市場(chǎng)現(xiàn)有抑塵劑的性能分析*

張明昌 王明枝 張少迪 吳宇輝 王若水

（1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院）

粉塵污染是露天煤礦作業(yè)中的一大問題，不僅對(duì)作業(yè)人員的身體健康造成影響，污染礦區(qū)周邊的環(huán)境，而且還會(huì)使運(yùn)輸設(shè)備的使用壽命大大縮短［1-3］。研究者分析了礦區(qū)塵源，發(fā)現(xiàn)除爆破作業(yè)外，運(yùn)輸作業(yè)的產(chǎn)塵在塵源中位居首位［4］，所以對(duì)礦區(qū)粉塵污染的治理核心是道路運(yùn)輸方面。

露天煤礦的運(yùn)輸?shù)缆分饕怯伤槭屯龄伋傻暮?jiǎn)易路面，強(qiáng)度相對(duì)較低。在負(fù)載煤礦運(yùn)輸車輛的碾壓下，路面會(huì)遭到破壞從而產(chǎn)生大量的細(xì)小粉塵［5］，這些粉塵在受到自然風(fēng)流、汽車剪切氣流和車輪離心力的作用下很容易揚(yáng)起。影響路面粉塵密度的因素有粉塵的粒徑、粉塵總量、粉塵干濕度、汽車行駛速度和自然環(huán)境等。根據(jù)揚(yáng)塵機(jī)制，抑制路面粉塵的主要方法:①路面鋪平，減少車輛振動(dòng)；②增加礦區(qū)路面抗壓強(qiáng)度；③提高粉塵濕度和粒徑。目前，路面灑水仍是我國(guó)露天礦山抑制粉塵的主要方法。雖然灑水是控制粉塵最簡(jiǎn)單的方法，但該措施存在抑塵時(shí)間短、成本高、浪費(fèi)水資源、效果不理想等問題。此外，在一些極端天氣下重復(fù)灑水會(huì)產(chǎn)生安全問題，所以研制出高效、低成本的道路抑塵劑應(yīng)用于露天煤礦是非常必要的。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)抑塵劑進(jìn)行了大量的研究，并研制出多種不同類型的抑塵劑。國(guó)外具有代表性的抑塵劑有南非的ANT-1型疏水防塵劑［6］、日本的THC劑和德國(guó)的Mon-tan黏結(jié)型抑塵劑［7］，國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，主要處于試驗(yàn)室研究階段。鄧兵杰等［8］利用正交試驗(yàn)制備了集吸濕、保水、黏結(jié)和凝并等多功能為一體的復(fù)合型抑塵劑；潘海軍［9］通過復(fù)配潤(rùn)濕劑制備了高效環(huán)保型化學(xué)抑塵劑等。但總體來說，抑塵劑因?yàn)槌杀靖摺⒍挝廴尽⒃牧蟻碓聪∩俚仍虿荒軓V泛推廣應(yīng)用。該研究旨在對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的6種抑塵劑進(jìn)行檢測(cè)，為研究原材料來源廣泛、低價(jià)高效、綠色環(huán)保的抑塵劑奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)儀器與材料

試驗(yàn)儀器有DV-1黏度計(jì)，PE-20 pH計(jì)，BZY-101表面張力儀，電熱鼓風(fēng)干燥箱，美的電風(fēng)扇，簡(jiǎn)易模擬噴淋裝置，毛細(xì)玻璃管，噴壺，電子天平，滴定管，攪拌器，搪瓷托盤（24cm×18cm×2cm）等。

試驗(yàn)材料有任丘市立天化工有限公司（簡(jiǎn)稱A廠家）的產(chǎn)品A1、A2、A3，任丘市鵬宇化工有限公司（簡(jiǎn)稱B廠家）的產(chǎn)品B1、B2、B3；試驗(yàn)土（北京林業(yè)大學(xué)道路兩側(cè)的土），將收集到的土用60目的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后放入50℃的烘箱中烘300 min除去水分；去離子水。

2 試驗(yàn)方案

（1）抑塵劑溶液的配制。將選購(gòu)好的6種抑塵劑樣品分別用去離子水稀釋到1%，用攪拌器攪拌均勻后裝入密閉容器。

（2）pH值測(cè)定。將一定量配置好的抑塵劑溶液倒入燒杯中，采用PE-20型pH值計(jì)測(cè)試抑塵劑的pH值，待顯示屏中的數(shù)值穩(wěn)定后讀取，每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試3次，取平均值。

（3）黏度測(cè)試。采用DV-1黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)定，參考DV-1型黏度儀的使用說明，由于抑塵劑產(chǎn)品黏度范圍不確定，因此轉(zhuǎn)子的選擇應(yīng)從大號(hào)且低轉(zhuǎn)速開始，然后逐漸減小，直至找到合適的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速。

（4）表面張力測(cè)定。將配制好的抑塵劑溶液倒入表面皿中，高度大于5 mm，然后用JZHY-180表面張力測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試3次，取平均值。

（5）滲透性測(cè)定。滲透性測(cè)定參考文獻(xiàn)［10］所用方法，采用向下滲透試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過程為:①將過篩的粉塵裝入透明玻璃管中振動(dòng)夯實(shí)，使玻璃管中所裝土的高度大于20 cm，然后將其垂直固定好；②通過滴定管吸取定量的抑塵劑溶液，慢慢滴入裝有粉塵的玻璃管中，記錄在30 min時(shí)抑塵劑的滲透深度；③通過公式計(jì)算得出溶液的滲透速度（v為抑塵劑溶液的滲透速度，mm/min；l為抑塵劑溶液的滲透深度，mm；t為滲透時(shí)間，min）。

（6）固化層性能測(cè)試。將篩分好的土裝入搪瓷托盤中，將土樣振動(dòng)夯實(shí)且保持平整。將配制好的抑塵劑溶液按2 L/m2的量噴至土樣表面，讓其自然滲透并形成固化層。待固化層穩(wěn)定后測(cè)量其3處的厚度取平均值。測(cè)量固化層受力處的寬度和厚度，然后輸入到微機(jī)控制人造板萬能試驗(yàn)機(jī)中。隨著力的增加固化層斷裂，記錄抗壓強(qiáng)度。

（7）抑塵劑風(fēng)蝕率測(cè)定。在搪磁盤中裝滿篩分好的土樣，夯實(shí)且保持表面平整。噴好抑塵劑后烘干，用電子天平稱重為w1，用電風(fēng)扇以5 m/s的風(fēng)速吹土樣表面30 min，用電子天平稱重記錄為w2。按公式計(jì)算風(fēng)蝕率（E為樣品風(fēng)蝕率；w1為風(fēng)蝕前土樣質(zhì)量，g；w2為風(fēng)蝕后土樣質(zhì)量，g）。

（8）抗雨淋性能測(cè)試。抗雨淋試驗(yàn)是室內(nèi)模擬試驗(yàn)，具體方法是在搪瓷托盤中裝滿篩分好的土樣，振動(dòng)夯實(shí)且保持表面平整。以2 L/m2的抑塵劑噴至土樣表面，然后放入50℃的烘箱中烘300 min，除去水分。使用簡(jiǎn)易模擬雨淋裝置向其表面灑水以模擬降雨，觀察煤堆的表面固化層的變化是否出現(xiàn)膨潤(rùn)、起泡、濺蝕、開裂等現(xiàn)象。

3 結(jié)果與討論

3.1 抑塵劑的pH值分析

不同抑塵劑溶液的pH值分析結(jié)果見圖1。

由圖1可見，A廠家3種抑塵劑產(chǎn)品的pH值在6.48～9.92，B廠家3種產(chǎn)品的pH值分別為6.93、9.85和10.03；A1、B2與B3呈堿性，A2、A3與B1呈中性；使用抑塵劑為堿性時(shí)，不僅對(duì)礦山的水土環(huán)境和施工人員的身體不利，還會(huì)加速運(yùn)輸設(shè)備的腐蝕；為滿足抑塵劑產(chǎn)品在安全和環(huán)保方面的要求，抑塵劑溶液pH值應(yīng)呈現(xiàn)中性。

3.2 抑塵劑黏度分析

不同抑塵劑溶液的黏度分析結(jié)果見表1。

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由表1可知，A廠家抑塵劑溶液的黏度分別為18，14，606 mPa·s，B廠家抑塵劑的黏度在6～11 mPa·s；根據(jù)國(guó)家鐵道部制定的標(biāo)準(zhǔn)［11］，抑塵劑的黏度值應(yīng)大于5mPa·s，所有產(chǎn)品的黏度均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；除A3外，其他5種產(chǎn)品在稀釋與噴灑時(shí)操作方便、設(shè)備要求簡(jiǎn)單；A3在稀釋過程中需要用強(qiáng)力攪拌機(jī)攪拌10 min，且向土樣表面噴灑時(shí)不易形成霧狀。

3.3 抑塵劑的表面張力分析

不同抑塵劑溶液的表面張力分析結(jié)果見圖2。

由圖2可見，A廠家抑塵劑的表面張力分別為41.8，51.3，49.8 mN/m，B廠家抑塵劑的表面張力在61.4～70.4 mN/m，2家抑塵劑產(chǎn)品的表面張力相差較大；20℃時(shí)純水的表面張力為72.75 mN/m，6種抑塵劑的表面張力均小于水，所以比水的潤(rùn)濕性好；據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［12］報(bào)道，溶液的表面張力在45 mN/m左右時(shí)，粉塵更易被潤(rùn)濕；因此A廠家的抑塵劑可以更好地潤(rùn)濕粉塵，從而更利于粉塵之間的黏結(jié)，所形成的固化層厚度值更大。

3.4 抑塵劑的滲透性分析

不同抑塵劑溶液的滲透速度見表2。

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由表2可知，A廠家抑塵劑中A2的滲透速度最快，為0.67 mm/min；B廠家抑塵劑的滲透速度在1.60～2.83 mm/min；滲透性可通過滲透速度來表征，良好的滲透速度可有效的提高抑塵劑的抑塵效果。

3.5 固化層的性能分析

噴灑抑塵劑的土樣表面見圖3，不同抑塵劑溶液固化層的性能見表3。

由圖3可見，土樣表面噴灑抑塵劑后，形成了1層具有一定硬度的固化層；固化層一般為光滑表面，A3由于黏度過大，在噴灑時(shí)難以形成霧狀，所以固化層表面凹凸不平；固化層表面存在裂隙是由于抑塵劑溶液噴灑不均勻，粉塵之間相互作用出現(xiàn)裂隙，隨著固化層中水分的逐漸減少，裂隙會(huì)越來越大；固化層是土樣的表面保護(hù)層，下面仍是相對(duì)松散的土質(zhì)結(jié)構(gòu)，固化層可以隔絕外界環(huán)境對(duì)松散粉塵的直接作用，從而防止粉塵的飛揚(yáng)和流失，以達(dá)到減少損失和保護(hù)環(huán)境的目的。

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由表3可知，噴灑A廠家3種抑塵劑的固化層厚度分別為9.3，6.7，11.7 mm，B廠家3種抑塵劑的固化層厚度在5.6～7.7mm；A廠家抑塵劑的表面張力較小且黏度較大，所以形成固化層的厚度比B廠家的抑塵劑厚；較厚的固化層保證了較好的抗風(fēng)、抗雨淋性能；在固化層抗壓強(qiáng)度方面，A廠家抑塵劑的抗壓強(qiáng)度均為30 kPa，而B廠家抑塵劑的抗壓強(qiáng)度在10～60 kPa。

3.6 抑塵劑的抗風(fēng)性能分析

不同抑塵劑的抗風(fēng)性能見表4。

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由表4可知，所有樣品的風(fēng)蝕率為零，說明6種抑塵劑都具有良好的抗風(fēng)蝕能力；固化層的抗風(fēng)蝕性能是抑塵劑性能的關(guān)鍵指標(biāo)，通過抗風(fēng)蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證所形成固化層抵抗風(fēng)蝕的能力，對(duì)抑塵劑的實(shí)際應(yīng)用性能具有重要的意義。

3.7 抑塵劑的抗雨淋性能分析

淋雨后的土樣表面見圖4。

由圖4可見，土樣表面經(jīng)模擬降雨試驗(yàn)后表現(xiàn)出不同形態(tài)；噴灑A廠家抑塵劑的土樣表面經(jīng)過抗雨淋模擬試驗(yàn)后，雖然表面遭到一定程度的破壞，但還存在不完整的固化層；噴灑A3產(chǎn)品的土樣抗雨淋性能最佳，其表面的固化層只在水流沖擊的位置遭到了微小的破壞；而B廠家的抑塵劑在試驗(yàn)后，土樣表面出現(xiàn)起泡現(xiàn)象且固化層破壞嚴(yán)重甚至消失；土樣表面固化層試驗(yàn)后的形態(tài)反應(yīng)了抑塵劑的抗雨淋性能，A廠家抑塵劑的抗雨淋性能更佳，歸因于產(chǎn)品溶液黏度大且土樣表面形成固化層厚度值較高，B廠家抑塵劑在經(jīng)歷自然降雨后可能需要重新噴灑抑塵劑，應(yīng)用時(shí)會(huì)受到環(huán)境因素的限制。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)6種抑塵劑的不同性能進(jìn)行檢測(cè)，A3產(chǎn)品的溶液呈中性，表面張力低，黏度高且所形成的固化層具有較好的抗風(fēng)抗雨淋能力，更符合對(duì)抑塵劑環(huán)保高效的要求，但A3抑塵劑在配制和噴灑時(shí)對(duì)設(shè)備的要求較高，且滲透性較差。

（2）B廠家的抑塵劑滲透性好，可以很快地滲透到土樣內(nèi)部形成固化層，但潤(rùn)濕粉塵的能力較差，且形成的固化層抗雨淋性能較差。

（3）為適應(yīng)未來環(huán)保的高要求，科研人員應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)所、抑塵標(biāo)準(zhǔn)等研制高效環(huán)保、低成本的專用型抑塵劑。