林木松，范圣平，鐘丁平，李宇春，彭磊

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東科立恩環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司，廣東 廣州 510680；3.長沙理工大學(xué) 化學(xué)與生物學(xué)院，湖南 長沙 410114)

燃煤電站輸卸系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，由于空間閉塞,粉塵難以散發(fā)的空氣含塵量高達(dá)200～2 200 mg/m3，不僅造成燃煤損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染，還容易發(fā)生爆燃事故；此外對(duì)作業(yè)人員的人體傷害非常大，特別是PM2.5可以直接沉積在人的肺部，容易產(chǎn)生矽肺[1-2]。

輸卸煤系統(tǒng)的揚(yáng)塵分為平流揚(yáng)塵和落流揚(yáng)塵。平流揚(yáng)塵是由于皮帶在運(yùn)行時(shí)對(duì)空氣牽引作用產(chǎn)生的牽引氣流使塵粒剝離煤塊而產(chǎn)生的；落流揚(yáng)塵[3]的起因來自于誘導(dǎo)氣流和剪切氣流，煤在下降過程中對(duì)空氣的沖擊拽引作用產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流，誘導(dǎo)氣流使煤流表面的塵粒剝離煤塊產(chǎn)生揚(yáng)塵，當(dāng)煤由上層皮帶落到下層皮帶時(shí)，煤流內(nèi)部間隙的空氣被擠壓產(chǎn)生向上的剪切氣流攜帶粉塵逸出[3]。

目前，火電廠對(duì)于輸卸煤系統(tǒng)揚(yáng)塵的治理基本上采用灑水、安裝密閉式煤槽、除塵系統(tǒng)[4-5]等物理方法，由于水的潤濕性、凝并性、滲透性較弱，抑塵效率僅為60%～70%，同時(shí)還會(huì)增加煤中水分及磨煤能耗；而密閉式煤槽、除塵系統(tǒng)不僅費(fèi)用高，而且受到煤流運(yùn)動(dòng)特征影響，密封性差，抑塵效果有限，還給運(yùn)行和檢修帶來不便?；诖耍斜匾_發(fā)環(huán)保、成本低廉適用于輸卸煤系統(tǒng)的抑塵劑。

本文通過研制動(dòng)態(tài)揚(yáng)塵模擬試驗(yàn)裝置對(duì)煤流揚(yáng)塵的發(fā)生機(jī)理[6-8]及其損耗[9]進(jìn)行深入的研究，并在此基礎(chǔ)上，研究適用于抑制煤流揚(yáng)塵的抑塵劑。對(duì)于靜態(tài)揚(yáng)塵的治理主要采用黏結(jié)型抑塵劑、凝聚型抑塵劑。黏結(jié)型抑塵劑通過凝并、潤濕和固化原理[10-13]達(dá)到抑塵效果；而凝聚型抑塵劑通過其中的大量吸濕劑吸收水分使粉塵保持較高的含濕量從而防止揚(yáng)塵。動(dòng)態(tài)揚(yáng)塵治理與靜態(tài)揚(yáng)塵治理的不同之處在于需要在輸送運(yùn)轉(zhuǎn)過程中抑塵，由于轉(zhuǎn)運(yùn)速度快，需要在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到抑塵效果，而黏結(jié)型抑塵劑、凝聚型的抑塵劑需要2 d以上才具備理想的抑塵效果;因此，黏結(jié)型、凝聚型抑塵劑不適用于輸卸煤系統(tǒng)的抑塵。動(dòng)態(tài)揚(yáng)塵治理具有需要快速抑塵的特點(diǎn)[14]，同時(shí)需要對(duì)抑塵劑配方設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，通過增強(qiáng)凝并、潤濕、滲透作用達(dá)到快速抑塵效果[15-16]。凝并作用是利用抑塵劑大分子的橋聯(lián)作用，借助離子鍵、范德華力、氫鍵等各種力的作用，吸附多個(gè)塵粒顆粒，在各個(gè)塵粒之間形成架接作用，將小顆粒聚集成大顆粒，達(dá)到抑塵效果；潤濕作用是利用水對(duì)粉塵的潤濕使粉塵顆粒質(zhì)量增大達(dá)到抑塵的效果；滲透作用使抑塵劑能在煤流表層和內(nèi)層快速滲透，使未直接噴灑到的煤能快速地潤濕、凝并，達(dá)到快速抑塵效果。

本文以無害無毒、可生物降解的淀粉接枝丙烯酸聚合物為主料，復(fù)配潤濕性、滲透性強(qiáng)的表面活性劑合成YT4型抑塵劑，利用聚合物的凝并性和表面活性劑的潤濕性、滲透性協(xié)同作用，達(dá)到快速、高效的抑塵效果。

1 試驗(yàn)儀器與材料

1.1 聚合物合成試驗(yàn)設(shè)備

聚合物合成試驗(yàn)設(shè)備包括：501A 型恒溫水浴槽(杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠出品，用于聚合物合成和試劑黏度的測(cè)定)、HY-1 型垂直多用振蕩器(江蘇省金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠出品，用于試劑振蕩攪拌)、NDJ-5S數(shù)字黏度計(jì)(上海軒澄儀器有限公司出品，用于測(cè)定試劑黏度)、100 mL三口燒瓶(聚合物合成反應(yīng)容器)、三角錐瓶等化玻用品。

1.2 聚合物合成試劑

聚合物合成試劑包括：可溶性淀粉(石家莊唐天淀粉有限公司出品，用于聚合物合成)、丙烯酸(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司出品，用于與可溶性淀粉發(fā)生接枝聚合反應(yīng)的物質(zhì))、過硫酸銨(洛陽市化學(xué)試劑廠出品，聚合反應(yīng)引發(fā)劑)、氫氧化鈉(洛陽市化學(xué)試劑廠出品，用于中和丙烯酸)、蒸餾水等，以上的試劑均采用化學(xué)純。

1.3 YT4型抑塵劑合成試驗(yàn)設(shè)備

YT4型抑塵劑合成試驗(yàn)設(shè)備包括：NDJ-5S數(shù)字黏度計(jì)(上海軒澄儀器有限公司出品，用于測(cè)定試劑黏度)、JYW-200A表面張力測(cè)量儀(承德優(yōu)特檢測(cè)儀器銷售有限公司出品，用于測(cè)定試劑表面張力)、試管、試管架、電子天平等。

1.4 YT4型抑塵劑合成試驗(yàn)試劑

YT4型抑塵劑合成試驗(yàn)試劑包括：淀粉接枝丙烯酸聚合物(由以上聚合物合成試驗(yàn)合成)、曲拉通X-100(北京化工廠出品，以下簡(jiǎn)稱“X-100”，用作表面活性劑)、十二烷基硫酸鈉(上海奧威日化有限公司出品,簡(jiǎn)稱“SDS”，用作表面活性劑)、十二烷基苯磺酸鈉(上海奧威日化有限公司出品, 簡(jiǎn)稱“SDBS”，用作表面活性劑)、蒸餾水等，以上的試劑均采用化學(xué)純。

2 抑塵劑配方設(shè)計(jì)及合成

2.1 淀粉接枝丙烯酸聚合物合成

本文采用淀粉接枝丙烯酸聚合物作為凝并劑，其優(yōu)點(diǎn)是：黏度高，凝并性好；原料容易獲得，成本低廉，且原料無害無毒，能完全自然降解；此外，淀粉接枝丙烯酸聚合物與其他高吸水性的聚合物相比，能溶解于水，工程實(shí)施簡(jiǎn)便，有利于推廣應(yīng)用。

2.1.1 聚合物合成機(jī)理

淀粉接枝丙烯酸聚合物的合成方法：以過硫酸銨為引發(fā)劑，可溶性淀粉與丙烯酸進(jìn)行接枝聚合反應(yīng)，合成1種高黏度的高分子聚合物。為了控制反應(yīng)的速度和反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量，反應(yīng)過程中用氫氧化鈉中和部分丙烯酸，反應(yīng)式如下：

a)過硫酸銨形成自由基，

b)淀粉在引發(fā)劑作用下形成自由基，

c)帶有自由基淀粉與丙烯酸反應(yīng)生成聚合物,

式中m為反應(yīng)過程丙烯酸參與反應(yīng)的分子數(shù)。

當(dāng)活性鏈?zhǔn)プ杂苫?，反?yīng)終止。為了控制反應(yīng)速度和反應(yīng)產(chǎn)物性能，用氫氧化鈉中丙烯酸，反應(yīng)式為

2.1.2 聚合物最佳合成條件和工藝

聚合物合成工藝如下：

a)氫氧化鈉中和丙烯酸得到待反應(yīng)液。將氫氧化鈉溶于水中得到氫氧化鈉溶液，在氫氧化鈉溶液緩慢加入丙烯酸中和，得到待反應(yīng)液，測(cè)定其中和度。

b)先將可溶性淀粉加入到250 mL三角錐瓶中，然后加入除鹽水100 mL，在溫度T下糊化30 min，不斷攪拌，以防止結(jié)塊；接著加入反應(yīng)液和過硫酸銨,在溫度T下不斷攪拌，繼續(xù)反應(yīng)2.5 h，得到聚合物。

聚合物作為抑塵劑的凝并成分，其黏度越大凝并性越好；因此，通過合成產(chǎn)物的黏度來選擇最佳反應(yīng)條件。以下對(duì)反應(yīng)溫度、丙烯酸用量、引發(fā)劑用量、中和度等單因素反應(yīng)條件進(jìn)行確定。

a)反應(yīng)溫度的確定。實(shí)驗(yàn)方法：稱取淀粉4 g、丙烯酸 20 mL、過硫酸銨0.1 g，中和度控制在70%，分別在50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃的條件下進(jìn)行合成試驗(yàn)，然后測(cè)定不同條件下的合成產(chǎn)物的黏度，得到產(chǎn)物的黏度與溫度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)產(chǎn)物黏度的影響Fig.1 Effect of temperature on product viscosity

由圖1可見：溫度越高，聚合反應(yīng)速率越快，黏度隨之升高；但是溫度超過70 ℃后，聚合度降低，聚合物的分子量下降，并且丙烯酸會(huì)發(fā)生自聚，造成產(chǎn)物黏度下降；反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)，產(chǎn)物黏度最高。因此，最終確定反應(yīng)溫度確定為70 ℃。

b)丙烯酸用量確定。實(shí)驗(yàn)方法：稱取淀粉4 g、過硫酸銨0.1 g，控制中和度為70%，反應(yīng)溫度為70 ℃，分別在丙烯酸用量為8 mL、12 mL、16 mL、20 mL、24 mL、28 mL條件進(jìn)行合成試驗(yàn)，然后測(cè)定不同條件下的合成產(chǎn)物的黏度，得到單體用量與產(chǎn)物黏度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 單體用量與產(chǎn)物黏度的關(guān)系Fig.2 Relationship between monomer concentration and product viscosity

由圖2可見：在丙烯酸用量低于16 mL時(shí)，黏度隨丙烯酸用量的增加呈現(xiàn)小幅的增長；在丙烯酸用量超過16 mL后，黏度隨丙烯酸用量的增加快速增加，并在丙烯酸用量為20 mL時(shí)，黏度達(dá)到最大值；當(dāng)丙烯酸用量超過20 mL時(shí)，接枝反應(yīng)速度大，水溶性變差，黏度迅速下降。因此，選取最佳丙烯酸用量為20 mL。

c)引發(fā)劑用量確定。實(shí)驗(yàn)方法：稱取淀粉4 g、丙烯酸20 mL，控制中和度為70%，反應(yīng)溫度為70 ℃，分別在引發(fā)劑過硫酸銨用量為0.04 g、0.06 g、0.08 g、0.10 g、0.12 g、0.14 g的條件下進(jìn)行合成反應(yīng)，測(cè)定不同條件下合成產(chǎn)物的黏度，得到引發(fā)劑用量與產(chǎn)物黏度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 引發(fā)劑用量對(duì)產(chǎn)物黏度的影響Fig.3 Effect of initiating agent amount on product viscosity

由圖3可見：剛開始隨引發(fā)劑用量的增加，黏度也不斷增加；引發(fā)劑用量從0.04 g增加至0.06 g時(shí)，黏度變化不大，黏度在引發(fā)劑用量為0.12 g時(shí)達(dá)到最大值；再增加引發(fā)劑用量，黏度又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，選取引發(fā)劑用量為0.12 g。

引發(fā)劑是溶液聚合配方中重要的組成成分之一，引發(fā)劑的用量會(huì)直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，并影響聚合反應(yīng)速率。聚合反應(yīng)需要一定的時(shí)間，引發(fā)劑要在整個(gè)反應(yīng)過程中起作用。當(dāng)引發(fā)劑用量少，則引發(fā)不完全，部分單體未參與接枝聚合反應(yīng)，接枝效率降低，產(chǎn)物分子量小，影響產(chǎn)物的黏度；引發(fā)劑用量大，過量的引發(fā)劑會(huì)分解并未發(fā)揮引發(fā)作用，造成原料浪費(fèi)。

d)中和度確定。實(shí)驗(yàn)方法：稱取淀粉4 g、丙烯酸20 mL，反應(yīng)溫度為70 ℃，分別在中和度為60%、65%、70%、75%、80%條件下進(jìn)行合成反應(yīng)，然后測(cè)定不同條件下的合成產(chǎn)物的黏度，得到中和度與產(chǎn)物黏度的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見，中和度為70%時(shí)，黏度達(dá)到最大值，故選取反應(yīng)最佳中和度為70%。

圖4 中和度對(duì)產(chǎn)物黏度的影響Fig.4 Effect of neutralization degree on product viscosity

以上討論了在單因素條件下的最佳反應(yīng)條件，而試驗(yàn)結(jié)果通常受到多因素的綜合影響，為了確定多因素的最佳反應(yīng)條件，通常采用正交試驗(yàn)來確定。

e)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案及試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)果分析。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)：首先確定試驗(yàn)因素及水平因數(shù)，本研究確定實(shí)驗(yàn)因素為反應(yīng)溫度、丙烯酸用量、引發(fā)劑用量、中和度；水平因數(shù)設(shè)置為3個(gè)，分別為單因素情況下最佳條件以及最接近的2個(gè)數(shù)值。以此原則，設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)水平因素見表1。

表1 正交試驗(yàn)水平因素表Tab.1 Table of level factors of orthogonal test

正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果：擬設(shè)計(jì)1個(gè)L9(34)的正交試驗(yàn)方案并測(cè)定黏度，結(jié)果見表2。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。其中：k1為表2中每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為1的結(jié)果相加，mPa·s；k2為表2中每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為2的結(jié)果相加，mPa·s；k3為表2中每個(gè)因素下對(duì)應(yīng)水平為3的結(jié)果相加，mPa·s；R為每個(gè)因素下最大正交試驗(yàn)值減最小正交試驗(yàn)值，舉例：k1與A對(duì)應(yīng)的k1=5 115.4+1 036.3+1 023.5=7 175.2,R=k1-k3=7 175.2-3 156.1=4 019.1。

表2 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test scheme and test results

從表3可以看出：4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素的影響力相差不遠(yuǎn)，引發(fā)劑用量>中和度>反應(yīng)溫度>單體濃度，并且4個(gè)因素的影響力最大值均為第一水平k1，所以最佳水平組合為A1B1C1D1，即反應(yīng)溫度確定為68 ℃、丙烯酸單體用量為18 mL、引發(fā)劑用量0.11 g、中和度為68%。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Analysis of orthogonal test results mPa·s

A1B1C1D1代表4個(gè)因素為第1水平，即反應(yīng)溫度取68 ℃、單體用量取18 mL、引發(fā)劑用量取0.11 g、中和度取68%，其他依次類推。

2.1.3 合成聚合物的性能及評(píng)價(jià)

a)合成聚合物物理性質(zhì)。合成的淀粉接枝丙烯酸聚合物為乳白色黏稠狀液體，可溶于水，有黏性。

b)水溶性。稱取1 g合成產(chǎn)物溶解于100 mL除鹽水，充分?jǐn)嚢瑁狗稚⒕鶆?，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液，放置24 h后聚合物完全溶解。

c)對(duì)比抑塵劑的配制。氯化鎂：用于作為凝聚性抑塵劑，在使用前在105～110 ℃下干燥3 h，放入干燥塔中冷卻，待用。聚丙烯酸鈉：將15 g的氫氧化鈉溶解于60 mL的水中，緩慢加入36 g丙烯酸，將溶液中和至pH值為6.5，移至三角錐瓶中，加水200 mL稀釋，加入引發(fā)劑過硫酸銨3 g，在70 ℃下聚合4 h合成[17]。

d)黏度。分別采用數(shù)字黏度計(jì)測(cè)定純水黏度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氯化鎂黏度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的聚丙烯酸鈉黏度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉接枝丙烯酸聚合物的黏度，結(jié)果見表4。

由表4可見：在同樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，淀粉接枝丙烯酸聚合物的黏度大于其他抑塵劑。抑塵劑的黏度越高對(duì)細(xì)小塵粒的捕捉能力越高，許多的細(xì)小塵粒捕捉在一起凝并形成大顆粒，抑制了揚(yáng)塵，故黏度越高，凝并性越好。

表4 各種抑塵劑黏度測(cè)定結(jié)果Tab.4 Viscosity test results of various dust suppressants

e)滲透性。抑塵劑的滲透性是指抑塵劑滲透到煤層一定深度的速度(或時(shí)間)。抑塵劑的滲透性越好，抑塵效果越好，其滲透性與抑塵劑的潤濕性以及煤的可潤濕性相關(guān)，抑塵劑的潤濕性以及煤的可潤濕性越好，滲透性越好。抑塵劑的滲透性試驗(yàn)方法：在10 mL試管中加入4 g粒度不小于6 mm的煤樣，分別加入水及質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%的以上3種抑塵劑各2 mL，測(cè)定溶液滲透到0.5 cm深度的時(shí)間以及其最大滲透深度，測(cè)定結(jié)果見表5。

表5 各種抑塵劑滲透性試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Permeability test results of various dust suppressants

由表5可見：水、氯化鎂、聚丙烯酸鈉、淀粉接枝丙烯酸聚合物的滲透速度逐漸減小；滲透深度方面，淀粉接枝丙烯酸聚合物的滲透深度最大。這與液體黏度相關(guān)，黏度越大，表面張力越大，受表面張力的作用，滲透速度減小?？梢?，淀粉接枝丙烯酸聚合物的凝并性強(qiáng)于對(duì)比抑塵劑，并且滲透深度大于水、氯化鎂、聚丙烯酸鈉，這些特性有利于煤流抑塵，但滲透速度小于氯化鎂、聚丙烯酸鈉，這與液體黏度相關(guān)。通過復(fù)配潤濕劑后合成YT4抑塵劑，滲透速度大幅增大(見第2.2節(jié) )，故淀粉接枝丙烯酸聚合物相對(duì)于氯化鎂、聚丙烯酸鈉更適用于合成煤流抑塵劑。

2.2 YT4型抑塵劑的合成

以上分析表明淀粉接枝丙烯酸聚合物具有良好的凝并性能，但煤流抑塵還需要抑塵劑具有良好潤濕性和滲透性，才能快速潤濕煤流表面及內(nèi)層的塵粒；因此，需要通過復(fù)配合適的表面活性劑來增強(qiáng)試劑的潤濕性和滲透性，達(dá)到最佳抑塵效果。復(fù)配的目的是增強(qiáng)淀粉接枝丙烯酸聚合物抑塵效果，同時(shí)希望降低藥劑的使用成本；因此，通過試驗(yàn)來確定復(fù)配配方中淀粉接枝丙烯酸聚合物與哪一種表面活性劑復(fù)配能夠達(dá)到增效的作用，確定成分的配比以期達(dá)到最佳的效果同時(shí)，又能夠降低和控制使用成本。

2.2.1 聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

分別測(cè)定淀粉接枝丙烯酸聚合物在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏度、表面張力和滲透時(shí)間，見表6。由表6可知：凝并性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，黏度越大，凝并性越好；凝并性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高表面張力增高，同時(shí)滲透時(shí)間延長，滲透性變差，但聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%后，對(duì)潤濕性和滲透性的影響趨緩。綜合考慮聚合物對(duì)凝并性、潤濕性和滲透性的影響規(guī)律，采用中位值的原則確定最佳的凝并劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，黏度的中位值為10.1 mPa·s，滲透時(shí)間中位值為73.7 s，與2個(gè)中位值最接近是凝并劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，因此，凝并劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇2%。

表6 凝并性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溶液黏度關(guān)系Tab.6 Relationship between concentration of coagulating substance and solution viscosity

2.2.2 復(fù)配試驗(yàn)

a)表面活性劑的確定。本文分別以X-100、SDS、SDBS等3種表面活性劑與淀粉接枝丙烯酸聚合物進(jìn)行復(fù)配，通過試驗(yàn)確定起增效作用的表面活性劑，同時(shí)確定配方成分的最佳配比。

b)復(fù)配試驗(yàn)及結(jié)果。試驗(yàn)方法：將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉接枝丙烯酸聚合物，分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.09%的X-100、SDS、SDBS進(jìn)行混合并攪拌均勻，分別測(cè)定各種溶液的黏度、表面張力、滲透時(shí)間。

聚合物分別與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的X-100、SDS、SDBS進(jìn)行復(fù)配，得到不同抑塵產(chǎn)物的黏度測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

圖5 表面活性劑對(duì)抑塵產(chǎn)物黏度影響Fig.5 Effect of surfactant on product viscosity

由圖5可見：X-100質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)抑塵劑黏度基本沒有影響；SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大對(duì)產(chǎn)物黏度影響較小；SDBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大對(duì)抑塵劑黏度的影響最大，明顯降低產(chǎn)物的凝并性能。

聚合物分別與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的X-100、SDS、SDBS進(jìn)行復(fù)配，得到不同抑塵產(chǎn)物表面張力測(cè)定結(jié)果如圖6所示。

圖6 表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)產(chǎn)物表面張力影響Fig.6 Effect of surfactant on surface tension of product

由圖6可見：X-100與SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大顯著地降低抑塵產(chǎn)物的表面張力，而SDBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大對(duì)抑塵產(chǎn)物的表面張力影響較小，不利于改善產(chǎn)物潤濕性能。綜合以上2個(gè)因素，在潤濕劑選擇上淘汰SDBS。

聚合物分別與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的X-100、SDS、SDBS進(jìn)行復(fù)配得到不同抑塵產(chǎn)物的滲透性能測(cè)定結(jié)果如圖7所示。

圖7 表面活性劑對(duì)抑塵產(chǎn)物滲透時(shí)間的影響Fig.7 Effect of surfactant on product penetration time

由圖7可見：3種表面活性劑對(duì)復(fù)配產(chǎn)物滲透時(shí)間影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)镾DBS、SDS、X-100。由于SDBS已被淘汰，而SDS滲透性能強(qiáng)于X-100，故潤濕劑最佳選擇為SDS。此外，3種表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，滲透時(shí)間縮短，但是質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.03%后，滲透時(shí)間基本不再變化，再增加表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)滲透性無影響，卻增加成本，從降低成本角度出發(fā)，SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇為0.03%。

由此可見，最佳的YT4型抑塵劑配方方案：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的聚合物與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的SDS復(fù)配，在常溫下通過攪拌勻合成。

3 YT4型抑塵劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 YT4型抑塵劑應(yīng)用

本文研制的YT4型抑塵劑具有良好的凝并性、滲透性、潤濕性，適用于火電廠輸、卸煤系統(tǒng)的抑塵。圖8為YT4型抑塵劑在輸煤系統(tǒng)工程化應(yīng)用的流程示意圖。整個(gè)系統(tǒng)包括溶藥箱、攪拌器、噴灑頭、藥泵、進(jìn)水泵、流量計(jì)、閥門、控制箱等，聚合物和SDS分別用不同的2個(gè)小藥箱溶解，經(jīng)過進(jìn)藥泵按比例輸入到混合箱中合成YT4型抑塵劑，再通過藥泵輸送到皮帶棧橋，利用噴頭對(duì)輸送煤流進(jìn)行噴灑，噴灑頭安裝在皮帶的上方。

1—輸煤皮帶 ;2—聚合物加藥攪拌箱 ;3—混合攪拌箱;4—SDS加藥攪拌箱; 5—裝置控制箱;6—加水管道;7—藥品噴頭; 8—進(jìn)藥截止閥 ;9—進(jìn)藥泵; 10—加藥口; 11—進(jìn)水口 ;12—進(jìn)水泵;13—進(jìn)水截止閥 ;14—出藥截止閥 ;15—出藥泵 ;16—電動(dòng)攪拌機(jī)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

抑塵劑的噴灑地點(diǎn)為某電廠輸煤TT6轉(zhuǎn)運(yùn)站皮帶上，煤流量為1 700 t/h。平流抑塵效果試驗(yàn)時(shí)，噴灑頭離煤流表面約30 cm；落流抑塵效果試驗(yàn)時(shí)，噴灑頭位于落流口之前2 m的位置進(jìn)行噴灑。粉塵濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在噴灑點(diǎn)之后，距噴灑點(diǎn)2 m，在運(yùn)行皮帶上方約30 cm處；落流情況下，粉塵濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在落流起點(diǎn)下方1 m，距煤流30 cm處。粉塵測(cè)定采用馬磊等開發(fā)的TD-1的粉塵測(cè)定儀[18]。

圖9、10分別為平流狀態(tài)下自然狀態(tài)(未噴灑)、噴灑水及噴灑YT4型抑塵劑等3種情況下的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度分布比較圖。由圖9、10可見：噴灑水后PM2.5質(zhì)量濃度平均下降15.4%，PM10質(zhì)量濃度平均下降14.2%；而噴灑YT4型抑塵劑后，PM2.5質(zhì)量濃度平均下降31.3%，PM10質(zhì)量濃度平均下降39.2%。由此可見，噴灑水和噴灑YT4型抑塵劑均能降低粉塵排放，而YT4型抑塵劑的抑塵效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水。

圖9 噴灑水和抑塵劑對(duì)PM10質(zhì)量濃度影響比較(平流狀態(tài))Fig.9 Effect comparisons of spray water and dust suppressant on PM10 mass concentration (advection state)

圖10 噴灑水和抑塵劑對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響比較(平流狀態(tài))Fig.10 Effect comparisons of spray water and dust suppressant on PM2.5 mass concentration(advection state)

圖11、12為落流狀態(tài)下自然狀態(tài)、噴灑水及噴灑YT4型抑塵劑等3種情況下的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度比較圖。由圖11、12可見：噴灑水PM2.5質(zhì)量濃度平均降低了10.9%，PM10質(zhì)量濃度平均降低了10.6%；而噴灑YT4型抑塵劑PM2.5質(zhì)量濃度平均降低了21.1%，PM10質(zhì)量濃度平均降低了45.9%。由此可見，噴灑水和噴灑YT4型抑塵劑均能降低粉塵排放，而YT4型抑塵劑的抑塵效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水。

圖11 噴灑水和抑塵劑對(duì)PM2.5質(zhì)量濃度影響比較(落流狀態(tài))Fig.11 Effect comparisons of spray water and dust suppressant on PM2.5 mass concentration (falling flow state)

圖12 噴灑水和抑塵劑對(duì)PM10質(zhì)量濃度影響比較(落流狀態(tài))Fig.12 Effect comparisons of spray water and dust suppressant on PM10 mass concentration (falling flow state)

4 YT4型抑塵劑無害性檢測(cè)及成本分析

抑塵劑在噴灑過程中產(chǎn)生的水霧會(huì)影響到操作人員的口鼻和眼睛，抑塵劑無經(jīng)口毒性和對(duì)眼睛無刺激性是新型環(huán)境友好型抑塵劑應(yīng)具有的重要性能，為此委托了廣東省職業(yè)衛(wèi)生檢測(cè)中心對(duì)YT4型抑塵劑進(jìn)行經(jīng)口毒性和對(duì)眼睛刺激性檢測(cè)。降解性是評(píng)價(jià)抑塵劑對(duì)環(huán)境影響的重要指標(biāo)，故委托了中國日用化學(xué)工業(yè)研究院對(duì)YT4型抑塵劑進(jìn)行生物降解性檢測(cè)。

4.1 經(jīng)口毒性檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)口毒性試驗(yàn)方法：按5 000 mg/(kg·bw)給1只質(zhì)量約210～221 g的雌性大鼠進(jìn)行染毒，觀察48 h,根據(jù)大鼠的中毒反應(yīng)確定下一步的染毒時(shí)間。如大鼠死亡，則主試LD50；如果大鼠存活，則繼續(xù)增加對(duì)2只大鼠進(jìn)行染毒；如果2只大鼠均存活，LD50高于限度劑量且試驗(yàn)終止(觀察期為14 d不再進(jìn)一步染毒)。表7為通過對(duì)3只雌性大鼠進(jìn)行灌胃染毒試驗(yàn)結(jié)果。

表7 抑塵劑對(duì)雌性大鼠經(jīng)口毒性檢測(cè)結(jié)果Tab.7 Oral toxicity detection results of dust suppressant for female rats

由表7可見:在0～ 14 d的觀察期未發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)大鼠出現(xiàn)異常，死亡0只，參照國家環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 154—2004《新化學(xué)物質(zhì)危害評(píng)估原則》[19]中“經(jīng)口、吸入、經(jīng)皮急性毒性分級(jí)”，YT4型抑塵劑屬“實(shí)際無毒”級(jí)。

4.2 眼睛刺激性檢測(cè)

兔眼刺激試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)受試物對(duì)眼睛的刺激作用與程度。試驗(yàn)動(dòng)物為白兔4只，雌雄各半，體重為2.10～2.44 kg。試驗(yàn)方法：以兔子一側(cè)的眼睛為試驗(yàn)眼，另一側(cè)為對(duì)比眼，取0.1 mL受試物滴入白兔的眼睛的結(jié)膜囊中，白兔的眼睛閉合1 s。在用藥1 h、24 h、48 h、72 h后觀察眼刺激反應(yīng)，第4 d和7 d觀察白兔的眼睛恢復(fù)情況；若未恢復(fù)，觀察至21 d，用熒光素鈉檢查結(jié)膜損傷情況。試驗(yàn)結(jié)果：加受試物1 h、24 h、48 h、72 h后，全部白兔的試驗(yàn)眼未見明顯異常，對(duì)比眼未見刺激反應(yīng)，積分為0(抑塵劑的急性刺激積分指數(shù)最高數(shù)為0)；眼刺激的平均指數(shù)48 h后為0，72 h后為0。根據(jù)衛(wèi)生部2005年《化學(xué)毒品鑒定技術(shù)規(guī)范》[20]中“眼刺激分級(jí)”， YT4型抑塵劑對(duì)眼屬于“無刺激性”。

4.3 生物降解性

生物降解性是指在適當(dāng)或可表明期限的自然條件下，微生物完全分解成低分子化合物的材料，以免殘留對(duì)自然界造成污染[21]。根據(jù)GB/T 15818—2006《表面活性劑生物降解試驗(yàn)方法》[22]，YT4型抑塵劑降解性分析結(jié)果是降解度為100%。

4.4 檢測(cè)結(jié)論

經(jīng)過廣東省職業(yè)衛(wèi)生檢測(cè)中心的檢測(cè)，YT4型抑塵劑經(jīng)口無毒性、對(duì)眼睛無刺激性；同時(shí)通過中國日用化學(xué)工業(yè)研究院分析測(cè)試中心檢測(cè)證實(shí)，YT4型抑塵劑能完全降解，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生二次污染[23-24]。

4.5 YT4型抑塵劑成本分析

目前，針對(duì)煤流抑塵的抑塵劑鮮見報(bào)道，而常見的黏結(jié)型、凝聚型抑塵劑不適用于輸卸煤系統(tǒng)的抑塵，并且價(jià)格較高。YT4型抑塵劑的價(jià)格為0.19元/L,而黏結(jié)型的抑塵劑價(jià)格高達(dá)32元/L，YT4型抑塵劑具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)。作為本文參比的氯化鎂、聚丙烯酸鈉，兩者價(jià)格與YT4型抑塵劑的價(jià)格相差不遠(yuǎn)，但其凝并性、滲透性等綜合性能低于YT4型抑塵劑，氯化鎂中氯元素對(duì)不銹鋼有腐蝕性。

5 結(jié)論

a)本文研究一種以淀粉接枝丙烯酸聚合物和十二烷基硫酸鈉復(fù)配的YT4型抑塵劑，通過2種試劑協(xié)同作用，使抑塵劑具備良好的凝并性、潤濕性、滲透性，達(dá)到快速抑塵效果。

b)在實(shí)際應(yīng)用中，YT4型抑塵劑抑塵效果明顯優(yōu)于噴灑水，填補(bǔ)了化學(xué)方法煤流抑塵空白。

c)YT4型抑塵劑采用淀粉等天然可再生原料合成，具有無毒無害、能完全降解的優(yōu)點(diǎn)，不對(duì)環(huán)境造成二次污染。