戴雯婧，甘延玲，葉綠萌，謝宗委，劉壯壯，賀烈華，黃海保，肖家勇

(1.中山大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；2.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.珠海市金灣區(qū)聯(lián)港基礎(chǔ)投資有限公司，廣東 珠海 519090)

0 引言

大氣漂浮的顆粒物會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，道路施工揚(yáng)塵對(duì)城市大氣顆粒污染物貢獻(xiàn)率愈加突出[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)道路現(xiàn)場(chǎng)施工路面一般采用泥土、碎石、泥結(jié)石或混凝土等形式，道路施工從土方的開挖到后期的填筑、整平，揚(yáng)塵的產(chǎn)生幾乎伴隨整個(gè)施工過(guò)程[3-4]。揚(yáng)塵中粒徑較小的粉塵，易形成氣溶膠，長(zhǎng)時(shí)間漂浮在空氣中，不易沉降，也不易于捕捉。這些粉塵不僅會(huì)降低能見(jiàn)度，增加相關(guān)工作人員傷亡事故的風(fēng)險(xiǎn)[5]，還會(huì)通過(guò)呼吸道進(jìn)入體內(nèi)，引發(fā)哮喘、慢性阻塞性肺疾病和肺氣腫等疾病，嚴(yán)重情況下還會(huì)引起心血管疾病并導(dǎo)致過(guò)早死亡[6-8]，成為民眾極為關(guān)心的環(huán)境問(wèn)題和投訴熱點(diǎn)。林方醒等[9]通過(guò)監(jiān)測(cè)珠三角區(qū)域城市房建工程的揚(yáng)塵排放，發(fā)現(xiàn)施工道路為主要揚(yáng)塵超標(biāo)部位。抑制揚(yáng)塵已成為城市大氣顆粒物控制的重要手段[10-13]。

噴灑水是抑制揚(yáng)塵的一種常用方法，但水的粘度，耐久性和固結(jié)效果不佳，因此未得到廣泛應(yīng)用[14]。噴灑抑塵劑被認(rèn)為是一種有效控制揚(yáng)塵的措施。根據(jù)抑塵的機(jī)理差異，抑塵劑可以劃分為四種類型：凝聚型、潤(rùn)濕型、粘結(jié)型和復(fù)合型，其中復(fù)合型抑塵劑可將潤(rùn)濕、粘結(jié)、凝并、吸濕、保水等功能結(jié)合為一體，抑塵效果顯著，適用范圍廣泛，因此成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[15-17]。梁文俊等[18]利用玉米秸稈、羧甲基纖維素鈉和工業(yè)堿 NaOH為原料，在常溫下制備出粘度320 mPa·s，抗壓強(qiáng)度220 kPa，能夠有效抵御外界破壞和優(yōu)異粘附性能的抑塵劑。來(lái)水利等[19]以羧甲基淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺為原料，在65 ℃微波輻射下以水溶液接枝共聚法制備了一種軟膜抑塵劑，其保水性、抗震蕩性及其抗風(fēng)蝕性能均優(yōu)于市售抑塵劑。SUN等[20]用淀粉作為原料，以甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰胺為單體，制備出最大可承受56.35 N的軸承壓力，且在12 m/s風(fēng)吹下，固塵率維持在80%以上的抑塵劑。李潁泉等[21]以丙烯酸為功能單體、甲基丙烯酸甲酯為硬單體、丙烯酸丁酯為軟單體、過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，用乳液聚合法合成固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 51.0%，黏度為9.6 mPa·s，可穩(wěn)定保存6個(gè)月的速溶型液體抑塵劑。目前，很多市售抑塵劑雖抑塵效果顯著，但制備過(guò)程復(fù)雜、成本高、多半含有難降解單體，易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。此外，研究者在探究抑塵劑相關(guān)性能時(shí)，大多使用濃度較高的抑塵劑原液，而忽略了在實(shí)際噴灑應(yīng)用中會(huì)將抑塵劑原液稀釋相應(yīng)比例，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果存在較大差異。因此，在研發(fā)抑塵性能優(yōu)異、環(huán)保經(jīng)濟(jì)的環(huán)境友好型抑塵劑的同時(shí)，非常有必要探究抑塵劑實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的噴灑效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

水溶性淀粉，食品級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；海藻提取液，食品級(jí)，新未來(lái)生物制品成都有限公司；羥丙基甲基纖維素，食品級(jí)，河北鵬宇生物科技有限公司；氯化鎂，食品級(jí)，上海啟仁化工有限公司；尼伯金復(fù)合酯，食品級(jí)，山東魯森生物科技有限公司；市售抑塵劑1，濃縮液，河南君平新材料科技有限公司；市售抑塵劑2，濃縮液，大城縣亦博化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)Thermo Fisher公司；Sigma 500型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，德國(guó)Carl Zeiss股份公司；德國(guó)克呂士K100型表面張力儀，克呂士科學(xué)儀器(上海)有限公司；T09-1S型恒溫磁力攪拌器，上海司樂(lè)儀器有限公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式指針黏度計(jì)，上海績(jī)泰電子科技有限公司；9076A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.3 抑塵劑原液制備

本研究采用原材料易得、安全環(huán)保、價(jià)格經(jīng)濟(jì)，制備過(guò)程簡(jiǎn)單的工藝來(lái)合成抑塵劑原液，在常溫下將水溶性淀粉和羥丙基甲基纖維素按照質(zhì)量比7∶0.5混合，并加入適量去離子水，用磁力攪拌器攪拌一定時(shí)間，使其充分混合溶解。然后加入0.1%～0.2%的氯化鎂，攪拌使其充分混合反應(yīng)，最后加入2.1%～2.5%的海藻提取液和0.1%的尼伯金復(fù)合酯攪拌混合均勻后封裝保存。

1.4 塵樣采集

由于道路施工揚(yáng)塵一般具有較多的塵土和沙石粉末，為模擬試劑應(yīng)用工況，本文選用沙土為原料。在裸露沙土地表面挖取適量沙土，除去其中較大的砂礫、枯枝、雜草和塑料垃圾等，置于太陽(yáng)光下暴曬烘干，然后將沙土研磨過(guò)80目的篩子篩分，所得的樣品為實(shí)驗(yàn)揚(yáng)塵樣品。

1.5 抑塵劑性能測(cè)試

通過(guò)前期初步預(yù)實(shí)驗(yàn)，選擇將抑塵劑原液分別稀釋2、4、6、8、10倍來(lái)測(cè)試其各項(xiàng)性能，包括保濕性、吸濕性、抗風(fēng)蝕性、粘度和表面張力等，在保證抑塵效果的前提下，選擇最經(jīng)濟(jì)的方法，達(dá)到最佳抑塵效果。

1.5.1 保濕性

準(zhǔn)備6個(gè)規(guī)格為90 mm的培養(yǎng)皿，每個(gè)培養(yǎng)皿稱取10 g塵樣鋪平，分別編號(hào)1～6，1號(hào)按照2 L/m2均勻噴灑水，作為對(duì)照組。2～6號(hào)分別均勻噴灑抑塵劑原液稀釋2、4、6、8、10倍的溶液，噴灑量為2 L/m2。然后將培養(yǎng)皿放置在溫度為35 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中，每隔1 h取出培養(yǎng)皿稱重，并記錄數(shù)據(jù)。保濕性根據(jù)保水率的大小來(lái)表征，其計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中：θ1為保水率，%；W2為每隔1 h測(cè)得培養(yǎng)皿的重量，g；W1為噴灑溶液后培養(yǎng)皿的重量，g；W0為培養(yǎng)皿初始的重量，g。

1.5.2 吸濕性

準(zhǔn)備6個(gè)規(guī)格為90 mm的培養(yǎng)皿，每個(gè)培養(yǎng)皿稱取10 g塵樣鋪平，分別編號(hào)1～6，1號(hào)按照2 L/m2均勻噴灑水，作為對(duì)比試樣。2～6號(hào)分別均勻噴灑抑塵劑原液稀釋2、4、6、8、10倍的溶液，噴灑量為2 L/m2。噴灑溶液后將培養(yǎng)皿放入干燥箱中60 ℃恒溫烘干2 h，取出稱重后，置于室溫環(huán)境中，每隔1 h稱重并記錄。吸濕性根據(jù)烘干后測(cè)得含水率的大小來(lái)表征，其計(jì)算公式如式(2)：

(2)

式中：θ2為含水率，%；W2為每隔1 h測(cè)得培養(yǎng)皿的重量，g；W1為噴灑溶液且干燥2 h后培養(yǎng)皿的重量，g；W0為塵樣的質(zhì)量，g。

1.5.3 抗風(fēng)蝕性

準(zhǔn)備7塊一面光滑一面粗糙的玻璃片(10 cm×10 cm)，稱取10 g塵樣置于每塊玻璃的粗糙面并鋪平，分別編號(hào)1～7，1號(hào)不做任何處理，2號(hào)均勻噴灑5 mL(約為1 L/m2)水，3～7號(hào)分別均勻噴灑原液稀釋2、4、6、8、10倍的抑塵劑，噴灑量為5 mL(約為1 L/m2)。噴灑完后置于鼓風(fēng)干燥箱中50 ℃溫度下烘1 h，烘完取出稱重記錄。前期預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在10 m/s的風(fēng)速內(nèi)，噴灑水和抑塵劑的塵樣，在不經(jīng)過(guò)碾壓的情況下，抗風(fēng)蝕性都很強(qiáng)，基本無(wú)差異，但在道路施工過(guò)程中，作業(yè)車輛、施工人員往來(lái)會(huì)對(duì)地面塵土造成一定的碾壓，可能會(huì)使已經(jīng)結(jié)殼的塵土破碎，從而產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，為針對(duì)道路施工實(shí)際情況測(cè)試，模擬車輪、重物和人行等會(huì)產(chǎn)生碾壓情況，分別用裝有500 mL水的玻璃瓶碾壓塵樣5次。先分別將1～7號(hào)玻璃片在5 m/s的風(fēng)速下吹蝕 3 min后，稱重記錄；然后在10 m/s 的風(fēng)速下吹蝕 3 min 并稱重記錄。最后通過(guò)計(jì)算其風(fēng)蝕率，來(lái)進(jìn)一步評(píng)價(jià)抑塵劑性能。風(fēng)蝕率E計(jì)算公式如式(3)：

(3)

式中：E為風(fēng)蝕率，%；W1為風(fēng)蝕前玻璃片的質(zhì)量，g；W2為風(fēng)蝕后玻璃片的質(zhì)量，g。

1.5.4 粘度

在25 ℃室溫環(huán)境下，利用 DNJ-1 型粘度計(jì)測(cè)量不同稀釋倍數(shù)抑塵劑溶液的粘度，分別將原液稀釋2、4、6、8、10倍的抑塵劑溶液放置在500 mL的燒杯中，溶液上表面沒(méi)過(guò)轉(zhuǎn)子刻度線，選擇合適的轉(zhuǎn)數(shù)，測(cè)量3次取平均值。

1.5.5 紅外光譜

采用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10型)進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，將不做處理、噴水和噴灑抑塵劑原液的塵樣在鼓風(fēng)干燥箱中于60 ℃條件下干燥6 h后，用KBr作為載體，取適量塵樣覆蓋其表面壓平，用紅外光譜儀掃描分析抑塵劑的分子基團(tuán)、化學(xué)鍵和官能團(tuán)等變化。

1.5.6 掃描電鏡

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Sigma 500型)進(jìn)行測(cè)試，將不做任何處理、噴灑水和噴灑原液稀釋2、4、6、8、10倍抑塵劑的塵樣在鼓風(fēng)干燥箱中60 ℃下干燥2 h，再用導(dǎo)電膠分別將適量塵樣粘在樣品臺(tái)上，測(cè)試分析不同處理后塵樣的表面形態(tài)。

1.5.7 表面張力

采用德國(guó)克呂士K100型表面張力儀對(duì)抑塵劑溶液的表面張力進(jìn)行測(cè)定，選擇Du Nouy環(huán)法測(cè)量原液稀釋2、4、6、8、10倍抑塵劑的表面張力，測(cè)量5次，取平均值。

1.6 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

為探究自制抑塵劑與市售抑塵劑的抑塵效果，分別從河南君平新材料科技有限公司和大城縣亦博化工有限公司購(gòu)買市售抑塵劑1、2，選取抑塵性能測(cè)試中最具代表性的保濕性，將自制抑塵劑與所購(gòu)抑塵劑進(jìn)行對(duì)比，保濕性的測(cè)試方法同前一節(jié)所述，比較三款抑塵劑的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性能。

2 結(jié)果和討論

2.1 保濕性

圖1為不同溶液噴灑塵樣的保濕性能對(duì)比，由圖可知，噴灑抑塵劑的總體保濕性明顯優(yōu)于噴灑水的，噴灑抑塵劑的保水率隨稀釋倍數(shù)的增大逐漸減小，噴灑抑塵劑原液稀釋4、6、8、10倍的保水率差異不明顯，總體不超過(guò)2%。其中噴灑原液稀釋2倍抑塵劑保水率是其他稀釋倍數(shù)的2倍以上，在經(jīng)過(guò)30 h后，保水率仍能維持在4.5%以上，說(shuō)明可以長(zhǎng)期鎖住塵樣中的水分，防止水分蒸發(fā)和二次揚(yáng)塵產(chǎn)生，具有良好的抑塵效果。

圖1 不同溶液噴灑塵樣的保濕性能對(duì)比

2.2 吸濕性

圖2描繪了不同溶液噴灑塵樣后的吸濕性能對(duì)比，從圖中可以看出，噴灑水的塵樣吸濕性較差，干燥處理后的塵樣含水率幾乎為0。噴灑抑塵劑的含水率均高于噴灑水的，含水率隨稀釋倍數(shù)的增大逐漸減小，噴灑抑塵劑原液稀釋4、6、8、10倍的塵樣經(jīng)烘干置于室溫下，含水率保持在0.4%～1.3%之間，而噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣吸濕性明顯優(yōu)于其他稀釋倍數(shù)的抑塵劑，在經(jīng)過(guò)20 h后，含水率仍然保持在2.2%左右，對(duì)空氣中的水分展現(xiàn)了良好吸濕效果，能有效捕捉空氣中的水分，增加塵樣濕度和重量，能防止塵土飛揚(yáng)，抑塵性能優(yōu)越。

圖2 不同溶液噴灑塵樣的吸濕性能對(duì)比

2.3 抗風(fēng)蝕性

未做處理塵樣、噴灑水塵樣及噴灑不同稀釋倍數(shù)抑塵劑的塵樣的抗風(fēng)蝕性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，從表1可以看出，經(jīng)過(guò)碾壓后，不做處理和噴灑水的塵樣，分別在5 m/s和10 m/s風(fēng)速吹3 min后，風(fēng)蝕率都高達(dá)97%以上，說(shuō)明其抗風(fēng)蝕性極弱。而噴灑原液稀釋不同倍數(shù)抑塵劑的塵樣均具有一定的抗風(fēng)蝕性，且隨抑塵劑原液稀釋倍數(shù)增大，抗風(fēng)蝕性逐漸減弱。其中噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣，經(jīng)過(guò)碾壓后，在5 m/s風(fēng)蝕下，風(fēng)蝕率僅有0.838%，在10 m/s風(fēng)蝕下，風(fēng)蝕率為2.742%，說(shuō)明噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣表面固化層的強(qiáng)度較高，不易松散，不易再次漂浮到空氣中，具有遠(yuǎn)超其它稀釋倍數(shù)抑塵劑的優(yōu)異抗風(fēng)蝕性能。

表1 抗風(fēng)蝕性測(cè)量結(jié)果

2.4 粘度測(cè)試

水以及不同稀釋倍數(shù)抑塵劑的粘度測(cè)試結(jié)果如圖3所示，從圖中可明顯看出，從圖中可以看出，稀釋不同倍數(shù)的抑塵劑粘度均比水(1 mPa·s)的粘度高，原液稀釋2倍的抑塵劑是稀釋其他倍數(shù)的抑塵劑及水的粘度值的2倍以上，其余稀釋倍數(shù)的抑塵劑粘度值差異不明顯。一般在組分相同情況下，粘度值越高，粘結(jié)性能越大，抑塵效果越好，說(shuō)明原液稀釋2倍的抑塵劑粘結(jié)性能最佳，對(duì)塵樣能夠有效的起到粘結(jié)作用，使粉塵顆粒發(fā)生聚集，增大顆粒物的粒徑，從而達(dá)到高效抑塵效果。

圖3 不同溶液的粘度值變化

2.5 紅外光譜

圖4為不做處理、噴灑水和噴灑抑塵劑原液三種不同方式處理塵樣的紅外光譜圖，由圖對(duì)比分析可得出，在噴灑抑塵劑原液塵樣的紅外光譜圖中，2 935 cm-1為水溶性淀粉甲基上-CH2-上的C-H不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。在1 420 cm-1處的峰為纖維素上的N-H的伸縮振動(dòng)峰。在1 159 cm-1處出現(xiàn)的C-O-C的伸縮振動(dòng)峰明顯強(qiáng)于不做任何處理和噴灑水的塵樣，可以說(shuō)明塵樣中的含氧官能團(tuán)增多，增大了塵樣親水性，提高抑塵性能。同時(shí)抑塵劑均為食品級(jí)原料，在塵樣上的吸附主要為物理吸附，不會(huì)影響塵樣結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，是一種環(huán)保型的抑塵劑。

圖4 不同處理塵樣的紅外光譜圖

2.6 掃描電鏡

通過(guò)掃描電鏡對(duì)不同條件處理的塵樣進(jìn)行了表面形貌的觀察。掃描電鏡圖如圖5所示，圖a、b、c、d、e、f、g分別為不做處理、噴灑水、噴灑原液稀釋2、4、6、8、10倍的塵樣掃描電鏡圖，通過(guò)對(duì)比不同處理塵樣的掃描電鏡圖觀察發(fā)現(xiàn)，不做處理，噴灑水和噴灑原液稀釋4、6、8、10倍的塵樣相互之間黏連性較小，塵樣顆粒較為獨(dú)立、松散，塵粒間有較多的空隙。但是噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣表現(xiàn)出良好的黏連性，塵樣相互之間呈現(xiàn)絲狀黏連，空隙減少，提高其緊密結(jié)合性能，起到了良好的抑塵效果。

圖5 不同處理的塵樣表面掃描電鏡

2.7 表面張力

圖6為不同溶液的表面張力值，從圖中可以看出，不同稀釋倍數(shù)抑塵劑的表面張力值均小于水(72.28 mN/m)的表面張力值，其中稀釋2倍的抑塵劑與抑塵劑原液表面張力值相差不大，均小于48 mN/m，相較于水來(lái)說(shuō)，表面張力值減小了將近一半，但是從稀釋4倍抑塵劑開始表面張力值開始明顯增大。表面張力值小能夠加速粉塵濕潤(rùn)，使其更容易被捕捉，從而提高抑塵效果。因此稀釋2倍的抑塵劑具有最佳的實(shí)用性能。

圖6 抑塵劑原液稀釋不同倍數(shù)的表面張力

2.8 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性分析

自制抑塵劑與市售抑塵劑的保濕性能對(duì)比見(jiàn)圖7，從圖中可以看出，在經(jīng)過(guò)5 h后，抑塵劑的保水率都迅速下降至10%以下，購(gòu)買的兩款市售抑塵劑更是降到1%以下，而自制稀釋2倍的抑塵劑在經(jīng)過(guò)30 h后，仍然保持在4.5%～5% 的保水率，由此可見(jiàn)，自制抑塵劑的抑塵性能要好于這兩款在售抑塵劑。此外，自制抑塵劑實(shí)際使用中的噴灑量約為1 L/m2，通過(guò)成本核算，包括交通運(yùn)輸費(fèi)在內(nèi)，該抑塵劑的使用成本約為1.25元/m2，市售抑塵劑1、2的使用成本分別約為0.84元/m2和0.92 元/m2，和市售抑塵劑相比，雖然自制抑塵劑價(jià)格更高，但是其抑塵性能卻是市售的約5倍，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，自制抑塵劑抑塵性能好，原材料綠色，易降解，沒(méi)有二次污染，具有更好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性能。

圖7 自制抑塵劑與市售抑塵劑保濕性對(duì)比

圖8 圖7中A的放大圖

3 結(jié)論

本研究在充分考慮制備工藝、經(jīng)濟(jì)環(huán)保和實(shí)際應(yīng)用等因素基礎(chǔ)上，利用水溶性淀粉、羥丙基甲基纖維素、海藻提取液和尼伯金復(fù)合酯等食品級(jí)原料，在常溫下以低成本簡(jiǎn)單工藝制備了一種環(huán)保型道路施工抑塵劑。

通過(guò)測(cè)試，噴灑原液稀釋2倍的抑塵劑的塵樣，保濕性和吸濕性在經(jīng)過(guò)20 h后，能穩(wěn)定維持4.5%和2.2%左右，在10 m/s的風(fēng)蝕下，經(jīng)過(guò)碾壓，風(fēng)蝕率僅為2.742%，粘度和表面張力分別為12 mPa·s 和46.90 mN/m，和原液相比差異小。表面張力小，濕潤(rùn)性好，增加了塵樣間的粘結(jié)性，吸附性和保濕性，表現(xiàn)出良好的抑塵性能。

通過(guò)紅外光譜測(cè)試，得出制備的抑塵劑的含氧官能團(tuán)增多，增大了塵樣親水性，提高抑塵性能。通過(guò)掃描電鏡顯示，噴灑原液稀釋2倍抑塵劑的塵樣，表現(xiàn)出良好的黏連性，塵樣間呈絲狀緊密相連，有效抑制揚(yáng)塵。

在保證抑塵效果的前提下，和市售的抑塵劑對(duì)比，原液稀釋2倍的抑塵劑使用成本約1.25元/m2，價(jià)格略高于市售抑塵劑，但是其抑塵性能卻是市售的約5倍，維持時(shí)間更長(zhǎng)，原料均為可降解食品級(jí)材料，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣應(yīng)用，極大抑制道路施工揚(yáng)塵，有效保護(hù)大氣環(huán)境。