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(nèi)，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(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

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(chǎn)；OP-10，化學純，成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)；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(chǎn)。

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(nèi)。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(xiàn)象，冷卻至40 ℃，倒入質(zhì)量分數(shù)為10%的NaHCO3溶液，調(diào)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)量，g；M2為吹蝕后煤樣的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量，g；Mi為噴水后每隔5 h干燥煤樣的質(zhì)量，g；M2為噴灑自來水的質(zhì)量，g。

1.4.3 抑塵劑對煤質(zhì)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(jīng)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(nèi)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(nèi)能增加，分子熱運動加快，布朗運動現(xiàn)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(nèi)，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(jīng)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(chǎn)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(nèi)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(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)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(zhì)的影響

對于露天煤場來說，煤炭質(zhì)量尤為重要，保證產(chǎn)出煤炭質(zhì)量是實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟效益最大化的途徑之一。抑塵劑對煤質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jīng)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(jīng)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(nèi)，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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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(zhì)量產(chǎn)生影響，對煤的燃燒也沒有副作用，還可提高煤炭的熱值。