煤塵抑塵劑在不同作業場所的應用與發展前景

田 敏，李治剛，郭紅光，李雨成

（太原理工大學安全與應急管理學院，山西太原 030024）

煤塵抑塵劑因其顯著的效果和特點被認為是治理煤塵揚塵的有效方法之一。因此，分析總結了煤塵抑塵劑在不同作業場所的研究應用，探討了高分子、微生物抑塵劑的研究現狀和發展前景，有利于更好地了解和把握煤塵抑塵技術的發展動態。

1 煤塵抑塵劑的研究及應用

1）礦井噴霧抑塵劑。礦井開采過程中會產生大量動態粉塵，為了控制粉塵進一步擴散，多使用噴霧抑塵劑進行降塵。井下噴霧系統使用的抑塵劑以潤濕性能為主，該抑塵劑通過降低溶液的表面張力來提高對粉塵的潤濕效果，從而捕捉、沉降空氣中的浮塵。李樹芳等[3]以氯化鈣、氯化鎂、過硫酸鈉及十二烷基磺酸鈉制備一種應用于井下噴霧降塵的潤濕型抑塵劑，接觸角僅有21°，潤濕效果良好；金龍哲等[4]對比分析了多種吸濕材料和表面活性劑，進行氯化鈣、氯化鎂和曲拉通X-100 復配優化，粉塵含水率提高10%，抑塵率98.3%。目前井下噴霧抑塵劑的應用相對成熟，但仍需針對3 個方面進行優化：①抑塵周期短：使用時需要反復噴灑，要考慮到使用成本問題；②腐蝕性問題：考慮是否會腐蝕噴嘴造成堵塞；③毒害性：考慮抑塵劑噴灑在空氣中是否會對人體健康產生危害。

2）煤炭儲運抑塵劑。煤炭儲運過程中主要是受到顛簸或風力影響導致揚塵污染，因此其應用抑塵劑的性能更偏向于黏結凝聚粉塵。該抑塵劑通過覆蓋、固結、聚合等作用在噴灑過的散堆物料表面形成具有一定強度硬度的固化層，從而達到抑制煤塵飛揚的目的。陳景序等[5]以羧甲基纖維素鈉、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯酸鈉和無水硫酸鈉制備一種用于散煤運輸的抑塵劑，固結層抗壓強度為0.22 MPa，平均抑塵率超過96%，有效降低煤塵排放；JIN H 等[6]利用大豆分離蛋白、羧甲基纖維素鈉、十二烷基磺酸鈉、甲基硅酸鈉制得復合抑塵劑，其黏度為22.7 mPa·s，最低的風蝕率達到20.62%。煤炭儲運過程中應用的抑塵劑一般都具有良好的抗雨水沖刷性和抗凍融性，但實際應用中無機抑塵劑易出現乳化效果不好的問題；有機抑塵劑滲透力不強，部分組成物質難以自然降解，易造成二次污染。

3）露天煤礦抑塵劑。露天煤礦開采過程中由于煤層埋藏較淺，在機械破碎作用下容易產生大量浮沉，浮沉受自然風流擾動的影響，會嚴重污染大氣環境。針對露天礦區粉塵污染問題，一些學者提出了以黏結凝聚為主，潤濕為輔的復合型抑塵劑。潘海霞[7]利用氯化鈣、水玻璃、硫酸鈉、甘油和脂肪醇聚氧乙烯醚類制備一種適用于礦山露天開采的抑塵劑，除塵效率為89.6%，相比清水提高53.1%；廖奇等[8]研究一種由表面活性劑、增效離子和纖維素組成的礦用復合抑塵劑，同時兼具潤濕、黏結、凝聚粉塵的作用，使用后全塵和呼塵的降塵率分別達95.0%和92.8%。但由于合成復合抑塵劑工藝工序較復雜，同時對抑塵劑的環保性能要求較高。因此，露天礦區抑塵劑的研發仍然需要不斷試驗與探索。

2 新型煤塵抑塵劑的發展前景

當前煤塵抑塵劑的研究與應用越來越廣泛，與此同時新型抑塵劑的發展也紛至沓來，其中以環保型、功能型、高分子、微生物抑塵劑為典型代表引領著新型煤塵抑塵劑的發展。

2.1 井工礦抑塵劑的發展

針對特定環境或滿足特別需求的抑塵劑往往是普通抑塵劑應用的瓶頸，特別是煤礦開采有自燃傾向性和煤塵爆炸危險性的煤層時，煤塵抑塵劑需要有效針對特殊礦井環境，滿足特別需求。而功能型抑塵劑恰好可以填補這一空缺，其主要是以高分子聚合物為主，具有較強的成膜性，可有效隔絕物料表層，起到阻燃、阻氧化作用。施春紅等[9]針對井下運輸巷、工作面回風巷等場所研制一種新型防火抑塵劑，阻化率達到80.93%，有效抑塵期達20 d 以上；來水利等[10]以納米SiO2、海藻酸鈉等高分子材料合成一種軟膜型硅磷協同煤炭阻燃抑塵劑，噴灑該抑塵劑煤樣的風蝕率降低98.07%，同時兼具阻燃、抑塵2 種性能。

功能型抑塵劑通常針對性強、特點鮮明。例如防火抑塵劑，有較高的熱穩定性和成膜性，形成的分子間聚合網狀結構起到隔熱阻燃作用，可有效解決煤自燃現象。對于井工礦作業場所，開發集抑塵、防火、防爆于一體的煤塵抑塵劑是未來主要發展趨勢。

2.2 煤炭運輸抑塵劑的發展

煤炭運輸過程是煤塵揚塵的重要來源，既污染環境又浪費資源。為了符合國家對環保的要求，環保型抑塵劑漸漸成為關注的熱點。其主要是利用工農業廢品、生活垃圾、生產副品、動植物等可降解的物質作為其配置原材料，不僅原料環保且制作成本低。Li 等[11]利用廢紙提取羧甲基纖維素鈉與聚乙烯醇和N-乙烯基吡咯烷酮聚合生成一種礦用有機抑塵劑，具有98HA 的固化強度，在風速15 m/s 時抑塵率達88%; 梁文俊等[12]以農業廢棄物秸稈為原料，通過添加纖維素復合酶、瓜爾豆膠、乳酸鈉等制成一種環保型煤塵抑塵劑，表面張力31.20 mN/m、接觸角為15.2°，實際應用表明PM10 濃度由145.2 mg/m3下降到24.3 mg/m3。

環保型抑塵劑具有生態相容性，成本低、綠色無害、無腐蝕、降解性好等優點，在有效抑制煤塵揚塵減少資源損失的同時又不會給生態環境帶來危害。針對我國煤炭運輸過程中的煤塵逃逸問題，環保型抑塵劑具有良好的應用前景。

在婦科腹腔鏡手術過程中,給予患者采用單純全麻,則無法使患者的交感神經-腎上腺素髓質系統受完全性阻滯,從而造成患者發生較明顯的應激反應,使手術操作及手術效果受影響[4]。本次研究中,給予研究組患者施行全麻復合硬膜外麻醉,取得了較滿意的麻醉效果。全麻復合硬膜外麻醉可以有效對固定子宮神經支配通路,以及其固定組織的神經支配通路,達到神經傳導完全阻滯,達到較為理想的子宮松弛度,從而為順利進行手術操作而奠定基礎[5]。

2.3 洗煤廠與堆煤場抑塵劑的發展

高分子抑塵劑憑借著潤濕能力、抗風能力、抑塵能力突出等優勢在洗煤廠、堆煤場煤塵抑制領域備受青睞。其主要是通過聚乙烯醇、海藻酸鈉、瓜爾膠等有機高分子接枝共聚制成，具有很好的黏結性。謝德瑜等[13]選用堿金屬鹽作為原料，利用表面活性劑和改性劑開發出SH 型抑塵劑，有效提高了洗煤廠煤塵的保水性和凝聚性；WEI 等[14]利用聚乙烯醇、黃原膠和丙烯酸聚合生成雙網水凝膠抑塵劑，黏度45 mPa·s，表面張力達30 mN/m，抑塵固化后煤體抗壓強度達126 kPa；ZHOU 等[15]通過殼聚糖與丙烯酸和聚乙烯醇接枝聚合，再與乙二胺四乙酸進行交聯反應生產出一種控制煤渣堆積區揚塵的抑塵劑，附著力好，固化層硬度可達98 HA，風速為15～18 m/s時，固塵率達92.67%。除此之外，太原理工大學葛少成、山東科技大學楊靜、東南大學楊林軍等都對高分子抑塵劑的配置方法展開深入研究。近10 年高分子抑塵劑的研究與應用成果見表1。

表1 近10 年高分子抑塵劑的研究與應用成果Table 1 Research and application results of polymer dust suppressants in recent ten years

在洗煤廠、堆煤場等煤塵抑制領域，高分子抑塵劑憑借著黏結性強，抑塵周期長，綜合效益高、抗風抗雨能力突出等優勢具有良好的應用前景。

2.4 露天煤礦抑塵劑的發展

露天煤礦抑塵劑因作業場所受地域、節氣和溫差影響大，情況比較復雜，因此，對抑塵劑的作用特點要求較高。微生物抑塵劑因其多方面的顯著特點備受關注，東南大學錢春香、中國礦業大學時國慶、山東科技大學胡相明、美國亞利桑那州立大學Nasser M. Hamdan、Brian Knorr 等國內外學者開展了大量的微生物抑塵劑的研究與應用。近3 年微生物抑塵的研究與應用成果見表2。

表2 近3 年微生物抑塵的研究與應用成果Table 2 Research and application results of microbial dust suppression in recent three years

微生物抑塵劑的生物菌種以巴氏芽孢桿菌為主，菌種分泌脲酶加速尿素水解產生CO32-，通過外界加入鈣源形成微生物碳酸鈣。微生物碳酸鈣具有膠凝特性，促進松散煤塵顆粒的聚合和膠結，在煤塵表面形成固化層，有效提高其剛度、強度及抗風蝕性。SONG W 等[22]從露天礦區的土壤中分離到1 株脲酶菌，通過單因素實驗確定生物抑塵劑的最佳配比，抑塵劑使用后的可抗風速最大達到45.45 m/s；WU 等[24]研發一種適用于露天煤礦的新型生物抑塵劑，實驗研究表明其無毒、腐蝕性小、呈弱堿性、煤粉的失重率為2.56%。

當前微生物抑塵劑的研究多以尿酶菌分解尿素制備的碳酸鹽為主，在其膠結煤塵過程存在氨氣釋放，會對環境造成一定負面影響，制約了該類型抑塵劑的推廣應用，而膠質芽孢桿菌進行誘導碳酸鹽沉淀的方法有可能突破這一瓶頸，該菌種分泌的碳酸酐酶可以直接捕獲空氣中的二氧化碳，促進二氧化碳水合反應生成碳酸鹽。因此，利用該菌種既能減少環境的危害，又對緩解溫室效應加劇產生積極的作用。總的來說，微生物抑塵劑成本低、無毒無害、生物相容性好，在露天煤礦應用領域中有重要的研究價值。

圍繞不同作業場所，以環保型、功能型、高分子、微生物抑塵劑為典型代表的新型抑塵劑目前多處于試驗與探索階段，商業化模式還尚不成熟，對于新型抑塵劑的持續有效性、生態環保性、安全可靠性、經濟適用性、工藝簡易性等考核指標還需要現場和時間的進一步考證。因此，新型抑塵劑的作用機制以及相關的考核指標仍然需要大量的數據支撐與驗證。遵循國家綠色環保的發展理念，微生物抑塵劑具有廣闊的應用與發展前景，特別是可以利用膠質芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉淀制備出一種環保型微生物抑塵劑，具有良好的生態相容性，其對二氧化碳的固定與封存具有一定的積極作用，對于實現真正意義上的碳中和未來可期。

3 結 語

1）煤塵抑塵劑的發展經歷了由效率強化型到功能復合型，由環保功能凸顯型到新型材料經濟實用型。新型煤塵抑塵劑目前仍然處于試驗探索階段。井工礦中功能型抑塵劑的抑塵機理研究還不成熟，特別是不同類型、性質的煤塵及復雜多變的礦山環境都會影響到它的應用效果，未來還需有針對性的設計和適用性的開發。

2）煤炭運輸中環保型抑塵劑需要進一步簡化制備工藝，大規模工業化生產擴大其普及范圍是未來環保型抑塵劑發展的主要方向。

3）洗煤廠、堆煤場中高分子抑塵劑多以聚酯醇類為主，在未來的研究中還要不斷開發新的高分子原材料以拓寬其適用范圍，向著生態環保性、安全性、經濟性、簡易操作性、持續有效性的方向發展。

4）露天煤礦中微生物抑塵劑既能減少環境的危害，又對緩解溫室效應產生積極的作用，但其現場應用的適用性、有效性與可靠性研究仍是未來發展的主要任務。