對試驗指標黏度影響程度越顯著。從圖中可以看出，因素B，X，N的k值隨著濃度的增加而升高，在水平3的時候達到最大值，而S的k值隨著濃度的增加而降低，最大值出現在水平1。究其原因，N作為黏性劑，黏性隨著濃度增大而增大；B和X作為保水劑和吸水劑，除了具有保水和吸水功能外，兼具一定的黏性；S作為一種非離子型表面活性劑，具備乳化、分散的作用，隨著溶液濃度的增加，將有效降低溶液的黏度。由此可得，黏度試驗指標各因素的最優水平應為B3，X3，N3和S1。極差R綜合反映了各因素對某試驗指標的影響程度。對比這4個因素的R值，發現RN>RX>RB>RS，因此得到黏度指標的最優因素水平組合為N3X3B3S1。

為排除誤差的影響，進一步進行方差分析，分析結果與極差分析結果相符，N因素顯示為高度顯著，綜合極差分析和方差分許，羥乙基纖維素水平的改變，對考核指標黏度值的影響是最大的。J1的F比在置信度為95%時大于臨界值19，達到了顯著水平，對黏度值也有較大的影響。但是羥丙基甲基纖維素B和Y1(S)對黏度值的影響不明顯。

表4 正交試驗結果方差分析表

圖5 各因素對黏度的影響直觀分析效應曲線Fig.5 Curves of visual analysis effect of influence of various factors on viscosity

2.1.2抑塵劑正交試驗pH值分析

通過極差分析，如圖6所示，pH值越接近中性越好，即k值越接近7越好。因素X、S的k值隨著濃度的增加先增大后減小，最優水平分別出現在第1水平、第3水平；B因素隨著濃度的增加，pH值先降低后升高，最優水平出現在第2水平；N因素隨著濃度的增加，pH值先下降，后基本趨于穩定，最優水平出現在第2水平另外，對比這4個因素的R值，發現4種因素對pH值指標影響的主次順序為RB>RN>RX>RS。分析可得，pH值指標的最優因素水平組合為N2X1B2S3。

圖6 各因素對pH值的影響直觀分析效應曲線Fig.6 Curves of visual analysis effect of influence of various factors on pH value

進一步進行方差分析發現(如表4所示)，B，X，N，S這4個影響因素對于正交試驗指標pH值，均示為不顯著。

2.1.3抑塵劑正交試驗高溫狀態下保水率分析

圖7 保水率直觀分析效應曲線Fig.7 Curves of visual analysis effect of water retention rate

保水率指標的直觀分析效應曲線如圖7所示。可以得出，因素X，N，S的k值隨著濃度的增加而升高，在水平3的時候達到最大值，而B的k值隨著濃度的增加呈現出先升高后稍降的趨勢，最大值出現在水平2。究其原因，B溶液作為保水劑會在土體表面形成一層致密均勻的保水薄膜，待薄膜形成后其保水性能即趨于穩定，不會再隨溶液濃度增大而繼續增加；N溶液作為黏結劑，通過黏聚性使揚塵表面黏結形成保護殼，有效阻擋水分蒸發；S溶液濃度增大，其滲透性增加，因此呈現如圖6所示試驗結果。對比4個因素的極差值R，發現RN>RB>RS>RX，因此得到黏度指標的最優因素水平組合為N3B2S3X3，從方差分析可以看出，B，X，N，S這4個影響因素對于保水率指標均表現為不顯著，其水平可靈活選擇。

2.1.4抑塵劑正交試驗抗壓強度分析

抗壓強度指標的直觀分析效應曲線如圖8所示，因素B、S的k值隨著濃度的增加而增大，在水平3的時候達到最大值，而X、N的k值隨著濃度的增加呈現先增大后降低趨勢，最大值出現在水平2。分析上述現象原因，B溶液由于保水成膜特性，有助于抗壓強度提升。X溶液隨著濃度增加，有效地提升噴灑抑塵劑后表面殼體的抗壓強度，但溶液濃度超過0.05%之后，凝膠顆粒急劇增大，溶液滲透性減弱，對抗壓強度帶來不利影響；隨著N溶液濃度增加，黏度增加，滲透性減小，抗壓強度降低；隨著S溶液濃度增加，抑塵劑溶液的潤濕、乳化能力增強，有助于殼體抗壓強度的提升。對比抗壓強度指標這4個因素極差R值的大小順序：RX>RB>RS>RN。因此得到抗壓強度指標的最優因素水平組合為N2B3S3X2。

圖8 抗壓強度直觀分析效應曲線Fig.8 Curves of visual analysis effect of compressive strength

進一步方差分析發現，如表4所示，只有J1吸水樹脂的F比大于置信度為95%時的臨界值19，表現出顯著水平，其余因素對抗壓強度值的影響皆不顯著。

2.1.5抑塵劑正交試驗滲透時間分析

滲透時間指標的直觀分析效應曲線如圖9所示。因素B，X，N的k值隨著濃度的增加而增大，在水平3的時候達到最大值，而S的k值隨著濃度的增加而降低，最大值出現在水平1。主要原因是隨著濃度的增加，黏度值變大，流動減慢，滲透時間變長，因此出現與黏度指標試驗相反的結果。由于滲透時間越小，抑塵劑溶液對粉塵的潤濕能力越強。結合極差R值對比結果，RN>RX>RS>RB，最終可得滲透時間指標的最優因素水平組合為N1X1S3B1。方差分析顯示，羥乙基纖維素F比在置信度為95%時大于臨界值19，達到了顯著水平，B，X，S這3個因素對滲透時間指標均表示為不顯著。

圖9 滲透時間直觀分析效應曲線Fig.9 Curves of visual analysis effect of penetration time

2.2 綜合分析

綜合分析4因素3水平對5種考核指標的極差、方差結果(如表5所示)，羥乙基纖維素(N)對黏度指標產生高度顯著影響，對滲透時間產生顯著影響，且均在第3水平時效果最佳，即質量濃度為0.35%的羥乙基纖維素作為抑塵劑的黏結劑。由于羥丙基甲基纖維素(B)對各指標影響均不顯著，但B溶液濃度適當增大，抑塵劑溶液黏度及噴灑在揚塵表面的抗壓強度得到提高，以工作性和經濟性為原則，最終優選B2(即質量濃度為0.03%)的羥丙基甲基纖維素作為保水劑；Y1(X)在抗壓強度試驗指標中表現出高度顯著影響，對黏度指標產生顯著影響，對應的水平分別為第2水平和第3水平。綜合分析其余3個考察指標，發現在X因素選擇第2水平時效果最佳，最終選定X2，即0.05%作為羥丙基甲基纖維素的最優濃度；Y1(S)對抗壓強度試驗指標的影響表現為顯著，且在S3水平下抗壓強度最佳，抑塵劑各性能綜合表現更好，因此Y1選用第3水平，即0.3%作為最優濃度。

低中頻結構接收機[6-7]的原理與零中頻結構接收機類似,唯一不同點在于低中頻結構接收機將射頻信號下混頻至低中頻頻點,而零中頻結構接收機將射頻信號下混頻至零頻頻點。在低中頻結構中,由于有用信號被搬移到較低的頻點而不是被搬移到零頻,因此不存在直流偏移現象。低中頻結構雖然不存在直流偏移現象,但是對鏡像抑制濾波提出了很高的要求。在該結構中,由于射頻信號頻率與本振信號頻率相差不多,所以系統需要的鏡像抑制濾波器應具有極高Q值。在實際應用中,極高Q值的濾波器加工相當困難,所以一般不采用這種結構。

表5 極差、方差結果綜合分析

綜上分析可得，秸稈利用型抑塵劑的最優配方為：羥乙基纖維素0.35%；羥丙基甲基纖維素0.03%；J1，0.05%；Y1，0.3%。此時，抑塵劑溶液的黏度值，pH值，10 h保水率，抗壓強度和滲透時間分別為106.3 MPa·s，7.23，22.51%，79.02 kPa，4.21 min。

2.3 行業規范符合性

表6 煤炭類抑塵劑技術指標

本研究開發的秸稈利用型抑塵劑主要應用環境為露天料堆和土場，該類抑塵劑暫無相應國家產品標準，故選用煤炭類抑塵劑技術標準[20]進行復核。

按照正交試驗優化設計結果，制備秸稈利用型抑塵劑溶液，并在室溫(25 ℃)測得其密度、黏度、pH值分別為：1.030 g/cm3，106.3 MPa·s和7.23，關鍵技術指標滿足煤炭類抑塵劑的技術標準，而且具有更好的黏度，可以應用于公路施工現場揚塵的防治。

2.4 現場中試試驗

選取建設中的高速公路某段施工現場為中試場地，將正交試驗優化配制的生物抑塵劑，進行現場噴灑和測試。中試結果顯示，按照3 L/m2噴灑量噴灑該生物抑塵劑，4 h即可在表面形成具有邵氏硬度70HA的外殼，能夠有效地阻擋雨水和風力的侵蝕作用,對PM2.5和PM10的抑塵率，1 d和7 d分別達到91.2%和91.4%以及79.2%和77.7%。對比張江石等[21]化學抑塵劑試驗結果，PM2.5的降塵率達到77.3%，蘇璐璐等[22]在煤鐵粉露天堆場測試的PM2.5和PM10抑塵率分別為75%和80.95%。因此制備的秸稈利用生物抑塵劑具有良好的抑塵效果，而且該抑塵劑可降解，具有避免環境二次污染的優勢。

3 結論

(1)4種因素的質量濃度對秸稈利用型抑塵劑性能的影響程度大小可歸納為：羥乙基纖維素影響最大，J1次之，羥丙基甲基纖維素及Y1的影響最小。

(2)秸稈利用型抑塵劑加水稀釋后的最優配方為：羥乙基纖維素質量濃度為0.35%、羥丙基甲基纖維素質量濃度為0.03%、J1質量濃度為0.05%、Y1質量濃度0.3%。

(3)按照最優配方制備的秸稈利用型抑塵劑的密度為1.030 g/cm3, pH值為7.23,黏度值106.3 MPa·s,保水率22.51%,抗壓強度為79.02 kPa，滲透時間為4.21 min，滿足現行煤炭類抑塵劑產品技術標準要求，實際公路建設施工現場也表現出了良好的抑塵效果。