高 鵬，張兆征，武 彥，孫 鑫

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

0 引言

煤炭在生產(chǎn)的各個階段都伴隨著煤塵的產(chǎn)生，而煤塵又極易引起爆炸事故、降低機械設(shè)備的使用壽命，并對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防煤塵帶來的安全隱患。傳統(tǒng)的噴霧降塵對煤分子的潤濕效果較差，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，封塵劑也被廣泛應用在建筑施工、公路養(yǎng)護、采礦和冶金等領(lǐng)域[2]，用于防止顆粒物揚塵和減少生產(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產(chǎn)品，其研究和應用已經(jīng)有了一定的發(fā)展歷程。目前，封塵劑的主要研究方向為配方研究、性能評價、應用技術(shù)和環(huán)境效應等[4]。

近年來，越來越多的研究表明，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；在封塵劑性能評價方面，主要包括顆粒物捕集效率、穩(wěn)定性、流變學性質(zhì)、膜性能和耐久性等指標。為了更準確地評價封塵劑的性能，研究人員采用了多種方法，包括動態(tài)光散射、納米粒子跟蹤分析、紫外-可見光譜、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等；在封塵劑應用技術(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用技術(shù)，如超聲波、離子和溫度等對封塵劑性能的影響及其應用效果；在封塵劑環(huán)境效應方面，研究人員關(guān)注的是封塵劑對環(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，對改善生態(tài)環(huán)境和維護人體健康具有積極作用[7]。

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

1 試驗材料和方法

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)的型號為YTL351-SCA的鐵路煤炭運輸用封塵劑、化學純NaCl、化學純CaCO3、化學純KCl、化學純MgCl2、化學純FeCl2、化學純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、分析天平、Zeta Plus分析儀、掃描電鏡儀器等。

1.2 溫度對封塵劑性質(zhì)的影響試驗

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、流動性等指標。一般情況下，隨著溫度升高，封塵劑的粘度和表面張力都會降低，這會使其在液體中更容易分散和懸浮。同時，過高的溫度也可能會導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，為了探究溫度對封塵劑性質(zhì)的影響，進行了如下試驗，試驗步驟為：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 ℃等不同溫度試驗組；將不同溫度試驗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間后，測量其粘度指標；最后，記錄試驗數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理。比較不同溫度組的指標差異，探究溫度對封塵劑性質(zhì)的影響。

1.3 超聲波對封塵劑性質(zhì)的影響試驗

超聲波是一種高頻機械波，具有強大的物理效應和化學作用[17]，對封塵劑性質(zhì)也有一定的影響。具體來說，超聲波可以促進封塵劑的分散和懸浮，提高其穩(wěn)定性和流動性，同時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，為了探究超聲波對封塵劑性質(zhì)的影響進行如下試驗。試驗步驟為：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、功率和時間等參數(shù)，比較超聲波處理組和對照組的指標差異。最后，測量超聲波處理組和對照組的粘度指標，并記錄試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同處理組和對照組的指標差異，探究超聲波對封塵劑性質(zhì)的影響。

1.4 不同濃度離子對封塵劑性質(zhì)的影響試驗

離子是一種重要的化學物質(zhì)，在封塵劑的制備和應用過程中也會對其性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。具體來說，不同離子的存在會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。為了探究離子對封塵劑性質(zhì)的影響進行以下試驗，試驗步驟為：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照組的指標差異[19]。最后，測量不同離子液體處理組和對照組的穩(wěn)定性指標，并記錄試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同處理組和對照組的指標差異，探究離子對封塵劑性質(zhì)的影響。

1.5 Zeta電位測試

對不同種類離子和濃度配置的封塵劑樣品溶液進行Zeta分析，測量設(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行擴展。

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計算顆粒的Zeta電位，每次Zeta電位值是10次運行的平均值，每次測量是10個測量周期。試驗在室溫下進行，根據(jù)試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理，比較不同處理組和對照組的Zeta電位差異，探究離子對封塵劑性質(zhì)的影響。根據(jù)試驗結(jié)果進行討論和分析，探究離子對封塵劑性質(zhì)的影響機制，分析試驗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，可觀察納米級礦物的表面特征，如可觀察表面6 nm左右的細節(jié)，在LaB6電子槍條件下可觀察3 nm的礦物表面細節(jié)[20]。為了探究封塵劑顆粒的表面性質(zhì)，從而分析其作用機理，選用掃描電鏡進行試驗檢測，試驗步驟為：首先，對封塵劑原樣顆粒進行掃描電鏡測試；然后，將0.1 g的封塵劑樣品溶于100 mL水中后進行烘干，對烘干后的顆粒進行掃描電鏡測試；最后，根據(jù)不同顆粒的測試結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析和數(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)的作用機理。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 條件試驗

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

2.1.1 時間條件試驗

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間和粘度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 封塵劑攪拌時間與粘度的關(guān)系

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

2.1.2 質(zhì)量濃度條件試驗

確定攪拌時間后進行濃度條件試驗，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，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，溶液粘度緩慢增加，粘度從342 mPa·s增加到420 mPa·s，當封塵劑的質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時，封塵劑溶液的質(zhì)量濃度達到飽和，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%進行后續(xù)試驗。

2.2 溫度對封塵劑性質(zhì)的影響

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

圖3 溫度對封塵劑粘度的影響

由圖3可以看出，當試驗溫度從20 ℃增加至30 ℃時，封塵劑粘度從450 mPa·s急劇下降至260 mPa·s；當試驗溫度從30 ℃升高至65 ℃時，封塵劑粘度緩慢變化隨后保持不變。對同一樣品進行自然冷卻，當試驗溫度從65 ℃下降至20 ℃時，封塵劑粘度從260 mPa·s上升至440 mPa·s，和升溫趨勢保持不變。由圖3還可以看出，升溫和降溫前后對封塵劑的性質(zhì)基本沒有影響，可以看出溫度對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，封塵劑分子鏈伸展擴張，粘度增加。因此，在生產(chǎn)過程中，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行考慮，即調(diào)整溫度對封塵劑粘度有積極影響。

2.3 超聲波對封塵劑性質(zhì)的影響

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

圖4 超聲波對封塵劑粘度的影響

由圖4可以看出，超聲波作用前后封塵劑粘度的變化趨勢基本一致，正常狀態(tài)下不使用超聲波，封塵劑在10 min時趨于穩(wěn)定，達到平衡；而使用超聲波作用后，封塵劑在5 min時就趨于穩(wěn)定，達到平衡最大值，時間縮短了5 min，極大地提高了溶解效率。因此，超聲波的作用對封塵劑最終粘度影響不明顯，其主要作用是加快封塵劑達到穩(wěn)定粘度的作用時間，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 離子對封塵劑性質(zhì)的影響

在實際應用過程中，常采用循環(huán)水進行封塵劑的配置，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%的封塵劑進行作用，通過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+在試驗中難溶于封塵劑溶液，雖然對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，分子鏈收縮，聚合物粘度降低。因此在實際生產(chǎn)過程中，應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電位測試

為了進一步驗證封塵劑與離子作用后的機理，對封塵劑以及與不同離子作用后的Zeta電位進行檢測，封塵劑與不同離子反應后的Zeta電位如圖6所示。

圖6 封塵劑與不同離子反應后的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)負電，而Fe2+和Fe3+則呈現(xiàn)正電，由前面的試驗現(xiàn)象，初步推測出現(xiàn)此情況的原因是Fe2+和Fe3+與封塵劑發(fā)生反應后生成絡(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，從大到小依次排序為Mg2+>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 掃描電鏡測試

為了探究封塵劑顆粒的表面性質(zhì)，用掃描電鏡對原樣顆粒和溶于水后又烘干的封塵劑顆粒分別進行了試驗檢測，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，當試驗溫度從30 ℃升高至65 ℃時，封塵劑粘度基本保持不變。降溫趨勢與升溫趨勢重合，粘度前后基本不變，表明溫度的升降不改變封塵劑的化學性質(zhì)，封塵劑在夏季與冬季溫差大的情況下，對封塵劑濃度進行相應調(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一致，其主要作用是封塵劑達到穩(wěn)定粘度的作用時間，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行操作，不僅可以快速溶解封塵劑，縮短封塵劑溶解時間，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)負電，而Fe2+和Fe3+則呈現(xiàn)正電，通過試驗現(xiàn)象初步推測出現(xiàn)此情況的原因是Fe2+和Fe3+與封塵劑發(fā)生反應后生成絡(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，從大小到依次排序為Mg2+>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，進行封塵劑配液時要考慮水溶液中離子的影響，避免鐵離子產(chǎn)生。