趙開(kāi)樓,徐海云,秦詩(shī)雨,劉夢(mèng)怡

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 河南省綠色化工工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450042)

廢紙中含有大量的膳食纖維素,保存了大部分天然纖維結(jié)構(gòu)和功能性,經(jīng)濟(jì)效益高,應(yīng)用廣泛[1-3]。對(duì)廢紙中二次纖維回收使用,不但環(huán)保,而且減少了能耗。對(duì)保持地球生態(tài)平衡有益,還可以產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。王新平等[4]以廢紙為原材料生產(chǎn)羧甲基纖維素(CMC),試驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)廢紙、氫氧化鈉溶液與醚化劑的質(zhì)量比為1.2∶0.9∶1.2時(shí),得到了有效成分大于85%的產(chǎn)物。傅丹寧等[5]根據(jù)高溫常壓堿蒸煮法獲得精制纖維素,隨后以甲醇為溶液制備高取代性羧甲基纖維素(CMC),優(yōu)化了CMC的制備工藝。但是目前從廢紙中提取纖維素的方法普遍反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),效率較低[6]。大氣污染是由多種因素造成的。其中,粉塵為首要因素,如果揚(yáng)塵中的微粒在空氣中停留過(guò)久,不僅有礙于動(dòng)植物的健康,而且當(dāng)粉塵聚集到一定濃度會(huì)發(fā)生爆炸;或者對(duì)一部分精密機(jī)械設(shè)備造成損傷等等[7-8]。因此,怎樣減少粉塵產(chǎn)生的問(wèn)題已經(jīng)引起相關(guān)學(xué)者們地高度重視。目前粉塵治理的方法有很多種,其中抑塵劑使用較為普遍,但是目前市場(chǎng)上抑塵劑多為化學(xué)物質(zhì)復(fù)配而成,在使用過(guò)程中常會(huì)導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的二次污染。本文采用高壓反應(yīng)釜從廢紙中提取羧甲基纖維素鈉,然后再以羧甲基纖維素鈉為基質(zhì),輔以天然植物膠和硅酸鈉等制備出可降解、低成本、無(wú)毒無(wú)害的高效抑塵劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑

氯乙酸,AR,上海麥克林生化科技有限公司;十二烷基磺酸鈉,AR,上海麥克林生化科技有限公司;聚乙烯醇,AR,上海麥克林生化科技有限公司;黏度計(jì),上海方瑞儀器有限公司;BYZ系列表面張力儀,上海方瑞儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)部分

1.2.1 纖維素的制備

稱(chēng)取廢報(bào)紙197.74 g徹底粉碎,用穩(wěn)定性二氧化氯溶液進(jìn)行脫色處理。稱(chēng)取脫色干燥后的廢報(bào)紙70.42 g徹底粉碎,在水中煮沸2 h,配制4%的NaOH溶液(準(zhǔn)備76.24 g固體氫氧化鈉放在干燥潔凈的燒杯里,加入少量水?dāng)嚢?溶解后加入一定量的水)然后,將全部紙漿在4%的氫氧化鈉溶液中煮沸3 h。用稀鹽酸來(lái)調(diào)節(jié)pH值(6～7)。最后,用無(wú)水乙醇在砂心漏斗中清洗和過(guò)濾紙張,干燥。

1.2.2 羧甲基纖維素鈉的制備

取10 g精制纖維素,在250 mL 95%乙醇溶液中加熱;加入10 g氫氧化鈉,在恒溫35 ℃的水浴中反應(yīng)1 h(10∶10～11∶10),在堿化溶液中加入15 g氯乙酸和50 mL無(wú)水乙醇的混合溶液,溫度升高至70 ℃,恒溫?cái)嚢? h(15∶23～16∶23左右),用稀鹽酸中和反應(yīng)pH值(6～7)。鹽酸中和后的中性產(chǎn)品在37 μm(400目)的濾網(wǎng)袋中用無(wú)水乙醇過(guò)濾,干燥得到CMC。將裝有300 mL水的燒杯放入水浴中,溫度調(diào)整至85 ℃,從廢紙中提取的CMC緩慢均勻地分散到水中。

1.2.3 抑塵劑復(fù)配

將上述過(guò)程制備的CMC在恒溫60 ℃以上,按表1所列配方分別配置成不同濃度的抑塵劑。

表1 實(shí)驗(yàn)配方 單位:g

配方一的實(shí)驗(yàn)濃度:1%,2%,3%,4%;配方二的實(shí)驗(yàn)濃度:0.5%,1%,1.5%,2%;配方三的實(shí)驗(yàn)濃度:1%,2%,3%,4%。

1.2.4 抑塵劑的性能表征

1.2.4.1 滲透性能測(cè)試

提前準(zhǔn)備10個(gè)玻璃管,并分別在玻璃管內(nèi)添加提前過(guò)篩后的適量的土樣,振動(dòng)夯實(shí)后保持土樣在玻璃管內(nèi)高度相同;之后在對(duì)應(yīng)的玻璃管中分別加入不同質(zhì)量濃度的抑塵劑2 mL,然后沿管壁將膠頭滴管內(nèi)的抑塵劑慢慢滴加至土樣玻璃管中,從抑塵劑開(kāi)始滴入時(shí)計(jì)時(shí),設(shè)定時(shí)間為20 min。在滲透時(shí)間和加入抑塵劑劑量都相同的情況下,滲透深度越深,則表示抑塵劑滲透性能越好。

1.2.4.2 保水效果測(cè)試

首先準(zhǔn)確稱(chēng)取已經(jīng)過(guò)篩后的土樣[74 μm(200目)]70 g左右,將其置于圓形玻璃培養(yǎng)皿上,輕輕振動(dòng)夯實(shí)后,平鋪成厚度約為20～30 mm的圓形土體;然后再用電子天平精準(zhǔn)稱(chēng)量土體和玻璃培養(yǎng)皿的質(zhì)量;最后,分別均勻噴灑相同質(zhì)量抑塵劑在土樣表面,將土體置于干燥通風(fēng)的環(huán)境中,隔6或者24 h,稱(chēng)量土體質(zhì)量共10組,再計(jì)算該測(cè)試的保水率。

式中:WII——6 h/24 h后土體質(zhì)量+圓形玻璃培養(yǎng)皿;W0——土體初始質(zhì)量+圓形玻璃培養(yǎng)皿;WI——土體噴灑抑塵劑后的質(zhì)量+圓形玻璃培養(yǎng)皿。

1.2.4.3 抗風(fēng)蝕效果測(cè)試

抗風(fēng)蝕效果測(cè)試是以風(fēng)蝕后的樣品質(zhì)量與其原質(zhì)量的差再比上其原質(zhì)量的結(jié)果為指標(biāo)來(lái)反映抑塵劑的抗風(fēng)蝕成效;這是抑塵劑的性能表征中最直觀的方式。首先稱(chēng)取60 g左右已經(jīng)過(guò)篩后的土樣[74 μm(200目)],將其置于圓形玻璃培養(yǎng)皿(D=90 mm)中,鋪墊均勻平整,再往上面噴灑25 g左右的抑塵劑,置于通風(fēng)干燥的環(huán)境下讓其自然晾干。直至土樣表面形成固化層,再進(jìn)行稱(chēng)重。使用一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)模擬分別自然風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)兩種情況下,對(duì)土樣分別進(jìn)行測(cè)試。用風(fēng)速儀測(cè)定的風(fēng)速分別設(shè)定為6～7 m/s和12～13 m/s,每個(gè)土樣每次風(fēng)蝕5 min后稱(chēng)重,每個(gè)風(fēng)速稱(chēng)量四次,最后按下式計(jì)算質(zhì)量損失率。

式中:m1是固化后土體的質(zhì)量,g;m2為5,10,15,20 min后土體的質(zhì)量,g。

1.2.4.4 黏度測(cè)試

首先,根據(jù)被測(cè)液體大概的黏度范圍選擇合適的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速,然后再使用適合的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速分別測(cè)出不同配比、不同質(zhì)量濃度抑塵劑的黏度。

1.2.4.5 表面張力測(cè)試

首先,將表面張力儀調(diào)平衡,選擇適宜長(zhǎng)度的掛鉤進(jìn)行連接,然后利用BYZ系列表面張力儀按照質(zhì)量濃度從小到大依次測(cè)出不同配比抑塵劑的表面張力。

1.2.4.6 硬度測(cè)試

利用硬度計(jì)測(cè)出加入不同配比、不同質(zhì)量濃度的抑塵劑土體固化后的硬度。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取方法對(duì)CMC制備的影響

圖1左側(cè)是恒溫水浴法制備的CMC,圖1右側(cè)是高壓反應(yīng)釜法制備的CMC,兩者比較來(lái)看:左側(cè)加水成膠后顏色較暗,溶解后有少量沉淀;右側(cè)可以在水中均勻分散形成膠狀物質(zhì),且靜置一段時(shí)間后,未發(fā)現(xiàn)沉淀產(chǎn)生。因此,選擇高壓反應(yīng)釜法制備CMC,產(chǎn)率更高,提取率更高,成膠性能更好。

圖1 CMC產(chǎn)品

2.2 不同質(zhì)量濃度、配方的抑塵劑對(duì)黏度的影響

不同配方和濃度對(duì)抑塵劑溶液黏度的影響如圖2所示。由圖2可知,同一配方的抑塵劑質(zhì)量濃度越大,黏度也越大。在相同濃度下,配方不同溶液黏度也不同。其中,配方二的黏度較小,但比水稍大;配方一和配方三的黏度較大。質(zhì)量濃度為1%,2%,3%的配方三的黏度都大于配方一,但配方三4%的濃度小于配方一4%。溶液黏度越高,噴灑阻力會(huì)越大,會(huì)造成噴射設(shè)備管路堵塞,破壞設(shè)備;在黏度愈低,溶液的噴灑阻力越小,且抑塵劑更易分散,霧化程度高,但是,濃度太小,成膜性能及抗風(fēng)蝕性能都會(huì)隨之降低,因此,要選擇合適的濃度以使其不但具有合適的黏度同時(shí)還具有良好的使用效果,通過(guò)分析可知,配方三的1%,2%,3%以及配方一的1%,2%的抑塵劑溶液黏度較好。

2.3 不同質(zhì)量濃度、配方的抑塵劑對(duì)表面張力的影響

不同配方和濃度對(duì)抑塵劑溶液表面張力的影響如圖3所示。表面張力越小,濕潤(rùn)性越好。由圖3可知,水和硅酸鈉的黏度較高。配方一和配方三的抑塵劑溶液黏度較小時(shí),溶液的黏結(jié)性較小,表面張力隨著黏度的增大而減小;在黏度大于一定值時(shí),配方一和配方三的質(zhì)量濃度在2%～4%以及配方二的質(zhì)量濃度在1.5%～2%時(shí),表面張力逐漸增大,潤(rùn)濕性減小。因此,當(dāng)抑塵劑溶液的質(zhì)量濃度在1.5%～3%時(shí)表面張力有下降的趨勢(shì),濕潤(rùn)性較好。

2.4 不同質(zhì)量濃度、配方的抑塵劑對(duì)滲透性的影響

本實(shí)驗(yàn)在滲透時(shí)間和加入抑塵劑劑量都相同的情況下,滲透深度越深,則表示抑塵劑滲透性能越好。

不同配方和濃度對(duì)抑塵劑溶液滲透性的影響如圖4所示。在相同的時(shí)間下、實(shí)驗(yàn)所用土體來(lái)源相同,加入的抑塵劑滲透深度的大小凸顯滲透深度受抑塵劑配比和質(zhì)量濃度的影響。黏度隨溶液濃度的增大而逐漸增大,黏度越大,溶液的滲透性越小,所以溶液的滲透性會(huì)隨著濃度的增大而逐漸減小。由圖4可知,配方二的滲透性要優(yōu)于配方一和配方三。

圖4 滲透性變化曲線

2.5 不同質(zhì)量濃度、配方的抑塵劑對(duì)硬度的影響

不同配方和濃度對(duì)抑塵劑溶液表面張力的影響如圖5所示。由圖5可知,加入配方二的土體的硬度隨著其加入抑塵劑的質(zhì)量濃度的增大而增大;而加入配方一、三的土體的硬度在其加入抑塵劑質(zhì)量濃度為1%,2%時(shí)呈上升趨勢(shì),由于其加入抑塵劑質(zhì)量濃度為3%,4%時(shí),該濃度的抑塵劑滲透性能較差,它土體表面到往下40～60 mm膠化,然后成膜,膜表面較軟,且膠化層以下的土體不含有抑塵劑,故不會(huì)固化。所以會(huì)出現(xiàn)上圖配方一、三這樣的硬度曲線圖。因此可得:當(dāng)加入的抑塵劑的濃度大于一定值時(shí),土體硬度會(huì)下降。

圖5 硬度變化曲線

2.6 不同質(zhì)量濃度、配方的抑塵劑對(duì)抗風(fēng)蝕性的影響

不同配方和濃度對(duì)抑塵劑溶液抗風(fēng)蝕性的影響,配方一的3%,4%和配方三的4%以及硅酸鈉、空土在風(fēng)速6～7 m/s時(shí)的質(zhì)量損失率都有較大的上升趨勢(shì)。其余抑塵劑配方的質(zhì)量損失率都近乎0。由實(shí)驗(yàn)1.2.4.3可知配方一的3%,4%和配方三的4%都出現(xiàn)不同程度的固化層成膜翹起,進(jìn)而導(dǎo)致在風(fēng)速6～7 m/s下,固化層成膜被吹掉,從而導(dǎo)致上述三種抑塵劑出現(xiàn)質(zhì)量損失率呈上升趨勢(shì)的現(xiàn)象。空土的質(zhì)量損失率遠(yuǎn)大于其他。而在上述三種抑塵劑的固化層成膜被吹掉后,不會(huì)再出現(xiàn)質(zhì)量損失率呈大勢(shì)上升的現(xiàn)象,則證明了加入抑塵劑后,土體的質(zhì)量損失率明顯下降且在不同風(fēng)速下沒(méi)有較為明顯波動(dòng)。

2.7 不同質(zhì)量濃度、配方的抑塵劑對(duì)保水性的影響

不同配方和濃度對(duì)抑塵劑溶液保水率的影響,配方二的保水性較差,隨土樣靜止時(shí)間的增加,其保水率也隨著下降。在6,24 h后,都出現(xiàn)了大幅度失水的情況,但45 h后又逐漸趨于平緩;在51 h后,硅酸鈉的保水性能最好,其次是配方三的1%。說(shuō)明配方三1%的抑塵劑在上述所有的配方中的保水性能較好。

3 結(jié)論

以廢紙為原料,以羧甲基纖維素鈉為基質(zhì),輔以天然植物膠和硅酸鈉等進(jìn)行復(fù)配制備出可降解、低成本、無(wú)毒無(wú)害的高效抑塵劑,實(shí)現(xiàn)了廢紙的資源化。同時(shí),優(yōu)化復(fù)配后的抑塵劑在黏度和保水性以及滲透性等性能上都表現(xiàn)出了更優(yōu)良的抑塵性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的恒溫水浴法相比較,采用高壓反應(yīng)釜法從廢紙?zhí)崛◆燃谆w維素鈉,產(chǎn)率更高,提取率更高,成膠性能更好。高壓反應(yīng)釜法制備的CMC為基質(zhì)復(fù)配了三種配方的抑塵劑,實(shí)驗(yàn)研究了不同配方、不同濃度對(duì)抑塵劑溶液黏度、表面張力、滲透性的影響,還研究了它們使用后保水性、抗風(fēng)蝕性以及結(jié)殼性能的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明:配方三的1%,2%,3%以及配方一的1%,2%的抑塵劑與純水和純硅酸鈉溶液相比有更優(yōu)的保水性、潤(rùn)濕性和滲透性等。同時(shí)該抑塵劑的抗風(fēng)蝕性能與純水和硅酸鈉以及空土相比,效果格外顯著;即分別在6～7和12～13 m/s的風(fēng)速條件下能保持近乎百分百的抑塵效果。