張明昌 王明枝 張少迪 吳宇輝 王若水

（1.北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院；2.木質(zhì)材料科學與應(yīng)用教育部重點實驗室；3.北京林業(yè)大學水土保持學院）

粉塵污染是露天煤礦作業(yè)中的一大問題，不僅對作業(yè)人員的身體健康造成影響，污染礦區(qū)周邊的環(huán)境，而且還會使運輸設(shè)備的使用壽命大大縮短［1-3］。研究者分析了礦區(qū)塵源，發(fā)現(xiàn)除爆破作業(yè)外，運輸作業(yè)的產(chǎn)塵在塵源中位居首位［4］，所以對礦區(qū)粉塵污染的治理核心是道路運輸方面。

露天煤礦的運輸?shù)缆分饕怯伤槭屯龄伋傻暮喴茁访?，強度相對較低。在負載煤礦運輸車輛的碾壓下，路面會遭到破壞從而產(chǎn)生大量的細小粉塵［5］，這些粉塵在受到自然風流、汽車剪切氣流和車輪離心力的作用下很容易揚起。影響路面粉塵密度的因素有粉塵的粒徑、粉塵總量、粉塵干濕度、汽車行駛速度和自然環(huán)境等。根據(jù)揚塵機制，抑制路面粉塵的主要方法:①路面鋪平，減少車輛振動；②增加礦區(qū)路面抗壓強度；③提高粉塵濕度和粒徑。目前，路面灑水仍是我國露天礦山抑制粉塵的主要方法。雖然灑水是控制粉塵最簡單的方法，但該措施存在抑塵時間短、成本高、浪費水資源、效果不理想等問題。此外，在一些極端天氣下重復(fù)灑水會產(chǎn)生安全問題，所以研制出高效、低成本的道路抑塵劑應(yīng)用于露天煤礦是非常必要的。

國內(nèi)外相關(guān)學者對抑塵劑進行了大量的研究，并研制出多種不同類型的抑塵劑。國外具有代表性的抑塵劑有南非的ANT-1型疏水防塵劑［6］、日本的THC劑和德國的Mon-tan黏結(jié)型抑塵劑［7］，國內(nèi)的研究起步較晚，主要處于試驗室研究階段。鄧兵杰等［8］利用正交試驗制備了集吸濕、保水、黏結(jié)和凝并等多功能為一體的復(fù)合型抑塵劑；潘海軍［9］通過復(fù)配潤濕劑制備了高效環(huán)保型化學抑塵劑等。但總體來說，抑塵劑因為成本高、二次污染、原材料來源稀少等原因不能廣泛推廣應(yīng)用。該研究旨在對國內(nèi)市場的6種抑塵劑進行檢測，為研究原材料來源廣泛、低價高效、綠色環(huán)保的抑塵劑奠定基礎(chǔ)。

1 試驗儀器與材料

試驗儀器有DV-1黏度計，PE-20 pH計，BZY-101表面張力儀，電熱鼓風干燥箱，美的電風扇，簡易模擬噴淋裝置，毛細玻璃管，噴壺，電子天平，滴定管，攪拌器，搪瓷托盤（24cm×18cm×2cm）等。

試驗材料有任丘市立天化工有限公司（簡稱A廠家）的產(chǎn)品A1、A2、A3，任丘市鵬宇化工有限公司（簡稱B廠家）的產(chǎn)品B1、B2、B3；試驗土（北京林業(yè)大學道路兩側(cè)的土），將收集到的土用60目的標準篩篩分后放入50℃的烘箱中烘300 min除去水分；去離子水。

2 試驗方案

（1）抑塵劑溶液的配制。將選購好的6種抑塵劑樣品分別用去離子水稀釋到1%，用攪拌器攪拌均勻后裝入密閉容器。

（2）pH值測定。將一定量配置好的抑塵劑溶液倒入燒杯中，采用PE-20型pH值計測試抑塵劑的pH值，待顯示屏中的數(shù)值穩(wěn)定后讀取，每個試樣重復(fù)測試3次，取平均值。

（3）黏度測試。采用DV-1黏度計進行黏度測定，參考DV-1型黏度儀的使用說明，由于抑塵劑產(chǎn)品黏度范圍不確定，因此轉(zhuǎn)子的選擇應(yīng)從大號且低轉(zhuǎn)速開始，然后逐漸減小，直至找到合適的轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)速。

（4）表面張力測定。將配制好的抑塵劑溶液倒入表面皿中，高度大于5 mm，然后用JZHY-180表面張力測定儀進行測定。每個試樣重復(fù)測試3次，取平均值。

（5）滲透性測定。滲透性測定參考文獻［10］所用方法，采用向下滲透試驗，具體試驗過程為:①將過篩的粉塵裝入透明玻璃管中振動夯實，使玻璃管中所裝土的高度大于20 cm，然后將其垂直固定好；②通過滴定管吸取定量的抑塵劑溶液，慢慢滴入裝有粉塵的玻璃管中，記錄在30 min時抑塵劑的滲透深度；③通過公式計算得出溶液的滲透速度（v為抑塵劑溶液的滲透速度，mm/min；l為抑塵劑溶液的滲透深度，mm；t為滲透時間，min）。

（6）固化層性能測試。將篩分好的土裝入搪瓷托盤中，將土樣振動夯實且保持平整。將配制好的抑塵劑溶液按2 L/m2的量噴至土樣表面，讓其自然滲透并形成固化層。待固化層穩(wěn)定后測量其3處的厚度取平均值。測量固化層受力處的寬度和厚度，然后輸入到微機控制人造板萬能試驗機中。隨著力的增加固化層斷裂，記錄抗壓強度。

（7）抑塵劑風蝕率測定。在搪磁盤中裝滿篩分好的土樣，夯實且保持表面平整。噴好抑塵劑后烘干，用電子天平稱重為w1，用電風扇以5 m/s的風速吹土樣表面30 min，用電子天平稱重記錄為w2。按公式計算風蝕率（E為樣品風蝕率；w1為風蝕前土樣質(zhì)量，g；w2為風蝕后土樣質(zhì)量，g）。

（8）抗雨淋性能測試?？褂炅茉囼炇鞘覂?nèi)模擬試驗，具體方法是在搪瓷托盤中裝滿篩分好的土樣，振動夯實且保持表面平整。以2 L/m2的抑塵劑噴至土樣表面，然后放入50℃的烘箱中烘300 min，除去水分。使用簡易模擬雨淋裝置向其表面灑水以模擬降雨，觀察煤堆的表面固化層的變化是否出現(xiàn)膨潤、起泡、濺蝕、開裂等現(xiàn)象。

3 結(jié)果與討論

3.1 抑塵劑的pH值分析

不同抑塵劑溶液的pH值分析結(jié)果見圖1。

由圖1可見，A廠家3種抑塵劑產(chǎn)品的pH值在6.48～9.92，B廠家3種產(chǎn)品的pH值分別為6.93、9.85和10.03；A1、B2與B3呈堿性，A2、A3與B1呈中性；使用抑塵劑為堿性時，不僅對礦山的水土環(huán)境和施工人員的身體不利，還會加速運輸設(shè)備的腐蝕；為滿足抑塵劑產(chǎn)品在安全和環(huán)保方面的要求，抑塵劑溶液pH值應(yīng)呈現(xiàn)中性。

3.2 抑塵劑黏度分析

不同抑塵劑溶液的黏度分析結(jié)果見表1。

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由表1可知，A廠家抑塵劑溶液的黏度分別為18，14，606 mPa·s，B廠家抑塵劑的黏度在6～11 mPa·s；根據(jù)國家鐵道部制定的標準［11］，抑塵劑的黏度值應(yīng)大于5mPa·s，所有產(chǎn)品的黏度均符合國家標準；除A3外，其他5種產(chǎn)品在稀釋與噴灑時操作方便、設(shè)備要求簡單；A3在稀釋過程中需要用強力攪拌機攪拌10 min，且向土樣表面噴灑時不易形成霧狀。

3.3 抑塵劑的表面張力分析

不同抑塵劑溶液的表面張力分析結(jié)果見圖2。

由圖2可見，A廠家抑塵劑的表面張力分別為41.8，51.3，49.8 mN/m，B廠家抑塵劑的表面張力在61.4～70.4 mN/m，2家抑塵劑產(chǎn)品的表面張力相差較大；20℃時純水的表面張力為72.75 mN/m，6種抑塵劑的表面張力均小于水，所以比水的潤濕性好；據(jù)相關(guān)文獻［12］報道，溶液的表面張力在45 mN/m左右時，粉塵更易被潤濕；因此A廠家的抑塵劑可以更好地潤濕粉塵，從而更利于粉塵之間的黏結(jié)，所形成的固化層厚度值更大。

3.4 抑塵劑的滲透性分析

不同抑塵劑溶液的滲透速度見表2。

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由表2可知，A廠家抑塵劑中A2的滲透速度最快，為0.67 mm/min；B廠家抑塵劑的滲透速度在1.60～2.83 mm/min；滲透性可通過滲透速度來表征，良好的滲透速度可有效的提高抑塵劑的抑塵效果。

3.5 固化層的性能分析

噴灑抑塵劑的土樣表面見圖3，不同抑塵劑溶液固化層的性能見表3。

由圖3可見，土樣表面噴灑抑塵劑后，形成了1層具有一定硬度的固化層；固化層一般為光滑表面，A3由于黏度過大，在噴灑時難以形成霧狀，所以固化層表面凹凸不平；固化層表面存在裂隙是由于抑塵劑溶液噴灑不均勻，粉塵之間相互作用出現(xiàn)裂隙，隨著固化層中水分的逐漸減少，裂隙會越來越大；固化層是土樣的表面保護層，下面仍是相對松散的土質(zhì)結(jié)構(gòu)，固化層可以隔絕外界環(huán)境對松散粉塵的直接作用，從而防止粉塵的飛揚和流失，以達到減少損失和保護環(huán)境的目的。

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由表3可知，噴灑A廠家3種抑塵劑的固化層厚度分別為9.3，6.7，11.7 mm，B廠家3種抑塵劑的固化層厚度在5.6～7.7mm；A廠家抑塵劑的表面張力較小且黏度較大，所以形成固化層的厚度比B廠家的抑塵劑厚；較厚的固化層保證了較好的抗風、抗雨淋性能；在固化層抗壓強度方面，A廠家抑塵劑的抗壓強度均為30 kPa，而B廠家抑塵劑的抗壓強度在10～60 kPa。

3.6 抑塵劑的抗風性能分析

不同抑塵劑的抗風性能見表4。

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由表4可知，所有樣品的風蝕率為零，說明6種抑塵劑都具有良好的抗風蝕能力；固化層的抗風蝕性能是抑塵劑性能的關(guān)鍵指標，通過抗風蝕試驗，驗證所形成固化層抵抗風蝕的能力，對抑塵劑的實際應(yīng)用性能具有重要的意義。

3.7 抑塵劑的抗雨淋性能分析

淋雨后的土樣表面見圖4。

由圖4可見，土樣表面經(jīng)模擬降雨試驗后表現(xiàn)出不同形態(tài)；噴灑A廠家抑塵劑的土樣表面經(jīng)過抗雨淋模擬試驗后，雖然表面遭到一定程度的破壞，但還存在不完整的固化層；噴灑A3產(chǎn)品的土樣抗雨淋性能最佳，其表面的固化層只在水流沖擊的位置遭到了微小的破壞；而B廠家的抑塵劑在試驗后，土樣表面出現(xiàn)起泡現(xiàn)象且固化層破壞嚴重甚至消失；土樣表面固化層試驗后的形態(tài)反應(yīng)了抑塵劑的抗雨淋性能，A廠家抑塵劑的抗雨淋性能更佳，歸因于產(chǎn)品溶液黏度大且土樣表面形成固化層厚度值較高，B廠家抑塵劑在經(jīng)歷自然降雨后可能需要重新噴灑抑塵劑，應(yīng)用時會受到環(huán)境因素的限制。

4 結(jié)論

（1）通過對6種抑塵劑的不同性能進行檢測，A3產(chǎn)品的溶液呈中性，表面張力低，黏度高且所形成的固化層具有較好的抗風抗雨淋能力，更符合對抑塵劑環(huán)保高效的要求，但A3抑塵劑在配制和噴灑時對設(shè)備的要求較高，且滲透性較差。

（2）B廠家的抑塵劑滲透性好，可以很快地滲透到土樣內(nèi)部形成固化層，但潤濕粉塵的能力較差，且形成的固化層抗雨淋性能較差。

（3）為適應(yīng)未來環(huán)保的高要求，科研人員應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場所、抑塵標準等研制高效環(huán)保、低成本的專用型抑塵劑。