新型環保煤塵抑塵劑的制備及其應用

梁文俊，蘭 童，張志學，任思達，王艷磊

(1.北京工業大學區域大氣復合污染防治北京市重點實驗室，北京市朝陽區，100124；2.北京節能環保中心，北京市通州區，101160)

0 引言

我國是產煤大國，同時也是煤炭消耗大國，隨著經濟社會的不斷發展與城市化進程的不斷推進，大量的煤炭資源被開采并運輸到大量用煤的地方[1]。在煤的儲運過程中，受風力及外界因素的影響，大量的煤渣以及煤塵隨風飄揚，不僅造成經濟上的損失，若煤塵進入大氣或者河流當中，還會帶來環境污染[2-3]。煤塵中所包含的細顆粒物對于人類健康的危害尤為突出，其中的PM10可以進入人的上呼吸道，引起哮喘以及一系列呼吸道疾病，而PM2.5可以進入人的肺泡，混入血液，直接破壞人體的免疫系統[4]。因此，開展對煤塵抑制的研究對于改善環境質量和民眾的生活水平具有重要意義[5]。

傳統的抑塵方法包括灑水法和設置防塵網等，這些方法不僅費用高昂，而且很難達到既定的抑塵目標。自20世紀30年代，國外學者開始了對抑塵劑的研發，并逐漸取代了傳統抑塵法的位置[6]。煤塵抑塵劑根據不同的抑塵機理可以分為潤濕型、粘結型、凝聚型及復合型[7]，然而無論是哪種抑塵劑，其作用的機理都是延長水對煤塵的潤濕作用。因此，煤塵抑塵劑的配置過程實質上就是一個配置“保水”材料的過程。張江石[8]等研究人員以表面張力、接觸角及沉降時間為考察指標從保水性和潤濕性設計單因素實驗，同時配合正交實驗獲得了一種具有良好降塵效果煤塵抑塵劑配方；廖奇[9]等研究人員針對礦用自來水濕潤性和黏度的不足，通過沉降實驗與黏度測試實驗，并結合正交實驗設計方法研發了一種由表面活性劑、增效離子和纖維素組成的礦用煤塵抑塵劑；FAN[10]等研究人員以海藻酸鈉為基礎，通過接枝共聚技術進行化學改性，制備了具有良好流動性和潤濕性的團聚型煤塵抑塵劑，并通過沉降實驗和接觸角測量來測試產品的潤濕特性。配置煤塵抑塵劑的關鍵點就是選材，所選材料不僅要簡便易得、成本低廉，還要顯著地提升抑塵劑的抑塵性能。

我國是農業大國，每年會產生大量的農業廢棄物，玉米秸稈就是其中的一種，我國的某些省份例如黑龍江省和廣西省是玉米種植大省，同時這些省份也是玉米秸稈的產出大省。目前玉米秸稈的主要處理方法包括還田、用作養殖飼料以及焚燒[11-12]，現有的處理方法不僅成本昂貴，且處理效果不佳，因此大量的秸稈被遺棄在田間地頭，任其擱置腐爛，造成了嚴重的環境污染。2018年10月，全國人民代表大會常務委員會修改通過了《中華人民共和國大氣污染防治法》，其中提出發展農業循環經濟，加大對廢棄物綜合處理的支持力度，加強對農業生產經營活動排放大氣污染物的控制[13]。在政府的指導下，我國農作物秸稈資源化利用過程不斷推進，秸稈的資源化利用形成了燃料化、肥料化、飼料化、基料化、原料化這“五化”技術工程[14]，此舉不僅促進了生態環境的友好發展，也為拉動農業經濟可持續發展奠定了基石[15]。

基于我國煤塵控制的現狀和農業廢棄物再利用的緊迫性，筆者及其所在的研究團隊開發出了一種使用農業廢棄物制備的抑塵劑用于煤塵控制，實現減污增效的目的。研究以玉米秸稈為原材料，使用一定配比的纖維素酶制成抑塵劑原液，并輔以一定劑量的添加劑輔料，通過單因素實驗及正交實驗進行配方優化后制得一種綠色環保的新型抑塵劑。該抑塵劑在實際應用過程中具有良好保濕性的特點，且無二次污染，符合以廢治污的可持續發展目標。

1 材料與方法

1.1 抑塵劑制備原料及設備

抑塵劑原液的制備原料包括玉米秸稈、水、纖維素復合酶(木聚糖酶、酸性纖維素酶、纖維二糖酶、β-葡聚糖酶)，輔料包括瓜爾豆膠、表面活性劑十二烷基硫酸鈉(K-12)和乳酸鈉。

抑塵劑制備使用的設備主要包括分析天平、增力電動攪拌器、恒溫水浴；抑塵劑性能檢測的設備主要包括水分測定儀、黏度測定儀、全自動界面張力儀、掃描電鏡；抑塵劑實際噴灑設備包括涂料噴槍和空壓機。

1.2 抑塵劑性能評價方法

(1)黏度。黏度是抑塵劑性能的重要表征之一，在噴灑抑塵劑的時候，需要保證其黏度在一定范圍內才能從噴灑容器中正常噴出，因此對黏度有著較高的要求。黏度采用賽默飛旋轉粘度計測定。

(2)表面張力。一般來講，表面張力越小，潤濕效果越顯著，粉塵越不容易揚起。本研究采用JYW-200B全自動界面張力儀測量溶液表面的張力，實驗原理為吊環法，即吊環與樣品接觸后逐漸提升的過程中會在吊環中央形成一層薄膜，溶液的表面張力會阻止薄膜被拉破，因此根據二力平衡的理論，吊環的拉力等于溶液的表面張力，當吊環的拉力值達到最大時即為溶液的表面張力數值。

(3)保濕性。保濕性更加直觀地展現了抑塵劑的保水能力，保水的時間越長，其抑塵周期越長。測試方法為：稱取20 g溶液置于水分測定儀(ESH105)的托盤中，設定蒸發溫度為40 ℃，每30 min記錄一次水分的蒸發值，測定時間為2～5 h。

1.3 原液的制備工藝

抑塵劑原液的制備方法如下：

(1)將玉米秸稈利用粉碎機進行粉碎，粉碎成長度為1～2 cm的桔桿。

(2)用500 mL的燒杯取300 mL清水，加入6 g秸稈并在40 ℃的水浴鍋中攪拌10 min以達到秸稈充分潤濕的效果，之后邊攪拌邊放入已經確定配比的纖維素酶0.9 g，攪拌40 min后備用。

(3)將攪拌后的溶液置于實驗臺上，等待其溫度降至室溫備用。

(4)用0.425 mm的過濾網對溶液進行3次過濾后得到秸稈酶解清液，作為抑塵劑的制備原料。

1.4 抑塵劑實際應用效果評價

抑塵劑采用氣帶液的方式噴灑至煤塵表面，以空壓機提供壓縮空氣，通過噴槍實現抑塵劑噴灑。抑塵效率的測試方法為：將粉塵樣品臺置于8 m/s 的風力條件下模擬道路揚塵，通過粉塵采樣器采集管道中的顆粒物，測量使用噴灑抑塵劑前后的粉塵濃度再經計算獲得抑塵效率，抑塵效率的計算見式(1)：

(1)

式中：η1——抑塵效率，%；

Q0——未噴灑抑塵劑時顆粒物濃度，mg/m3；

Q1——噴灑抑塵劑時顆粒物濃度，mg/m3。

2 抑塵劑配方優化研究

2.1 抑塵劑組分研究

2.1.1 黏度

黏度是抑塵劑的重要性能指標，用來衡量抑塵劑對于顆粒物的粘結效果，抑塵劑的黏度主要體現在其噴灑到煤塵表面上時與顆粒物的結合牢固度以及黏附能力。劉生玉[16]等研究人員指出黏度在5～30 mPa·s時抑塵劑適宜進行噴灑；李穎全[17]等研究人員在實驗中確定了黏度在9.6 mPa·s時抑塵劑的穩定性較高。研究中考察了以瓜爾豆膠作為粘結劑對抑塵劑黏度性能的影響，不同質量分數的瓜爾豆膠的黏度測定結果見表1。

表1 不同質量分數的瓜爾豆膠的黏度測定結果

由表1可以看出，當瓜爾豆膠的質量分數小于1.0%時，抑塵劑黏度變化不大；當瓜爾豆膠質量分數大于3.0%時，發現燒杯底部有白色渾濁，分析成分后發現為瓜爾豆膠存在不溶現象。經過實際噴灑模擬測試，結果顯示當溶液的黏度大于10 mPa·s時，抑塵劑無法呈液態分散狀而是以近似于水柱狀噴出，這在實際噴灑中存在著極大的弊端。綜上所述，在之后的配方優化研究中，粘結劑瓜爾豆膠的質量分數選擇應小于1%。

2.1.2 表面張力

表面活性劑作用于表面或物質接觸界面，能夠有效降低界面張力，提高抑塵劑和煤塵顆粒之間的作用力，進而提高抑塵效果。本實驗采用K-12作為表面活性劑，進行3次測量后取平均值，K-12的表面張力測試結果見表2。

表2 K-12的表面張力測試結果

表面張力的數值越小，表明溶液對于粉塵的潤濕效果越好。純水表面張力的平均值為73.35 mN/m，從表2可以看出，K-12可以顯著降低水的表面張力，且在0.01%的質量分數條件下就已經達到了最佳的效果。

2.1.3 保濕性

保濕劑的主要作用在于防止溶液的蒸發，延長保水的時間。將制備好的樣品溶液均勻地噴灑在托盤表面，在 40 ℃的條件下通過水分分析儀計算其失水率，每隔0.5 h記錄一次，失水率計算見式(2)：

(2)

式中：η2——失水率，%；

m0——初始樣品質量，g；

mi——i小時后樣品質量，g。

不同濃度的乳酸鈉失水率測試結果如圖1所示。

圖1 不同濃度的乳酸鈉失水率測試結果

由圖1可以看出，前4 h不同濃度的乳酸鈉失水率極其接近，而在第4～5 h間高濃度乳酸鈉表現出了更優質的保水效果，通過擬合曲線的軌跡斜率可以明顯地看出，8%的乳酸鈉在蒸發的全過程中都表現出較強的保水性，10%的乳酸鈉在第4 h以后保水效果較好。

在實驗中還測試了純水的抗蒸發性能，結果表明，純水在2 h的時候蒸發率就已經達到98.24%，接近蒸發的終點，因此添加了乳酸鈉后可以有效提升溶液的抗蒸發性，且濃度為6%～10%的乳酸鈉就能夠作為抑塵劑的保濕劑原料。

2.2 抑塵劑配方優化研究

基于上述的單因素實驗，確定出抑塵劑制備中的3種輔料及含量范圍，分別是粘結劑瓜爾豆膠0.2%～0.4%、表面活性劑十二烷基硫酸鈉(K-12)0.05%～0.10%以及保濕劑乳酸鈉6%～10%。以玉米秸稈酶解液作為抑塵劑原料，考察上述3種輔料對抑塵劑性能的綜合影響，以所制備的抑塵劑黏度和表面張力作為評價指標設計三因素三水平正交實驗，其中因素水平見表3，抑塵劑樣品黏度和表面張力測試結果見表4和5。

表3 正交實驗因素水平 %

表4 抑塵劑樣品黏度測試結果

正交實驗因素水平的確定均取自單因素實驗的最佳水平或較優水平，其中表面活性劑盡管在濃度為0.01%時就已經顯示出了較優的性能，但在實際配置時還存在較大的誤差。原因在于：一是在0.01%時受其他因素的干擾性較強，容易受到稀釋作用的影響；二是在0.05%時的K-12降低表面張力的效果與0.01%接近，且其受到的稀釋作用的影響明顯減弱。因此最終放棄了0.01%的水平，而選擇了0.05%作為實驗的優選水平。

表5 抑塵劑樣品表面張力測試結果

每種因素取3個水平和其他因素進行優化配比。其中，黏度測定的結果顯著性水平P為0.014，表面張力測定結果顯著性水平為0.025。兩者均滿足P<0.05，證明擬合的結果均具有統計學意義，即3種物質對于黏度和表面張力的影響效果存在著相互作用，且作用結果顯著[18-19]。黏度實驗確定了抑塵劑的黏度主要由粘結劑瓜爾豆膠的含量確定，符合實驗預期，且隨著瓜爾豆膠的濃度增大，黏度反而呈下降趨勢；表面張力測定結果表明，抑塵劑的潤濕效果主要由保濕劑乳酸鈉的濃度決定，這與實驗預期不符，因此設計補充實驗再次對其進行探究。

正交實驗的結果已經表明，瓜爾豆膠是抑塵劑黏度的關鍵因素。因此，以抑塵劑原液作為溶劑、瓜爾豆膠作為溶質重復實驗過程，測試了樣品黏度，實驗結果見表6。

表6 抑塵劑樣品黏度

從結果來看，當瓜爾豆膠含量為0.2%和0.3%時，樣品黏度可滿足實際噴灑需求，考慮到抑塵劑產品經濟性，確定0.3%的瓜爾豆膠作為抑塵劑中粘結劑的優選含量。

實驗測定的結果表明，當瓜爾豆膠的投加量增加時溶液黏度反而下降了，這與粘結劑單因素實驗的結果相似，原因分析可能是由于瓜爾豆膠的濃度低于1%時，水對粘結劑的影響較大，因此加入少量瓜爾豆膠后溶液的極性不降反增，黏度反而會下降。當瓜爾豆膠濃度逐漸增加時，粘結劑的作用就更加突出，水溶液的黏度就會迅速增長。

正交實驗的表面張力測試結果在統計學上反映出，保濕劑乳酸鈉的潤濕作用優于表面活性劑，為進一步核實驗證，測定不同濃度的乳酸鈉溶液的表面張力，乳酸鈉的表面張力測試結果如圖2所示。

圖2 乳酸鈉的表面張力測試結果

由圖2可以看出，乳酸鈉的表面張力變化接近于K-12，乳酸鈉的作用效果與陰離子表面活性劑類似，因此推測2種物質可能發生了混合效應現象，而正交實驗所表現出的統計學結果，可能是由于乳酸鈉的濃度過高，因此對表面活性劑產生了稀釋作用。

由此，選取質量分數為0.05%的K-12與不同濃度的乳酸鈉進行復配，表面張力對比如圖3所示。

圖3 表面張力對比

由圖3可以看出，乳酸鈉和K-12發生了明顯的混合效應現象，這種現象的機理類似于2種陰離子表面活性劑的協同作用，且當K-12和乳酸鈉的復配比為1∶20時溶液的潤濕性最好。因此，選取K-12的質量分數為0.05%、乳酸鈉的質量分數為1%作為抑塵劑的優化輔料配方。

通過單因素實驗以及正交實驗的一系列探究，最終確定了抑塵劑的優化配方為0.3%的粘結劑瓜爾豆膠、0.05%的表面活性劑K-12以及1%的保濕劑乳酸鈉。

3 抑塵劑的理化性質測定

3.1 抑塵劑黏度、表面張力、保濕性能測試

對優化配方后制得的抑塵劑的黏度、表面張力和保濕性能進行測定后得出，該抑塵劑的黏度為5.8 mPa·s，表面張力為31.20 mN/m。測試2 h內抑塵劑、抑塵劑原液和純水的失水率，失水率對比如圖4所示。

圖4 失水率對比

由圖4可以很明顯地看出，抑塵劑的保濕性優于抑塵劑原液。在2 h時純水幾乎蒸發殆盡，而抑塵劑在2 h左右其水蒸發率大概為50%，顯著延長了保水效果，因此可應用于實際道路的噴灑。

3.2 表面形貌測試

針對抑塵劑噴灑前后的煤塵表面進行掃描電鏡分析，抑塵劑噴灑前后掃描電鏡測試如圖5所示。

圖5 抑塵劑噴灑前后掃描電鏡測試

由圖5可以看出，噴灑抑塵劑前后煤塵表面發生了明顯差別。在噴灑抑塵劑前，顆粒之間的縫隙較大，顆粒明暗程度不一，這是由于顆粒粒徑差異造成的，每個粉塵顆粒獨立散布于表面，易發生起塵；噴灑抑塵劑后，顆粒之間的縫隙減小，這是抑塵劑對顆粒進行了包裹和滲透，整體明暗較為均勻，說明噴灑抑塵劑后顆粒之間出現均勻的網狀結構，在顆粒之間起到了交聯的作用，顆粒的穩定性得到了提高。

3.3 接觸角測試

接觸角是指當抑塵劑噴灑在煤塵表面以后，氣-液界面和固-液界面的2條切線把液相夾在其中所成的角度，角度越小證明溶液的潤濕性能越好。在抑塵劑中由于添加了表面活性劑等助劑，有效提升了其潤濕性能，因此接觸角會相應地減小。接觸角測試結果如圖6所示。

圖6 接觸角測試結果

由圖6可以看出，純水的接觸角為75.2°，抑塵劑的接觸角為15.2°，相比于純水減小了60°，說明該抑塵劑具有良好的水分潤濕性能，水分可以充分地潤濕煤塵顆粒，有效增加煤塵的顆粒密度，從而達到了抑塵的效果。

4 抑塵劑實際抑塵性能測定

4.1 實驗室抑塵性能實驗

對抑塵劑樣品進行實際性能測試，實際抑塵性能測定系統如圖7所示。

圖7 實際抑塵性能測定系統

抑塵劑和灑水抑塵效率保持性能測試結果見表7和表8。

表7 抑塵劑抑塵效率保持性能測試

由表7和表8的對比和實際觀察可以得出：

表8 灑水抑塵效率保持性能測試

(1)在噴灑抑塵劑的2 h內，抑塵效率保持在100%；灑純水后的抑塵效率在90%以上，噴灑抑塵劑的抑塵效果與噴灑純水相比具有顯著優勢，可以證明在抑塵性能上抑塵劑的抑塵效果優于純水。

(2)在噴灑的前15 min內，無論是抑塵劑或是純水，在8 m/s的模擬風速下都具有很高的抑塵效率；從15～60 min可以觀察到噴灑純水組表面的煤塵被吹動，而抑塵劑組仍沒有顯著變化；從第60 min開始，噴灑純水的煤塵表面開始出現明顯松動，大量煤塵被吹到測試管中，粉塵采樣器的采樣管中收集到大量黑色的塵粒，而噴灑抑塵劑組的表面開始逐漸覆蓋一層水膜，可以觀察到這層水膜在8 m/s的模擬風速下基本保持穩定，水膜下的煤塵仍沒有任何被吹動的跡象；在2 h結束測試后取出煤塊，噴灑純水組的煤炭表面基本上完全被吹干，而噴灑抑塵劑組的煤塊表面仍有一層薄薄的膜，且這層膜具有一定的黏度。因此可以判斷抑塵劑在煤塵的表面形成了一層“水膜”，從而將粉塵包裹住，有效防止了煤塵的逸散。

4.2 煤場實際抑塵性能測試

將所制備的抑塵劑在實際煤堆場進行應用效果測試，在河北某地煤堆場現場選取了高度為2.5 m的煤堆，開展抑塵劑抑塵性能的檢測，噴灑抑塵劑前后各連續測試5 d，取5 d的PM10平均值為實驗結果，煤堆噴灑抑塵劑應用效果如圖8所示。

圖8 煤堆噴灑抑塵劑應用效果

抑塵劑噴灑前后PM10濃度均值見表9。

表9 抑塵劑噴灑前后PM10濃度均值 mg/m3

由表9可以看出，未使用抑塵劑時，在測試煤堆體下風向的PM10濃度明顯高于上風向和周邊背景濃度，達到145.2 mg/m3；使用抑塵劑后，下風向PM10濃度顯著下降，達到24.3 mg/m3，抑塵效率接近100%，說明該抑塵劑對于PM10小粒徑顆粒具有優良的抑塵性能。

研究還測試了在不同風速下該抑塵劑的抑塵性能，不同風速下煤堆體下風向PM10濃度監測見表10。

表10 不同風速下煤堆體下風向PM10濃度監測

由表10可以看出，噴灑該抑塵劑后，風速的變化對于抑塵劑抑塵效果并沒有特別明顯的影響，煤堆體下風向的PM10的濃度與周邊背景濃度相當，說明抑塵劑的使用可有效控制煤堆體中顆粒物的飛揚，能有效抑制風力揚塵。

5 結論

以農業廢棄物秸稈為原料，通過添加纖維素復合酶制成抑塵劑原液并添加適當濃度的瓜爾豆膠、K-12、乳酸鈉后制成了一種環保型煤塵抑塵劑，實現了秸稈的廢物利用，同時，優化后的抑塵劑配方在黏度和潤濕性上都表現出了更強的抑塵性能。主要結論如下：

(1)該抑塵劑的優化配方為：利用文中所述的制作方法制備抑塵劑原液后，添加0.3%的瓜爾豆膠、0.05%的K-12以及1%的乳酸鈉制得。

(2)該抑塵劑與純水相比具有更強的保濕性，且黏度和潤濕性均符合道路型抑塵劑的噴灑標準。

(3)該抑塵劑在8 m/s的風速條件下，2 h內能保持100%的抑塵效率，與純水相比抑塵效果明顯。

(4)該抑塵劑的接觸角為15.2°，相比于純水減小了60°，證明其潤濕性能優于純水。

(5)在煤堆體開展實際抑塵研究，結果表明抑塵劑抑塵性能優良，使用抑塵劑后可使煤堆體的PM10濃度由145.2 mg/m3降至環境背景濃度，并能有效抑制風力揚塵。