煤炭化學(xué)抑塵劑的應(yīng)用進(jìn)展

＊許飛健 陳維旭 王鋒 于英豪*

（1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣東 510000 2.山東普越能源科技有限公司 山東 265599）

近年來，隨著煤炭開采機械化程度和生產(chǎn)強度的提高，煤礦開采、儲存和運輸產(chǎn)生的粉塵劇增，造成的環(huán)境污染和健康安全問題日益嚴(yán)重，因此，對于煤炭在開采和運輸過程中產(chǎn)生的粉塵的抑制是十分重要的。在眾多的抑塵方法中，化學(xué)抑塵劑因其選擇性好和實用性強引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外研究者對揚塵污染作了大量的研究，結(jié)果表明煤的芳香核主體結(jié)構(gòu)使其具有強懸浮性和強疏水性，在煤炭表面噴淋化學(xué)抑塵劑后能夠有效防止煤炭在運輸過程中的損失和污染，該方法簡便易行。

但是目前大多數(shù)化學(xué)抑塵劑都存在局限性，例如功能單一、制備工藝繁雜、經(jīng)濟效益低、環(huán)保安全問題等。因此，開展包括煤炭抑塵劑的作用機理和具體應(yīng)用的研究進(jìn)展，評估各自的優(yōu)缺點，對于尋找高效、綠色、價格低廉以及多功能的煤炭抑塵劑尤為重要。

1.研究歷程與現(xiàn)狀

日本、歐美等國家在抑塵劑研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，早在20世紀(jì)前期，國外研究人員就研發(fā)出濕潤型化學(xué)抑塵劑應(yīng)用在煤炭抑塵上。近40年來，隨著抑塵技術(shù)研究不斷深入，國外開始將表面活性劑應(yīng)用在煤炭抑塵技術(shù)中。之后隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的提高以及現(xiàn)代化學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國外已經(jīng)從原始的瀝青、原油和無機鹽物質(zhì)轉(zhuǎn)向高分子聚合物等新型綠色化學(xué)抑塵劑，向多功能及環(huán)保的方向發(fā)展。

我國在化學(xué)抑塵劑方面的研究起步落后于其他先進(jìn)國家。20世紀(jì)中葉，我國基本使用純水抑塵。隨著20世紀(jì)80年代國外抑塵方法的引進(jìn)，我國才開始研究各類抑塵方法。21世紀(jì)以來，我國在化學(xué)抑塵劑領(lǐng)域的研究和應(yīng)用不斷深入和拓寬。隨后表面活性劑和高分子聚合物類功能材料的開發(fā)研究更是促進(jìn)了抑塵劑的迅猛發(fā)展，主要應(yīng)用在道路和煤炭開采運輸過程的揚塵治理以及防風(fēng)固沙等領(lǐng)域。

研究人員雖然在化學(xué)抑塵劑方面取得了一定的成果，但目前一些傳統(tǒng)的單一型抑塵劑還是難以滿足綠色可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，綠色環(huán)保的復(fù)合型抑塵劑是目前的研究重點。

2.化學(xué)抑塵劑的作用原理

粉塵沉降速度的表達(dá)式見式（1）：

式中，νt為粉塵沉降速度，m·s-1；r為顆粒粒徑，m；ρ粒為顆粒密度，kg·m-3；ρ流為氣流密度，kg·m-3；μ為運動黏性系數(shù)；θr為外摩擦系數(shù)；g為重力系數(shù)，m·s-2。

從式（1）得出，增大粉塵的粒徑或者密度可以加快煤粉沉降。

化學(xué)抑塵劑的作用機理有：（1）潤濕作用機理：抑塵劑通過濕潤滲透作用，使煤塵保持一定量的水分，增大煤塵的顆粒密度；（2）粘結(jié)作用機理：抑塵劑噴灑在煤塵表面后，煤粉會粘結(jié)成團(tuán)或結(jié)殼，增大煤塵的粒徑；（3）凝固成膜機理：抑塵劑在煤塵表面形成一層致密的薄膜，減緩水分蒸發(fā)。

3.傳統(tǒng)化學(xué)抑塵劑

傳統(tǒng)的化學(xué)抑塵劑可以按照抑塵機理分為濕潤型、粘結(jié)型、凝聚型和復(fù)合型；按照不同的原料成分又可分為無機類和有機類。

(1)濕潤型化學(xué)抑塵劑

濕潤型化學(xué)抑塵劑主要成分是表面活性劑和某些無機鹽，無機鹽通常為吸濕性無機鹽，它克服了表面活性劑在保水吸濕上的缺點。該抑塵劑分子溶于水時完全被水分子包圍，表面活性劑中的親水基一端朝向水中，疏水基一端被排斥伸向空中，在水溶液表面形成界面吸附層阻斷水與空氣的接觸，從而降低水的表面張力。同時疏水基與粉塵之間有吸附作用，把粉塵帶入水中濕潤。

程淑艷等[1]利用十二烷基苯磺酸鈉和C9脂肪醇聚氧乙烯醚，研制出一種濕潤型煤炭抑塵劑，其能夠濕潤細(xì)小的煤粉，提高抑塵效率。Ding Cui等[2]將表面活性劑磁化后制備濕潤型表面活性劑，提高抑塵劑對煤塵的潤濕能力。金龍哲等[3]以氯化鈣和氯化鎂為基料制備濕潤型抑塵劑，顯著提高粉塵的保濕時間和降低路面平均粉塵質(zhì)量濃度。

濕潤型抑塵劑主要用于噴霧系統(tǒng)抑制揚塵，提高潤濕粉塵效果，降低表面張力，但是其抑塵有效期較短，一般為5～10天，且腐蝕性強，會危害植物。

(2)粘結(jié)型化學(xué)抑塵劑

粘結(jié)型化學(xué)抑塵劑主要分為有機粘結(jié)材料和無機粘結(jié)材料，有機粘結(jié)材料如石油類產(chǎn)品、木質(zhì)素衍生物、纖維素濾料等，而無機粘結(jié)材料如黏土、鹵化物和氯化鈣等。這些材料通常不溶于水，需要乳化后形成乳狀液后才具有粘性。當(dāng)粘結(jié)型抑塵劑噴灑到粉塵表面時，外相水首先會潤濕粉塵，同時乳液中的表面活性劑也會增強水對粉塵的濕潤能力，使粉塵快速潤濕和凝結(jié)。最后發(fā)生反乳化作用在粉塵表面形成致密的油膜，從而有效抑制水分的蒸發(fā)。

潘海霞等[4]利用鹵化物與脂肪醇聚氧乙烯醚類表面活性劑復(fù)配制成粘結(jié)型抑塵劑，噴灑后抑塵劑滲透到土層中，固化后在表面形成一層強硬的防護(hù)殼，起到良好的防塵固沙作用。Stabnikov等[5]利用氯化鈣和尿素溶液等制備了無機化學(xué)抑塵劑，使用該抑塵劑后粉塵粒徑明顯增大，抑塵效果明顯。李凱崇等[6]利用木質(zhì)素磺酸鹽與丙烯酸單體接枝共聚，再加入其他助劑制成鐵路煤炭運輸用的粘結(jié)型有機抑塵劑，耐水和抑塵效果較好，具有良好的經(jīng)濟效益。

粘結(jié)型抑塵劑主要應(yīng)用于路面、建筑工地以及露天堆場的揚塵，抑塵效果好，原料低廉易得，生產(chǎn)技術(shù)成熟，但是在實際應(yīng)用過程中乳化性能較差。此外，一些無機化學(xué)抑塵劑難降解，易造成二次污染。

(3)凝聚型化學(xué)抑塵劑

凝聚型化學(xué)抑塵劑的主要成分是吸水劑，制備材料不同可分為吸濕型無機鹽類和高倍吸水樹脂類。吸濕型無機鹽抑塵劑的原材料主要是一些無機鹽，主要包括鹵化物、活性氧化鋁和硅膠等；而高倍吸水樹脂抑塵劑是一種高分子材料，其具有很強的吸水能力和保水能力。

吳超等[7]在氯化鎂、氯化鈣中添加了氧化鈣和氧化鎂，再與水玻璃復(fù)合制備吸濕型無機鹽抑塵劑，緩解了鹵化物使用后偏酸性的情況，抑塵效果良好。He等[8]研發(fā)一種高倍吸水樹脂凝聚劑，將其均勻噴灑在料堆后形成一種類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，具有良好的保水性能和粘結(jié)能力。

凝聚型抑塵劑能夠吸收水分，增大粒徑主要應(yīng)用于防治在制料、搬運過程中所產(chǎn)生的揚塵。吸濕型無機鹽化學(xué)抑塵劑吸濕性很強，且有融雪能力，但是其腐蝕性較強，會損壞金屬零件和車胎，還會對環(huán)境造成污染；高倍吸水樹脂化學(xué)抑塵劑具有較強的吸水性、保水性和抗壓性，抑塵效果較好，但是其成本較高且難制備。

(4)復(fù)合型化學(xué)抑塵劑

復(fù)合型抑塵劑由兩種或兩種以上的抑塵劑通過物理或化學(xué)條件復(fù)合而成，是一種具有粘結(jié)、潤濕和凝聚等多功能的抑塵劑。

蔣富強等[9]復(fù)合木質(zhì)素磺酸鈉和丙烯酸等助劑，制成了復(fù)合型化學(xué)抑塵劑，能夠有效抑制煤炭粉塵飛揚。馬云龍等[10]利用N,N-亞甲基雙丙烯酰胺和引發(fā)劑過硫酸銨制備了復(fù)合型抑塵劑，噴灑該抑塵劑后料堆表面形成的固化層具有良好的保水和粘結(jié)粉塵的能力。

復(fù)合型化學(xué)抑塵劑主要用于路面抑塵，其綜合了不同類型抑塵劑的優(yōu)點，能夠改善路面質(zhì)量，抑塵效果較好，但是其制備技術(shù)和作用機理比較復(fù)雜，且尚未成熟，研發(fā)難度較大。

4.新型化學(xué)抑塵劑

近年來，國內(nèi)外研究者將研究重點由傳統(tǒng)化學(xué)抑塵劑逐漸轉(zhuǎn)向工藝簡易、綠色環(huán)保、多功能的新型抑塵劑。

（1）環(huán)保型抑塵劑。環(huán)保型抑塵劑實際是通過廢物的再利用或環(huán)保材料研發(fā)的，其具有優(yōu)異的保水性能、環(huán)保低廉、制備簡單等優(yōu)點。

王乃國等[11]通過化學(xué)自由基共聚理論制備了一種基于淀粉的環(huán)保型抑塵劑，結(jié)果表明該抑塵劑的潤濕性比水好，在煤粉表面形成致密的保護(hù)膜抵抗外界破壞，抑塵效果高達(dá)90%。龐亞恒等[12]以殼聚糖為原料改性后復(fù)配制得高效環(huán)保的復(fù)合型抑塵劑，該抑塵劑的降塵效果明顯，能夠在煤炭顆粒表面形成保護(hù)膜，能適用于強風(fēng)天氣。Gotosa J等[13]以糖蜜酒精廢液為原料制備了環(huán)保型抑塵劑，該抑塵劑經(jīng)濟環(huán)保，抑塵效果也遠(yuǎn)高于純水抑塵。

（2）高分子抑塵劑。高分子抑塵劑的主要原料是一些有機高分子如聚丙烯酸酯、淀粉接枝共聚物、木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚物和水溶性纖維素聚合物等。它通過高分子的粘著力將粉塵凝聚成團(tuán)，然后在物料表層結(jié)殼，有效抑制揚塵。

馬倩等[14]通過聚醚二元醇和環(huán)氧樹脂的聚合反應(yīng)制備高分子抑塵劑，該抑塵劑無毒無刺激，在煤粉表面形成的固化層韌性較好，具有一定的抗壓、抗風(fēng)蝕和抗雨淋能力。馮建平等[15]以納米纖維素為原料研制一種新型可降解納米纖維素抑塵劑，該抑塵劑具有良好的潤濕性，黏結(jié)煤塵后有抗風(fēng)蝕性和抗蒸發(fā)性。徐國俊等[16]以聚乙烯醇為主料，與其他助劑合成了一種水溶性高分子化學(xué)抑塵劑，該抑塵劑具有一定的粘度且吸濕、保水性較好，能夠增加粉塵的濕度和粘度，起到固土防塵的效果。

隨著環(huán)保和經(jīng)濟效益的需求，高分子抑塵劑的原料成本越來越低，制備工藝也不斷簡化，應(yīng)用領(lǐng)域廣且具有安全性。

（3）功能型抑塵劑。功能型抑塵劑是一類針對特定環(huán)境下研制的具有一定的特殊抑塵效果的抑塵劑，例如用于煤炭開采和運輸過程中的抑塵劑不僅要有良好的抑塵效果，還需具有抗自燃性以及不影響煤炭本身性質(zhì)等作用。

程愛華等[17]以水溶性高分子、丙三醇和鹵鹽為原料制成功能型抑塵劑，噴灑該抑塵劑后凝并的表層煤粒具有優(yōu)異的抗風(fēng)蝕性能，抑塵效率高且抗凍融能力較強。施春紅等[18]利用鹵化物和成膜助劑制備煤礦防火型抑塵劑，噴灑該抑塵劑后在煤粉表面形成液膜，阻斷煤炭與氧氣的接觸，在避免煤層自燃的同時能夠抑制采空區(qū)二次揚塵。Longzhe等[19]利用Triton X-100和果綠定KS-1等助劑研發(fā)出一種功能型抑塵劑，該抑塵劑能夠顯著減少吸濕型無機鹽凝聚劑對金屬的腐蝕，具有較好的經(jīng)濟效益。

（4）微生物抑塵劑。微生物抑塵劑是自然界中一些微生物產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀來制作的生物粘結(jié)劑，其可以固化松散的散砂和顆粒，從而改善土體的性質(zhì)。

王和堂等[20]研發(fā)了枯草芽孢桿菌發(fā)酵合成的生物抑塵劑（BDS），具有優(yōu)異的表面活性，在潤濕性能和經(jīng)濟性方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，還具有良好的環(huán)境耐受性。蔣耀東等[21]以微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)為基礎(chǔ)，研制出巴氏芽孢桿菌微生物抑塵劑和脲酶抑塵劑，結(jié)果表明，脲酶抑塵劑的抗蒸發(fā)性和保水性能較強，而兩者的抗風(fēng)蝕、抗凍和抑塵效率都較其他抑塵劑好。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀制備的抑塵劑綠色無毒，具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，能夠凝并細(xì)小的揚塵顆粒，形成的固化層具有一定的強度和抗壓能力，有效抑制二次揚塵，無需重復(fù)噴灑。

5.結(jié)論與展望

煤炭粉塵飛揚造成的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染仍是制約我國煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的問題之一，而化學(xué)抑塵劑因其高效、便捷等優(yōu)勢引起行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，但是目前大多數(shù)抑塵劑不能同時滿足價格低廉、高效和綠色環(huán)保的要求。因此，研究人員應(yīng)將研究重點轉(zhuǎn)向環(huán)保高效和經(jīng)濟實用的新型復(fù)合抑塵劑，深入研究抑塵劑的抑塵機理，在微觀的方面更好地理解煤炭抑塵，通過更精確的實驗方法定量比較抑塵劑的抑塵效果，使抑塵劑朝著高分子、多組分、多功能及環(huán)境友好的方向發(fā)展。