李 明，賴慧楠，關(guān)子杰，仇林玲

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083)

0 引言

粉塵污染是我國環(huán)境污染主要問題之一，同時也會給作業(yè)場所人員的職業(yè)健康安全帶來不利影響，水霧除塵作為主要粉塵防治技術(shù)，在工礦企業(yè)、城市公共區(qū)域、建筑施工現(xiàn)場等開放空間廣泛應(yīng)用[1-3]。但水霧除塵技術(shù)對呼吸性、憎水性粉塵捕塵效率較低，抑塵持續(xù)作用時間短，且易出現(xiàn)2次揚塵等問題。研究人員通過引入化學(xué)抑塵技術(shù)[4-6]，彌補水霧除塵技術(shù)不足：Zhou等[7]研究表面活性劑與無機鹽配合煤塵抑塵優(yōu)化配方；Wang等[8]用表面張力、接觸角、CMC等參數(shù)研究多種表面活性劑濕潤性能；Zhou等[9]研究不同表面活性劑溶液濃度下靜態(tài)潤濕特性和抑塵效率；Shi等[10]研究陰離子和非離子表面活性劑復(fù)配時抑塵效果；Yao等[11]研究表面活性劑與粉塵表面化學(xué)結(jié)構(gòu)相似性對潤濕效果影響；Wang等[12]研究表面活性劑濃度、霧化效率與捕塵效率間關(guān)系?，F(xiàn)有研究對復(fù)合抑塵劑組分選取具有一定隨機性和主觀性，針對抑塵劑選擇沒有明確方案[13]。因此，本文通過分析水霧抑塵作用過程，從理化分析角度提出水霧抑塵劑優(yōu)選方法。

1 水霧抑塵作用機理

水霧抑塵分為水霧捕塵沉降與塵霧沉降后2個階段：

1)水霧捕塵沉降階段：細(xì)分為塵霧碰撞、塵霧耦合、塵霧結(jié)合體沉降過程，水霧捕塵沉降過程如圖1所示。塵、霧顆粒在空氣中發(fā)生接觸、碰撞作用，但因塵霧理化性質(zhì)、運動參數(shù)不同，可能發(fā)生浸濕包裹(即塵霧耦合，形成塵霧結(jié)合體)、黏附或彈開等現(xiàn)象[14]。塵霧耦合成功率直接決定宏觀水霧捕塵效率。塵霧形成的結(jié)合體沉降受大氣環(huán)境運動參數(shù)、結(jié)合體理化參數(shù)等影響，沉降過程存在2次耦合、塵霧分離等情形。

圖1 水霧捕塵沉降過程

2)塵霧沉降后階段：塵霧結(jié)合體沉降至地面后，為防止2次揚塵，應(yīng)考慮延長塵霧結(jié)合體保水性能、與地面黏結(jié)強度及持續(xù)時間。抑塵劑吸濕作用機理如圖2所示。當(dāng)塵霧結(jié)合體部分水分蒸發(fā)后，因過飽和析出的抑塵劑物質(zhì)存在大量微孔隙，空氣中水蒸汽因氣壓擴散進(jìn)入微孔隙,并因毛細(xì)凝聚作用液化，從而完成吸濕過程[15]。

圖2 抑塵劑吸濕作用機理

此外，可從提高塵霧結(jié)合體黏結(jié)性能考慮,具體包括化學(xué)成鍵作用，粉塵與抑塵劑形成化學(xué)鍵，或塵霧結(jié)合體與沉降接觸表面形成化學(xué)鍵，進(jìn)而形成穩(wěn)定整體；粉塵與抑塵劑分子間存在范德華引力作用；抑塵劑滲入塵堆或沉降接觸面孔隙，增大抑塵劑與粉塵、接觸面間黏結(jié)作用，進(jìn)而增加抑制2次揚塵所需摩擦力[16]。

2 抑塵劑優(yōu)選主要理化因素

塵、霧耦合作用效果取決于粉塵與抑塵水霧理化性質(zhì)，良好抑塵效果需要兩者最佳匹配。

2.1 粉塵理化因素

一般粉塵粒徑分布越小，潤濕所需液滴表面張力越低[17-18]。粉塵表面孔隙大小、分布及形狀等影響抑塵劑物理吸附。粉塵表面成分影響抑塵劑中黏結(jié)劑選擇，當(dāng)黏結(jié)劑與粉塵以化學(xué)鍵連接時黏結(jié)效果較好。粉塵荷電量及電性影響與抑塵水霧液滴相互作用，最終影響抑塵效果[19-21]。

2.2 抑塵劑理化因素

本文針對抑塵劑3大重要組分(潤濕劑、吸濕劑和黏結(jié)劑)理化性質(zhì)展開分析討論。

1)潤濕劑理化性質(zhì)

潤濕劑主要用于降低水霧表面張力，增強對粉塵表面潤濕性，組分一般為表面活性劑、輔助性無機鹽或pH調(diào)節(jié)劑。

①表面活性劑

一般疏水基結(jié)構(gòu)影響表面分子緊密排列時分子間距，間距越小，分布在抑塵水霧表面活性劑分子越多，其降低表面張力能力越強[22]。如八烷基磺酸鈉，可通過在疏水端中引入碳碳雙鍵、醚基(—O—)改變疏水基結(jié)構(gòu)，通過利用Chemdraw 3D能量最小化功能，找到分子間距使分子能量最小位置，分析得到2個分子化學(xué)能最低狀態(tài)時，親水端間距分別為4.4 ?、3.9 ?，相比疏水基5.4 ?小。即在八烷基磺酸鈉疏水端引入碳碳雙鍵和—O—基團后，兩分子間距變小，分子排列更加緊密。不同疏水基表面活性劑分子距離如圖3所示。此外，在表面活性劑疏水鏈間引入氫鍵，可改變其相互作用，拉近分子間距離，疏水鏈間有無氫鍵間距對比如圖4所示。

圖3 不同疏水基表面活性劑分子距離

圖4 疏水鏈間有無氫鍵間距對比

綜上，通過在抑塵表面活性劑疏水鏈間引入碳碳雙鍵、—O—基團，或使其疏水鏈間形成氫鍵，均能減少分子緊密排列間距，降低抑塵劑表面張力。

粉塵親水、親油性通過油水分配系數(shù)(LogP0)表征，通過測定粉塵在正辛醇和水中溶解度，計算2者比值對數(shù)得到LogP0值。為實現(xiàn)粉塵與表面活性劑親水、親油性匹配(即2者油水分配系數(shù)接近)，采用Chemdraw 3D中ClogP預(yù)測不同親水基類型、碳原子數(shù)、支鏈數(shù)和不飽和度表面活性劑LogP變化規(guī)律，不同類型表面活性劑LogP如圖5所示。其中圖5(a)A1分子結(jié)構(gòu)為CH3—(CH2)11—C6H6—SO3—Na，A2為CH3—(CH2)11—SO3—Na。

圖5(a)以12個直碳鏈?zhǔn)杷鶠槔煌H水基類型結(jié)果表明多元醇、聚氧醚及硫酸鹽型表面活性劑親水性較強，亞砜型和磺酸鹽型親油性較強；圖5(b)以十二烷基磺酸鈉為基準(zhǔn)，不同碳鏈長度結(jié)果表明抑塵劑碳原子數(shù)越少，親水性越強；圖5(c)以十二烷基磺酸鈉為基準(zhǔn)，通過依次在疏水鏈中加入1～4個雙鍵改變不飽和度，結(jié)果表明不飽和度越高，親水性越強；圖5(d)以十二烷基磺酸鈉為基準(zhǔn)，將主鏈分2、3、4個支鏈進(jìn)行分析，表明支鏈數(shù)越多，親水性越強。

圖5 不同類型表面活性劑LogP

綜上，多元醇、聚氧醚及硫酸鹽型表面活性劑親水性較強；表面活性劑親水、親油性可通過改變疏水鏈碳原子數(shù)、支鏈數(shù)和不飽和度實現(xiàn)。

②輔助性無機鹽或pH調(diào)節(jié)劑成分

對離子型表面活性劑而言，引入與其相反、移動能力強的離子，能削弱離子型表面活性劑親水基靜電排斥作用，使排列更緊密[23]。

引入離子會影響荷電性粉塵，當(dāng)粉塵、離子型表面活性劑電性相同時，可加入異號高強度離子，離子被吸附在荷電粉塵周圍，降低荷電粉塵對外表現(xiàn)凈電量，從而促進(jìn)表面活性劑對荷電粉塵吸附作用。

2)吸濕劑理化性質(zhì)

吸濕劑一般為多孔結(jié)構(gòu)能自發(fā)吸濕的物質(zhì)，如吸濕性鹽類、小分子有機物和低分子聚合物等，吸濕能力受組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)影響。

①組成：對于鹽類吸濕劑電量高、半徑小的離子對極性水分子能產(chǎn)生較大靜電引力，吸濕性更強；對于聚合物和小分子有機物類吸濕劑，吸濕性與親水官能團有關(guān)，親水官能團極性越強、數(shù)量越多對水分子吸引越強，吸濕效果越好。

②結(jié)構(gòu)：吸濕劑孔隙大小、數(shù)量直接影響水蒸汽吸附量及液化能力，孔隙越小、數(shù)量越多，吸濕性越強[24]。其中，對于鹽類吸濕劑，不同晶胞類型、結(jié)晶生長環(huán)境均會導(dǎo)致孔隙大小、數(shù)量不同，晶體結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)原子也會造成結(jié)晶時晶體變形，產(chǎn)生新間隙。由于有機高分子聚合物具有多級結(jié)構(gòu)，其分子結(jié)構(gòu)、分子間纏繞方式均會影響其孔隙大小。

（3）更好地設(shè)計研發(fā)計劃的組成，成立歐洲創(chuàng)新理事會，加大對創(chuàng)新活動的支持，用新機構(gòu)、新機制有效支持計劃對各類創(chuàng)新行為的投入。

③性質(zhì)：對于降解周期短的吸濕劑，如尿素、氨基酸、聚合糖類物質(zhì)，雖然吸濕效果好，但易被微生物降解或變性而失效，有效作用時間較短；當(dāng)吸濕劑過飽和析出，才可從空氣中吸附水蒸汽；當(dāng)其溶解度較小時，較少蒸發(fā)量就能飽和析出，重新吸收水分，不易引起2次揚塵。

3)黏結(jié)劑理化性質(zhì)

黏結(jié)劑多為高分子聚合物或小分子無機物，影響?zhàn)そY(jié)性能主要因素包括黏結(jié)劑組份、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及與粉塵相互作用。高分子類具多級結(jié)構(gòu)，其支鏈數(shù)、組成和分子間纏繞方式均會影響其與粉塵黏結(jié)效果，當(dāng)分子結(jié)構(gòu)為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時，黏結(jié)作用效果更佳。

一般抑塵劑溶液黏度越高，黏結(jié)性越強，黏結(jié)劑存在多孔結(jié)構(gòu)具有一定吸濕功能。可在滿足黏結(jié)性要求前提下，優(yōu)選析出后結(jié)晶物孔隙較多物質(zhì)的黏結(jié)劑。

3 從理化角度優(yōu)選抑塵劑

從潤濕劑、吸濕劑和黏結(jié)劑角度分別分析不同抑塵劑優(yōu)選策略，以濕潤劑優(yōu)選為主進(jìn)行闡述。

3.1 潤濕劑優(yōu)選

潤濕劑優(yōu)選主要通過表面活性劑優(yōu)選、輔助性無機鹽優(yōu)選以及pH調(diào)節(jié)劑優(yōu)選3個方面進(jìn)行：

1)表面活性劑優(yōu)選：通過在抑塵劑疏水端引入雙鍵、—O—基團或使鏈間形成氫鍵，降低抑塵液滴表面張力，提高濕潤性能。表面活性劑優(yōu)選主要通過以下4個方面進(jìn)行：

①荷電粉塵：荷電粉塵對極性水分子吸引力強，潤濕效果好。應(yīng)避免選擇親水基荷電性與粉塵相反的表面活性劑，避免親水端吸附在粉塵上，降低粉塵可濕性。荷電粉塵與異號離子型表面活性劑不良吸附狀態(tài)如圖6所示。

圖6 荷電粉塵與異號離子型表面活性劑不良吸附狀態(tài)

一般優(yōu)選策略包含2部分：考慮非離子活性劑或與粉塵荷電同性離子型活性劑；考慮在疏水鏈端引入親水基團以增加疏水端極性，如—OH、—NH2等，促進(jìn)粉塵與活性劑間荷電吸引。對于正電荷粉塵，可在疏水鏈尾端引入苯環(huán)、不飽和鍵等電子密度較高基團；對于負(fù)電荷粉塵，可在疏水鏈尾端引入硝基、羧基等吸電子基團，促進(jìn)疏水基在粉塵上吸附作用。

②親水、親油性匹配：粉塵與表面活性劑LogP相近，可促進(jìn)表面活性劑吸附。對親水性粉塵，可選擇硫酸鹽、聚氧乙烯醚和多元醇類等LogP較小的表面活性劑；對疏水性粉塵，如煤塵，可選擇LogP較大的磺酸鹽、亞砜型等表面活性劑?？赏ㄟ^改變疏水基鏈長、不飽和度及支鏈數(shù)調(diào)整LogP值。

圖7 粉塵與液滴接觸狀態(tài)

④表面活性劑濃度：一般當(dāng)表面活性劑分子能單層包裹粉塵且緊密排列在液滴表面時，其使用效率最高，最佳濃度c如式(1)所示：

(1)

式中：As為單個分子平均占有面積，m2；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；r為結(jié)合體半徑，m；rd為液滴初始半徑，m；rp為粉塵特征半徑，m。

對于PM10粉塵，最佳水霧捕塵粒徑為粉塵粒徑6～13倍[25]，取rd=10rp，代入可得最佳濃度c。

2)輔助性無機鹽優(yōu)選

根據(jù)粉塵表面物質(zhì)組成及已選表面活性劑，不應(yīng)選用與粉塵反應(yīng)生成沉淀、與表面活性劑生成弱電解質(zhì)或沉淀、造成表面活性劑鹽析的無機鹽作為輔助無機鹽。

可通過在荷電水霧中加入導(dǎo)電性較好的強電解質(zhì)鹽，使水霧更易荷電。常見強電解質(zhì)包括氯鹽、硫酸鹽等，但應(yīng)注意離子溶液環(huán)境，防止發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

當(dāng)粉塵與離子型表面活性劑電性相同，如負(fù)電荷粉塵使用陰離子表面活性劑時，可引入移動能力強、離子強度高的正離子，降低粉塵凈負(fù)電性，減少粉塵與表面活性劑排斥。

3)pH調(diào)節(jié)劑優(yōu)選

pH調(diào)節(jié)劑應(yīng)選用不與其它組份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。對酸性情況，pH值調(diào)節(jié)范圍∈[max(皮膚耐受最低pH，環(huán)境耐受最低pH，不破壞其他組份的最低pH)，7]；對于堿性情況，pH值調(diào)節(jié)范圍∈[7，min(皮膚耐受最高pH，環(huán)境耐受最高pH，不破壞其他組份的最高pH)]。一般pH取6～8為宜。

3.2 吸濕劑優(yōu)選

濕潤劑優(yōu)選原則，不選與濕潤劑發(fā)生反應(yīng)或破壞濕潤效果的化學(xué)材料。對無機鹽類吸濕劑，優(yōu)選孔隙相對大的體心立方晶胞結(jié)構(gòu)，能充分溶解但溶解度相對較小的物質(zhì)，或使用混合無機鹽增加結(jié)晶孔隙。對有機類吸濕劑，可優(yōu)選含—OH、—NH3等極性強能形成氫鍵的基團，增大與水分子間相互吸引力。優(yōu)選空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜(有支鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或體型結(jié)構(gòu))，能形成較多孔隙的吸濕劑，可通過顯微鏡觀察析出物孔隙數(shù)目。

3.3 黏結(jié)劑優(yōu)選

優(yōu)選黏度性能高、交聯(lián)網(wǎng)狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的黏結(jié)劑。在不考慮粉塵回收再利用情況下，可優(yōu)選能與粉塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的黏結(jié)劑。水霧粒徑受抑塵溶液黏度直接影響，為滿足水霧粒徑要求，應(yīng)考慮溶液黏度上限值。根據(jù)霧化粒徑與液滴性質(zhì)關(guān)系式[26]，通過計算可獲得最大動力黏度η1max如式(2)所示：

(2)

式中：dd為霧滴直徑，m；γ為表面張力系數(shù)，N/m；ρ為液滴密度，kg/m3；Q為質(zhì)量流量，kg/s。

綜上可知，在初選潤濕、吸濕和黏結(jié)組分時，需考慮各組份間相互影響。通常采用綜合抑塵性能實驗合理確定各組分最優(yōu)濃度配比，例如全面實驗法、正交實驗和均勻?qū)嶒灧ǖ取?/p>

4 結(jié)論

1)復(fù)合抑塵水霧分為水霧捕塵沉降階段和塵霧沉降后階段。其中，沉降階段可細(xì)分為塵霧碰撞、塵霧耦合、塵霧結(jié)合體沉降過程。

2)潤濕劑組份，首先考慮降低抑塵溶液表面張力，優(yōu)選疏水端含有碳碳雙鍵、醚基或鏈間有氫鍵的表面活性劑；對于親水性粉塵，可選硫酸鹽、聚氧乙烯醚及多元醇型；對于親油性粉塵，可選磺酸鹽、亞砜型表面活性劑。通過改變疏水基鏈長、不飽和度和支鏈數(shù)，實現(xiàn)塵霧親水、親油性匹配。對于荷電粉塵，優(yōu)選非離子或與粉塵電荷同性的離子型表面活性劑，也可在疏水鏈末端引入親水或異性電荷基團。

3)吸濕劑組份，可選體心立方晶胞結(jié)構(gòu)、易溶且溶解度較小的無機鹽或混合配方無機鹽，或者含—OH、—NH3等極性強，能形成氫鍵的基團及空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機吸濕劑成份。

4)黏結(jié)劑組份，優(yōu)選黏度性能高、交聯(lián)網(wǎng)狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子聚合物，當(dāng)不考慮粉塵回收利用時，可優(yōu)選能與粉塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。