張 川,陳星明,周家家,周 亭,許向彬

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.中國平煤神馬集團十一礦，河南 平頂山 467000)

我國每年煤炭的開采量達到40億t以上，在較長時期內，煤炭作為我國主體能源的地位不會發(fā)生改變[1-3]。隨著煤炭資源的過度開采，伴隨而來的是對環(huán)境的影響，煤炭在露天開采和儲放過程中的揚塵，在風力作用下極易形成大量的煤塵揚塵，由于其粒徑小，懸浮在空氣中不易掉落，成為了大氣污染源之一，也造成了煤炭資源的浪費[4-6]。細小的煤塵極易被人體吸入，而長期處于煤塵環(huán)境的職工也容易罹患塵肺病等職業(yè)病[7-9]；沉降在建筑、植物和水源中的煤塵，不僅影響周邊生態(tài)環(huán)境，還會形成煤污水污染周邊水土，嚴重污染環(huán)境[10-12]。對于露天煤場引發(fā)的揚塵污染和對周邊造成的環(huán)境危害是近年來備受關注的問題，傳統(tǒng)抑塵技術成本高、長期抑塵效果差，無法滿足對抑塵的要求[13-16]；而化學抑塵劑的效果極佳，越來越受到科研人員的重視，噴灑抑塵劑被認為是解決揚塵污染的最佳方法[17-20]。因此，開發(fā)高效環(huán)保的露天煤場用抑塵劑成為科研人員關注的重點。

筆者以醋酸乙烯酯(VAC)為主要單體，過硫酸鉀(KPS)為引發(fā)劑，SDS/OP-10為復合乳化劑，采用乳液聚合的方法制備了水溶性高分子抑塵劑，并進行了一系列性能評價，以期為該抑塵劑在露天煤場揚塵防治中的應用提供基礎數據和科學依據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

主要原料包括：VAC，分析純，成都市科龍化工試劑廠生產；OP-10，化學純，成都市科龍化工試劑廠生產；聚乙烯醇1788(PVA1788)、SDS、KPS、鄰苯二甲酸酯二丁酯(DBP)、碳酸氫鈉NaHCO3，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產。

1.2 抑塵劑制備

在裝有攪拌器、回流冷凝管、溫度計和滴定漏斗的3口燒瓶中加入4.0 g PVA1788和70 mL H2O，90 ℃ 下攪拌至完全溶解。稱取0.3 g KPS，加入 10 mL H2O溶解于燒杯中備用。向以上3口燒瓶里加入 1.0 g OP-10、0.2 g SDS、10.0 g VAC和一半備用的KPS溶液?？刂茰囟仍?0 ℃的條件下攪拌反應 30 min 后，把20.0 g VAC置于滴定漏斗中，以0.5 g/min的速度滴加入3口燒瓶中。滴加完畢后，將余下的KPS溶液加入3口燒瓶內。再稱取10.0 g VAC置于滴定漏斗中進行滴加(滴加速度控制在0.5 g/min)，單體滴加后，加熱回流并逐步升溫至90 ℃，回流 90 min，直至無回流現象，冷卻至40 ℃，倒入質量分數為10%的NaHCO3溶液，調節(jié)pH值至4～6，加上4.0 g DBP，攪拌，冷卻得到白色黏稠狀環(huán)保型抑塵劑。

1.3 抑塵劑表征

采用ZEISS EVO18掃描電子顯微鏡觀測抑塵劑微觀形貌；采用NDJ-5S型旋轉黏度計測試不同溫度下的體積比為2∶100的抑塵劑溶液黏度。

1.4 抑塵劑的性能評價

1.4.1 抑塵劑的抗風蝕性能

選取0.63～1.42 mm粒徑的煤樣，放置在烘箱中50 ℃的條件下烘300 min，除去水分。取一定量的煤樣放于300 mm×210 mm×30 mm的托盤中，使煤樣表面與托盤齊平。按體積比2∶100配制抑塵劑溶液，以2 L/m2的抑塵劑用量在托盤中均勻噴灑，室溫下自然干燥，24 h后表面形成一個完整的固化層，用鼓風機以6級風力(風速為10.8～13.8 m/s)的條件進行5 min的吹蝕，每組實驗測量3次，實驗結束后測量煤樣質量，計算損失率。煤樣的風蝕率計算公式如下：

β=[(M1-M2)/M1]×100%

(1)

式中：β為樣品風蝕率；M1為吹蝕前煤樣的質量，g；M2為吹蝕后煤樣的質量，g。

1.4.2 抑塵劑的保濕性能

將0.63～1.42 mm粒徑的煤樣倒入圓盤培養(yǎng)皿中，以噴灑量2 L/m2為計量單位在煤樣表層均勻噴灑體積比2∶100的抑塵劑溶液，每間隔5 h測試煤樣的質量損失。煤樣含水率計算公式如下：

η=[(Mi-M1)/M2]×100%

(2)

式中：η為煤樣含水率；M1為煤樣的初始質量，g；Mi為噴水后每隔5 h干燥煤樣的質量，g；M2為噴灑自來水的質量，g。

1.4.3 抑塵劑對煤質的影響

分別用全自動水分測試儀YX-WK7330、碳氫元素分析儀TQ-3A、測硫儀CTS3000A和自動量熱儀CT5000A測量未噴灑抑塵劑的煤樣及噴灑體積比為 2∶100的抑塵劑溶液形成的殼膜煤樣的水分、氫、硫含量及燃燒值。

1.4.4 抑塵劑的毒理測試

選取清潔級SD大鼠20只，雌雄各半。采用最大限量法，灌胃劑量為10 008.12 mg/kg(一日染毒 2次，2次計量合并作為1次劑量計算)，染毒前動物禁食過夜，試驗開始后，對動物用經口灌胃法一日染毒2次，每次間隔4 h，第2次染毒后繼續(xù)禁食 3 h，觀察并記錄染毒過程，統(tǒng)計觀察期內動物的中毒和死亡情況，觀察周期14 d。觀察期結束后，進行大體解剖。

2 結果與分析

2.1 抑塵劑的黏度測試

黏度是決定抑塵劑噴灑難易程度的主要技術指標之一。黏度越高，噴灑阻力越大，容易造成噴射困難，并堵塞管路；黏度越低，越容易分散，霧化效果好，表面更易形成一層軟膜，從而達到更好的抑塵效果。抑塵劑和水在不同溫度下的黏度對比實驗，如圖1所示。

圖1 抑塵劑和水在不同溫度下的黏度

由圖1可知，抑塵劑和水的黏度隨溫度的升高而逐漸降低。當抑塵劑的溫度在15～25 ℃時，黏度值下滑趨勢緩慢，而當溫度超過25 ℃，黏度值下降速度加快，說明溫度較低對黏度值影響較小，溫度越高，對黏度值影響越大。這是由于隨著溫度的升高，溶液體系內能增加，分子熱運動加快，布朗運動現象明顯導致的。當溫度為15 ℃時，抑塵劑黏度值最高為 16.4 mPa·s；溫度上升至40 ℃，黏度值為6.1 mPa·s，而自來水的黏度一般小于2.0 mPa·s，這說明該抑塵劑黏度與水的黏度接近，具有較好的流動性和分散性，可以直接噴灑使用。

2.2 抑塵劑的保濕性能測試

按照1.4.2進行煤樣的保濕性能測試，煤樣的含水率隨放置時間的變化曲線如圖2所示。

圖2 噴灑抑塵劑和水的煤樣含水率隨放置時間的變化曲線

由圖2可知，從水分蒸發(fā)開始的10 h內，煤樣的含水率迅速下降，曲線斜率較大，為加速失水時期；在水分蒸發(fā)10 h后，含水率的下降速度放緩，為緩慢失水時期；在水分蒸發(fā)60 h后，抑塵劑和水在煤樣上基本失去全部的水分，但經水噴灑過的煤樣在失去所有水后，煤樣表面變得松散，水對其不再具有抑塵效果。而噴灑抑塵劑的煤樣雖然也會失去水分，但失水的速率小于水噴灑在煤樣上的速率，說明抑塵劑也具備一定的保濕效果，且?guī)缀跞渴?，在煤樣表面形成一層殼膜，可產生抑塵作用。

2.3 抑塵劑的抗風蝕性能測試

按照1.4.1進行抗風蝕性能測試，風蝕率隨煤樣放置時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 煤樣的風蝕率與放置時間的關系曲線

從圖3可以看出，噴灑水的煤樣雖然在放置 48 h 內具有一定的抑塵效果，但由于隨著放置時間的增加，水分的蒸發(fā)，煤樣表面變得松軟，抑塵效果呈明顯的下降趨勢，大量的煤樣被風吹走，且煤樣表面出現許多坑洼；放置120 h后，水的風蝕率為20.9%，逐漸喪失了抑塵的作用。相比之下，噴灑抑塵劑的煤樣的風蝕率隨著放置時間的增加而趨于穩(wěn)定，在放置120 h后，噴灑抑塵劑煤樣的風蝕率為2%，且煤樣表面沒有明顯的裂痕，這歸因于抑塵劑中水分蒸發(fā)后，在煤樣表面形成一層致密的膜，像網狀一樣將煤樣粘結起來，有效阻擋了風對煤樣的侵蝕，這也說明噴灑抑塵劑形成的殼膜具有較好的抗風蝕能力，在6級風力的情況下，具有較優(yōu)的抑塵效果，而實際氣候條件下能達到6級的大風天氣不多，所以該抑塵劑適用于全年氣候。

2.4 抑塵劑的微觀形貌

噴灑水和噴灑抑塵劑的煤樣表面SEM圖如圖4所示。通過比較可知，噴灑水的煤樣在水分蒸發(fā)后煤粒較為松散，這說明隨著水分的蒸發(fā)，煤粒表面的含水率下降，煤粒之間變得松散，從而失去了抑塵的效果；而噴灑抑塵劑的煤樣在水分蒸發(fā)后，抑塵劑發(fā)生分子鏈凝聚現象，與煤樣緊密粘結在一起，形成了一層密實的殼膜，起到了較好的固化抑塵效果，與上述抗風蝕性能的結果一致。

(a)噴灑水

(b)噴灑抑塵劑

2.5 抑塵劑對煤質的影響

對于露天煤場來說，煤炭質量尤為重要，保證產出煤炭質量是實現煤炭生產經濟效益最大化的途徑之一。抑塵劑對煤質的影響測試結果見表1。

表1 煤樣的各項指標測試結果

由表1可見，添加抑塵劑的煤樣與未添加抑塵劑的煤樣相比，水分、硫和氫含量基本保持一致，雖然硫和氫含量略微偏低，但也相差不大，這說明抑塵劑對煤質無不良影響，在煤的燃燒過程中沒有副作用；添加抑塵劑的煤樣高低位發(fā)熱量比未添加抑塵劑的煤樣略有增加，這說明抑塵劑在一定程度上促進了煤的燃燒。所以，添加抑塵劑對煤樣的質量沒有影響，煤樣的熱值還有些許提高，對煤的燃燒沒有副作用。

2.6 抑塵劑的毒理測試

按照GB 15193.3—2014《急性經口毒性試驗》的基本試驗方法，采用最大限量法，灌胃劑量為 10 008.12 mg/kg，對清潔級SD大鼠做急性經口毒性試驗，結果見表2。

表2 抑塵劑毒理試驗結果

由表2可知，動物灌胃染毒后至14 d觀察期內，受試SD大鼠生長良好，進食正常，未見中毒體征及死亡，大體解剖未見異常，按照急性毒性計量分級標準，該抑塵劑的急性經口LD50>5 000 mg/kg，屬于實際無毒級。

3 結論

1)采用VAC和PVA1788制備了一種環(huán)保型高分子抑塵劑。

2)該抑塵劑表現出較為優(yōu)異的抑塵性能，在 6級風力下，風蝕率僅為2%，且具有與水相似的流動性，黏度小，保濕性能略高于水，無毒，不會對作業(yè)人員產生有害影響，也不會對環(huán)境造成不良影響。噴灑在煤堆上，不會對煤堆的質量產生影響，對煤的燃燒也沒有副作用，還可提高煤炭的熱值。