高 鵬，張兆征，武 彥，孫 鑫

(1. 神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司選煤廠，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

0 引言

煤炭在生產(chǎn)的各個(gè)階段都伴隨著煤塵的產(chǎn)生，而煤塵又極易引起爆炸事故、降低機(jī)械設(shè)備的使用壽命，并對(duì)煤礦職工的健康造成危害，因此需要采取有效的除塵措施預(yù)防煤塵帶來(lái)的安全隱患。傳統(tǒng)的噴霧降塵對(duì)煤分子的潤(rùn)濕效果較差，而呼吸性粉塵由于粒徑小更不易被噴霧液滴吸附和潤(rùn)濕，因此利用封塵劑噴霧去除煤塵成為主要解決手段之一。封塵劑主要是由一系列表面活性劑、助劑和稀釋劑等原料組成的復(fù)合劑，能夠快速凝結(jié)和降低空氣中的塵埃和顆粒物含量，主要用于降低環(huán)境空氣中的塵埃、顆粒物、揮發(fā)性有機(jī)物等污染物的含量，可以有效地改善工作和生活環(huán)境的衛(wèi)生狀況，防止環(huán)境污染對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成的危害[1]。此外，封塵劑也被廣泛應(yīng)用在建筑施工、公路養(yǎng)護(hù)、采礦和冶金等領(lǐng)域[2]，用于防止顆粒物揚(yáng)塵和減少生產(chǎn)設(shè)備的磨損，并提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[3]。封塵劑作為一種化學(xué)產(chǎn)品，其研究和應(yīng)用已經(jīng)有了一定的發(fā)展歷程。目前，封塵劑的主要研究方向?yàn)榕浞窖芯?、性能評(píng)價(jià)、應(yīng)用技術(shù)和環(huán)境效應(yīng)等[4]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，封塵劑配方中添加的新型表面活性劑、交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑等成分，可以顯著提高封塵劑的性能和穩(wěn)定性；在封塵劑性能評(píng)價(jià)方面，主要包括顆粒物捕集效率、穩(wěn)定性、流變學(xué)性質(zhì)、膜性能和耐久性等指標(biāo)。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)封塵劑的性能，研究人員采用了多種方法，包括動(dòng)態(tài)光散射、納米粒子跟蹤分析、紫外-可見(jiàn)光譜、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等；在封塵劑應(yīng)用技術(shù)方面，目前主要是噴灑[5]、滾涂、刷涂和噴霧等多種方式。研究人員也在不斷探索新的應(yīng)用技術(shù)，如超聲波、離子和溫度等對(duì)封塵劑性能的影響及其應(yīng)用效果；在封塵劑環(huán)境效應(yīng)方面，研究人員關(guān)注的是封塵劑對(duì)環(huán)境污染物、生態(tài)環(huán)境和人體健康的影響[6]。目前已有多項(xiàng)研究表明，封塵劑能夠顯著減少環(huán)境空氣中的塵埃和顆粒物的含量，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和維護(hù)人體健康具有積極作用[7]。

隨著環(huán)保和健康意識(shí)的提高，封塵劑的應(yīng)用已得到廣泛的認(rèn)可，但是封塵劑在實(shí)際應(yīng)用中往往受到多種因素的影響，而這些因素對(duì)封塵劑性能的影響對(duì)于深入了解封塵劑的性質(zhì)和提高其應(yīng)用性能具有重要意義[8-10]，如夏季高溫與冬季低溫對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響、配液過(guò)程中循環(huán)水中離子種類與濃度大小對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響等，深入研究和分析這些影響因素對(duì)封塵劑性能的影響，可以更好地理解封塵劑的性質(zhì)和提高其應(yīng)用性能[11-13]?？傮w而言，封塵劑的研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展，但還需要在理論和實(shí)踐方面進(jìn)行深入探索，以期更好地應(yīng)對(duì)實(shí)際環(huán)境中的塵埃和顆粒物污染問(wèn)題[14]。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 藥劑及儀器

藥劑選取廣東興華綠色環(huán)保技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為YTL351-SCA的鐵路煤炭運(yùn)輸用封塵劑、化學(xué)純NaCl、化學(xué)純CaCO3、化學(xué)純KCl、化學(xué)純MgCl2、化學(xué)純FeCl2、化學(xué)純FeCl3；儀器采用水浴加熱鍋、磁力攪拌器、超聲波發(fā)生器、容量瓶、pH計(jì)、分析天平、Zeta Plus分析儀、掃描電鏡儀器等。

1.2 溫度對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響試驗(yàn)

溫度是影響封塵劑性質(zhì)的重要因素之一[15]，將封塵劑溶于水中，通過(guò)加熱或冷卻的方式控制溫度，并確定封塵劑的穩(wěn)定性、流動(dòng)性等指標(biāo)。一般情況下，隨著溫度升高，封塵劑的粘度和表面張力都會(huì)降低，這會(huì)使其在液體中更容易分散和懸浮。同時(shí)，過(guò)高的溫度也可能會(huì)導(dǎo)致封塵劑的分離和降解，從而降低其穩(wěn)定性和效果[16]。因此，為了探究溫度對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響，進(jìn)行了如下試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟為：將0.1 g的封塵劑溶于100 mL水中，制備出質(zhì)量濃度為0.1%的封塵劑溶液；設(shè)置20、25、30、35、40、45、50、55、60、65 ℃等不同溫度試驗(yàn)組；將不同溫度試驗(yàn)組的封塵劑溶液分別放置于恒溫水浴中，在不同溫度下攪拌靜置一定時(shí)間后，測(cè)量其粘度指標(biāo)；最后，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理。比較不同溫度組的指標(biāo)差異，探究溫度對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響。

1.3 超聲波對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響試驗(yàn)

超聲波是一種高頻機(jī)械波，具有強(qiáng)大的物理效應(yīng)和化學(xué)作用[17]，對(duì)封塵劑性質(zhì)也有一定的影響。具體來(lái)說(shuō)，超聲波可以促進(jìn)封塵劑的分散和懸浮，提高其穩(wěn)定性和流動(dòng)性，同時(shí)還可以改變其表面張力和粘度等性質(zhì)，從而提高其封塵效果[18]。因此，為了探究超聲波對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響進(jìn)行如下試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟為：將0.1 g的封塵劑溶于100 mL水中，制備出質(zhì)量濃度為0.1%的封塵劑溶液；將封塵劑溶液倒入容量瓶后放置于超聲波發(fā)生器中，控制超聲波發(fā)生器的頻率、功率和時(shí)間等參數(shù)，比較超聲波處理組和對(duì)照組的指標(biāo)差異。最后，測(cè)量超聲波處理組和對(duì)照組的粘度指標(biāo)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同處理組和對(duì)照組的指標(biāo)差異，探究超聲波對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響。

1.4 不同濃度離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響試驗(yàn)

離子是一種重要的化學(xué)物質(zhì)，在封塵劑的制備和應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)對(duì)其性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。具體來(lái)說(shuō)，不同離子的存在會(huì)改變封塵劑的電性質(zhì)、分散性、穩(wěn)定性等性能，從而影響其封塵效果。為了探究離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響進(jìn)行以下試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟為：將0.1 g的封塵劑溶于100 mL水中，制備出質(zhì)量濃度為0.1%的封塵劑溶液；添加一定量的離子液體(NaCl、CaCl2、KCl、MgCl2、FeCl2和FeCl3)到封塵劑溶液中，控制不同離子液體的濃度和類型，比較不同離子液體處理組和對(duì)照組的指標(biāo)差異[19]。最后，測(cè)量不同離子液體處理組和對(duì)照組的穩(wěn)定性指標(biāo)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同處理組和對(duì)照組的指標(biāo)差異，探究離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響。

1.5 Zeta電位測(cè)試

對(duì)不同種類離子和濃度配置的封塵劑樣品溶液進(jìn)行Zeta分析，測(cè)量設(shè)備為Zeta Plus型分析儀，該分析儀基于激光的電泳光散射原理進(jìn)行擴(kuò)展。

將封塵劑溶于去離子水中，添加一定量的離子液體到封塵劑溶液中，控制不同離子液體的濃度和類型。每次測(cè)量前溶液攪拌30 min，使溶液處于穩(wěn)定狀態(tài)，使用斯莫魯霍夫斯基模型來(lái)計(jì)算顆粒的Zeta電位，每次Zeta電位值是10次運(yùn)行的平均值，每次測(cè)量是10個(gè)測(cè)量周期。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同處理組和對(duì)照組的Zeta電位差異，探究離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論和分析，探究離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響機(jī)制，分析試驗(yàn)中可能存在的誤差和局限性，并提出后續(xù)研究的方向和建議。

1.6 SEM測(cè)試

掃描電鏡是一種大型的分析設(shè)備，主要用于觀察各種固態(tài)物質(zhì)表面的超微結(jié)構(gòu)形態(tài)以及組成物質(zhì)。掃描電鏡具有高的分辨率，可觀察納米級(jí)礦物的表面特征，如可觀察表面6 nm左右的細(xì)節(jié)，在LaB6電子槍條件下可觀察3 nm的礦物表面細(xì)節(jié)[20]。為了探究封塵劑顆粒的表面性質(zhì)，從而分析其作用機(jī)理，選用掃描電鏡進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)步驟為：首先，對(duì)封塵劑原樣顆粒進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試；然后，將0.1 g的封塵劑樣品溶于100 mL水中后進(jìn)行烘干，對(duì)烘干后的顆粒進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試；最后，根據(jù)不同顆粒的測(cè)試結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同顆粒表面的形貌差異，探究封塵劑性質(zhì)的作用機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 條件試驗(yàn)

確定攪拌時(shí)間和封塵劑濃度可以確保封塵劑充分溶解，即溶液中沒(méi)有殘留物，探究溫度、超聲波和離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響。

2.1.1 時(shí)間條件試驗(yàn)

首先固定封塵劑的質(zhì)量濃度為0.1%，封塵劑溶液的攪拌時(shí)間和粘度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 封塵劑攪拌時(shí)間與粘度的關(guān)系

由圖1可以看出，隨著攪拌時(shí)間從0增加至10 min時(shí)，封塵劑的粘度呈明顯上升趨勢(shì)。當(dāng)攪拌時(shí)間從10 min再增加時(shí)，粘度值基本趨于平緩，逐漸不變，表明此時(shí)封塵劑已經(jīng)完全溶解，攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短不會(huì)再對(duì)其粘度有影響。因此，在后續(xù)的試驗(yàn)中，均選取10 min為攪拌時(shí)間。

2.1.2 質(zhì)量濃度條件試驗(yàn)

確定攪拌時(shí)間后進(jìn)行濃度條件試驗(yàn)，可以得到封塵劑的質(zhì)量濃度和粘度關(guān)系如圖2所示。

圖2 封塵劑的質(zhì)量濃度和粘度關(guān)系

由圖2可以看出，封塵劑的質(zhì)量濃度由0增加至0.100%時(shí)，溶液粘度從0增加到342 mPa·s，封塵劑的質(zhì)量濃度從0.100%繼續(xù)增加到0.175%時(shí)，溶液粘度緩慢增加，粘度從342 mPa·s增加到420 mPa·s，當(dāng)封塵劑的質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時(shí)，封塵劑溶液的質(zhì)量濃度達(dá)到飽和，溶液中出現(xiàn)不溶解封塵劑，粘度也隨之急劇增加。因此，為確保封塵劑全部溶解，選擇質(zhì)量濃度為0.100%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 溫度對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響

確定攪拌時(shí)間和封塵劑濃度以確保封塵劑充分溶解，溶液中沒(méi)有殘留物，探究溫度對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響，溫度對(duì)封塵劑粘度的影響如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)封塵劑粘度的影響

由圖3可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度從20 ℃增加至30 ℃時(shí)，封塵劑粘度從450 mPa·s急劇下降至260 mPa·s；當(dāng)試驗(yàn)溫度從30 ℃升高至65 ℃時(shí)，封塵劑粘度緩慢變化隨后保持不變。對(duì)同一樣品進(jìn)行自然冷卻，當(dāng)試驗(yàn)溫度從65 ℃下降至20 ℃時(shí)，封塵劑粘度從260 mPa·s上升至440 mPa·s，和升溫趨勢(shì)保持不變。由圖3還可以看出，升溫和降溫前后對(duì)封塵劑的性質(zhì)基本沒(méi)有影響，可以看出溫度對(duì)封塵劑是物理影響作用，這是由于溫度升高使得封塵劑分子發(fā)生內(nèi)蜷曲收縮，使得粘度下降。溫度低時(shí)，封塵劑分子鏈伸展擴(kuò)張，粘度增加。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，如果需要控制封塵劑粘度，而又不想破壞封塵劑的性質(zhì)，可以從控制溫度的角度進(jìn)行考慮，即調(diào)整溫度對(duì)封塵劑粘度有積極影響。

2.3 超聲波對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響

由上述試驗(yàn)確定了攪拌時(shí)間10 min和質(zhì)量濃度0.1%后，確保封塵劑充分溶解，溶液中沒(méi)有殘留物，探究超聲波對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響，超聲波對(duì)封塵劑粘度的影響如圖4所示。

圖4 超聲波對(duì)封塵劑粘度的影響

由圖4可以看出，超聲波作用前后封塵劑粘度的變化趨勢(shì)基本一致，正常狀態(tài)下不使用超聲波，封塵劑在10 min時(shí)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡；而使用超聲波作用后，封塵劑在5 min時(shí)就趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡最大值，時(shí)間縮短了5 min，極大地提高了溶解效率。因此，超聲波的作用對(duì)封塵劑最終粘度影響不明顯，其主要作用是加快封塵劑達(dá)到穩(wěn)定粘度的作用時(shí)間，以此提高封塵劑的溶解效率。

因此，在粘度較高的封塵劑進(jìn)行溶解的操作階段，可以考慮使用超聲波，不僅可以快速溶解封塵劑，縮短封塵劑的溶解時(shí)間，還可以防止未溶解封塵劑造成的管道堵塞，有效節(jié)約成本。

2.4 離子對(duì)封塵劑性質(zhì)的影響

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，常采用循環(huán)水進(jìn)行封塵劑的配置，而循環(huán)水中含有較高的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+和Fe3+離子，這些離子種類與濃度對(duì)封塵劑性質(zhì)有較大影響，因此，為了探究離子的種類和濃度對(duì)封塵劑粘度的影響，分別用NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、FeCl2和FeCl3與質(zhì)量濃度為0.1%的封塵劑進(jìn)行作用，通過(guò)改變離子種類和離子濃度，得到不同離子作用下封塵劑的粘度變化，如圖5所示。

圖5 不同離子作用下封塵劑的粘度變化

由圖5可以看出，F(xiàn)e2+和Fe3+加入后與封塵劑溶液形成絡(luò)合物，產(chǎn)生了絮狀沉淀，粘度急劇下降；Ca2+和Mg2+在試驗(yàn)中難溶于封塵劑溶液，雖然對(duì)其粘度有一定的影響，使粘度降低，但降低并不明顯；加入Na+和K+后，隨著離子濃度的增加，封塵劑粘度也隨之不斷下降，這是由于Ca2+、Mg2+、Na+和K+的加入，引發(fā)了封塵劑藥劑分子鏈斷裂，離子致使聚合物分子內(nèi)縮聚，分子鏈?zhǔn)湛s，聚合物粘度降低。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該避免此類封塵劑接觸Fe2+和Fe3+，如果需要調(diào)控封塵劑粘度，可以考慮加入Na+、K+。

2.5 Zeta電位測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證封塵劑與離子作用后的機(jī)理，對(duì)封塵劑以及與不同離子作用后的Zeta電位進(jìn)行檢測(cè)，封塵劑與不同離子反應(yīng)后的Zeta電位如圖6所示。

圖6 封塵劑與不同離子反應(yīng)后的Zeta電位

由圖6可以看出，Na+、K+、Mg2+、Ca2+作用后的封塵劑均呈現(xiàn)負(fù)電，而Fe2+和Fe3+則呈現(xiàn)正電，由前面的試驗(yàn)現(xiàn)象，初步推測(cè)出現(xiàn)此情況的原因是Fe2+和Fe3+與封塵劑發(fā)生反應(yīng)后生成絡(luò)合物沉淀，使得溶液帶正電。K+、Mg2+、Ca2+和Na+與封塵劑作用后的Zeta電位有較大變化，從大到小依次排序?yàn)镸g2+>Ca2+>K+>Na+，這與各金屬離子所帶電荷有關(guān)，所帶電荷越大，Zeta電位變化越大。

2.6 掃描電鏡測(cè)試

為了探究封塵劑顆粒的表面性質(zhì)，用掃描電鏡對(duì)原樣顆粒和溶于水后又烘干的封塵劑顆粒分別進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)，封塵劑顆粒與水溶液作用前后掃描電鏡如圖7所示。

圖7 封塵劑顆粒與水溶液作用前后掃描電鏡

由圖7可以看出，封塵劑顆粒在與水作用前呈顆粒狀；與水作用后顆粒溶解，形成了一層薄膜，封塵劑的抑塵機(jī)理與這層薄膜有關(guān)。

3 結(jié)論

筆者研究了溫度、超聲波以及離子種類和濃度對(duì)封塵劑粘度的影響，得出以下結(jié)論。

(1)隨著溫度升高，封塵劑粘度從450 mPa·s 急劇下降至250 mPa·s，當(dāng)試驗(yàn)溫度從30 ℃升高至65 ℃時(shí)，封塵劑粘度基本保持不變。降溫趨勢(shì)與升溫趨勢(shì)重合，粘度前后基本不變，表明溫度的升降不改變封塵劑的化學(xué)性質(zhì)，封塵劑在夏季與冬季溫差大的情況下，對(duì)封塵劑濃度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，可以確保封塵劑粘度符合噴灑需求。

(2)超聲波作用前后封塵劑粘度的變化趨勢(shì)一致，其主要作用是封塵劑達(dá)到穩(wěn)定粘度的作用時(shí)間，以提高封塵劑的溶解效率。因此，在粘度較高封塵劑溶解的操作階段，可以考慮加入超聲波進(jìn)行操作，不僅可以快速溶解封塵劑，縮短封塵劑溶解時(shí)間，還可以防止未溶解封塵劑造成的管道堵塞，有效節(jié)約成本。

(3)Na+、K+、Mg2+、Ca2+作用后的封塵劑均呈現(xiàn)負(fù)電，而Fe2+和Fe3+則呈現(xiàn)正電，通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象初步推測(cè)出現(xiàn)此情況的原因是Fe2+和Fe3+與封塵劑發(fā)生反應(yīng)后生成絡(luò)合物沉淀，使得溶液帶正電。K+、Mg2+、Ca2+，Na+與封塵劑作用后的Zeta電位有較大變化，從大小到依次排序?yàn)镸g2+>Ca2+>K+>Na+，這與各金屬離子所帶電荷有關(guān)，所帶電荷越大，Zeta電位變化越大。因此，進(jìn)行封塵劑配液時(shí)要考慮水溶液中離子的影響，避免鐵離子產(chǎn)生。