王東印，劉瓊，汪小琴，來水利，陳功，李玉珍

（1.西安石川生態(tài)工程規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

煤炭在鐵路運輸過程中，顛簸、風(fēng)力等都會造成嚴(yán)重的揚塵污染及資源浪費。化學(xué)抑塵法因其成本低、抑塵性能優(yōu)良受到了廣泛關(guān)注，但目前常用的抑塵劑噴灑后固結(jié)層較硬較脆，受到震蕩和風(fēng)力作用后易碎裂，從而降低了抑塵效率［1］。為提高抑塵劑的抑塵效率，本文采用響應(yīng)面法優(yōu)化抑塵劑的制備工藝［2］，制備出了一種成膜柔韌的軟膜型抑塵劑，其可以有效避免煤炭在運輸過程中的揚塵污染和煤粉損失，具有較好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

羥丙基甲基纖維素 （HPMC），工業(yè)級，西安富士得化工有限公司；丙烯酸 （AA）、丙烯酰胺（AM）、過硫酸銨 （APS）、碳酸氫鈉，AR，天津大茂化學(xué)試劑廠；二甲基二烯丙基氯化銨 （DMDAAC）、十二烷基苯磺酸鈉 （SDBS），AR，天津天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 抑塵劑的制備

稱取2.5 g HPMC加入到燒杯中，加入60 mL去離子水，超聲溶解5 min使其完全溶解。再稱取6 g AA，用30%的碳酸氫鈉溶液中和至中和度為80%，再將1.5 g AM加入已中和的AA溶液內(nèi)，快速攪拌至其完全溶解。將配好的單體溶液、0.1 g APS和0.05 g DMDAAC加入盛有HPMC溶液的燒杯中，再加入0.1 g十二烷基苯磺酸鈉，在200 W超聲下反應(yīng)70 min后，冷卻至室溫，得到淡黃色透明黏稠抑塵劑溶液。

1.3 抑塵性能測試

按照中華人民共和國鐵道部發(fā)布的鐵路煤炭運輸抑塵技術(shù)條件-第1部分：抑塵劑 （TB／T3210.1-2009）中的測定方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳影響因素的確定

2.1.1 引發(fā)劑用量對產(chǎn)品抑塵率的影響

根據(jù)前期的實驗結(jié)果分析，影響抑塵效率的主要因素為引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量、HPMC用量等。圖1、圖2、圖3分別為引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量和HPMC用量對產(chǎn)品抑塵率的影響曲線。

圖1 引發(fā)劑用量對抑塵率的影響

圖2 交聯(lián)劑用量對抑塵率的影響

圖3 HPMC用量對抑塵率的影響

由圖1～圖3中可知，當(dāng)引發(fā)劑用量為1.0%、交聯(lián)劑用量為0.5%、HPMC用量為25%時，產(chǎn)品的抑塵率達(dá)到最大值。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

通過統(tǒng)計軟件Design-Expert中的 Box-Behnken模式［3］進(jìn)行實驗并分析數(shù)據(jù)，以引發(fā)劑用量、交聯(lián)劑用量、HPMC用量為自變量，分別以A、B、C表示。在前期各因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定各因素的取值范圍分別為A：0.8%、1%、1.2%，B：0.4%、0.5%、0.6%，C：20%、25%、30%，以抑塵率為響應(yīng)值，用Box-Behnken模式設(shè)計實驗，3因素3水平，共17個試驗點，其中5個為中心試驗點，實驗設(shè)計及結(jié)果見表1。

表1 實驗設(shè)計與結(jié)果

對表1中結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，得抑塵率與各因素之間的二次回歸方程為：Y＝-241.60+219.72A+894.12B+1.01C+56.00AB+15.55AC-28.36BC-119.05A2-953.79B2-13.40C2。

對實驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，其結(jié)果見表2。從表中可知，A和B對抑塵率影響極顯著，C對抑塵率影響不顯著，AB、AC、BC之間的交互作用影響都顯著。說明該模型擬合效果

較好，因此該模型可以較好的反映抑塵率與各因素間的關(guān)系，可用于預(yù)測抑塵率。

表2 方差分析結(jié)果

應(yīng)用Design-Expert軟件對上述實驗結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，可以得到各因素對抑塵率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖，結(jié)果見圖3、圖4、圖5。

由回歸模型預(yù)測最佳實驗條件為：引發(fā)劑用量1.00%，交聯(lián)劑用量0.50%，HPMC用量25.36%，此時預(yù)測最大抑塵率為95.75%。為方便操作，按實際情況將HPMC用量修正為25.00%，其余不變，在此條件下進(jìn)行三次平行驗證試驗，得平均抑塵率為95.79%，實際結(jié)果與預(yù)測值的一致性高。根據(jù)此結(jié)果也可反映出響應(yīng)面確定出的參數(shù)較準(zhǔn)確，此模型可靠性較高，具有很好的應(yīng)用價值。

圖3 引發(fā)劑和交聯(lián)劑用量對抑塵率影響響應(yīng)面圖及等高線圖

圖4 引發(fā)劑和HPMC用量對抑塵率影響響應(yīng)面圖及等高線圖

圖5 交聯(lián)劑和HPMC用量對抑塵率影響響應(yīng)面圖及等高線圖

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面法優(yōu)化出軟膜型煤炭抑塵劑的最佳合成條件為：引發(fā)劑用量1.00%，交聯(lián)劑用量0.50%，HPMC用量25.00%，所制得的煤炭抑塵劑的抑塵率達(dá)到95.79%。制得的煤炭抑塵劑具有成膜柔軟、抑塵率高等優(yōu)點，能更好的滿足煤炭抑塵劑的市場發(fā)展需求。