新型化学防尘控制技术试验及应用

张 岩

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)



新型化学防尘控制技术试验及应用

张 岩

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

摘要：指出了为有效抑制粉尘飞扬，研制了两种新型的抑尘剂。运用正交试验方法，对两种新型抑尘剂的配方进行了优化，以无侧限抗压强度、间接抗拉强度及水稳定性为指标初步确定了两种新型抑尘剂的最佳配比。同时将得到的最优配比的抑尘剂应用到实际中，并通过电镜进行了微观分析,结果表明：两种新型抑尘剂的抑尘效果明显高于纯水，尤其是抑尘剂-1的效果最佳。

关键词：粉尘；防尘控制技术；抑尘剂

1引言

粉尘污染在空气污染中占有很大的比例，很多工作活动都会产生细颗粒粉尘，威胁到人体的健康[1]。由于粉尘颗粒大多非常细小，遇风易飞扬，对周围附近人员的健康和安全造成不良影响。例如造成毒害和刺激，降低能见度，引起设备磨损腐蚀等。为此国内外在粉尘控制技术方面进行了大量的研究，使得防尘技术水平不断地完善和提高。近年来国内外研究出了许多的新型除尘方法及除尘设备。其中化学抑尘[2]是近年来我国发展起来的一项防尘新技术，实践证明其防尘效果很好，特别是降低对人体有害的呼吸性粉尘效果更加明显，但针对化学抑尘的研究还比较薄弱，现有的各种抑尘剂存在性能单一、工艺复杂、成本高、污染环境及应用推广度不够等问题。因此，研究开发适用范围更广、性能更稳定、效果更明显、价格更低廉、污染更小的抑尘剂具有明显的经济及社会效益。笔者在论述化学抑尘技术的基础上，研制了抑尘效果好、稳固周期长、成本低廉及污染小的新型抑尘剂。

2新型化学抑尘剂的组成及性能

抑尘剂-1：由海藻酸钠和氯化钙组成。

成膜剂、粘结剂——海藻酸钠：具有成凝胶和成膜的能力，其含有大量游离的羧基，性质活泼，具有很高的离子交换功能，极易与Ca2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+等离子发生交换，形成三维网状结构的凝胶来抑制粉尘飞扬。

保湿剂、助剂——无水氯化钙：吸湿能力极强，能吸收大气中的水分，增加粉尘颗粒的单重，并能与海藻酸钠发生交联反应，生成交联的三维网状的海藻酸钙聚合物。

抑尘剂-2：由羧甲基纤维素钠、硅酸钠组成。

成膜剂、粘结剂——羧甲基纤维素钠：具有粘合、增稠、增强、保水作用，粘度在pH值为6～9时最佳。因此常作为絮凝剂、螯合剂、增稠剂、保水剂、成膜材料。

保湿剂、粘结剂——硅酸钠：溶于水成粘稠溶液，是一种无机粘合剂，可作为粉尘粘结剂。

3化学抑尘稳固性的测定

3.1无侧限抗压强度和间接抗拉强度试验

基于《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057—94)进行无侧限抗压强度试验和间接抗拉强度试验。

将养护后的圆柱形试件置于强度测力仪的升降台上，调节升降旋钮和速度控制旋杆，保持mm/min的恒定速率增加。抗压强度Rc按下式计算，试验原理如图1所示。

Rc=P/A

(1)

式中：P为试件破坏时的最大压力(N)；A为试件的截面积，A=πd2/4，d为试件的直径(mm)。

图1　无侧限抗压强度原理

对圆柱形试件不加垫条直接施加径向压力[3]，直至试件被压裂，如图2。劈裂强度Ri按下式计算：

Ri= 2P/ (πdL)

(2)

式中：P为试件破坏时的最大压力(N)；L为试件的长度(mm)；d为试件的直径(mm)。

3.2水稳定试验

将试件浸泡于水中(保持试样不被破坏且体积恒定)，10 min后取出并擦干试件表面的水分，然后测定其无侧限抗压强度值。在此用水稳定系数Kr来衡量其水稳定性。水稳定系数Kr按下式计算：

Kr=R浸水/R标准

(3)

图2　劈裂法(巴西圆盘试验)原理

式中：R标准为标准状态下的抗压强度，MPa；R浸水为浸水状态下的抗压强度，MPa。

4抑尘剂最佳配比的确定

4.1抑尘剂的选择配比

利用蒸发率(SVR)的变化情况评价保湿剂对粉尘的作用能力[4]，以确定试剂的百分比范围。在此研究了不同质量分数的吸湿保水材料(硅酸钠和无水氯化钙)的抗蒸发特性。

根据试验结果，得到无水氯化钙和硅酸钠对粉尘的吸湿保水能力，如图3，4。综合考虑氯化钙、硅酸钠的成本及湿润能力，试验最终选择5 %～10 %这一适宜的浓度范围作为正交试验因素水平的选择依据。

图3　不同质量分数的CaCl2对粉尘水分蒸发率的影响

图4　不同质量分数的硅酸钠对粉尘水分蒸发率的影响

其他试剂的剂量范围主要根据实验室配制结果和实际生产中的要求来确定，达到效果显著且节省成本的目的。为确定粉尘中抑尘剂的最佳掺量配比，试验选用L9(34)正交表，各成分均取3个水平，并以无侧限抗压强度、间接抗拉强度和水稳定性3个指标作为抑尘效果的考核指标。

4.2试件的制备和养护

按既定的各种配比制备抑尘剂，将其与普通粉尘拌和均匀，对照组试件按最佳含水量拌和，然后将配好的粉料分3次压入试模中，最后将试件脱模即得Φ50 mm×50 mm圆柱形试件。将成型的试件在自然条件下养护，完成抑尘剂与粉尘颗粒之间的各种物化反应，养护龄期为14 d。

4.3实验结果及分析

采用极差分析法对表1正交试验结果进行分析得到：①无侧限抗压强度试验得到最优配方方案0.5 %海藻酸钠+5 %氯化钙；重要顺序：氯化钙>海藻酸钠。②水稳定试验得到最优配方方案2 %海藻酸钠+0 %氯化钙；重要顺序：海藻酸钠>氯化钙。③间接抗拉强度试验得到最优配方方案1 %海藻酸钠+5 %氯化钙；重要顺序：海藻酸钠>氯化钙。④综合考虑实用性及经济性最终选得抑尘剂-1的最佳配比为：1 %海藻酸钠+5 %氯化钙。

表1　抑尘剂-1的正交试验结果

采用极差分析法对表2正交试验结果进行分析得到：①无侧限抗压强度试验得到最优配方方案0.2 %羧甲基纤维素钠+10 %硅酸钠；重要顺序：硅酸钠>羧甲基纤维素钠。②水稳定试验得到最优配方方案0.2 %羧甲基纤维素钠+0 %硅酸钠；重要顺序：硅酸钠>羧甲基纤维素钠。③间接抗拉强度试验得到最优配方方案0.2 %羧甲基纤维素钠+10 %硅酸钠；重要顺序：硅酸钠>羧甲基纤维素钠。④综合考虑实用性及经济性最终选得抑尘剂-2的最佳配比为：0.2 %羧甲基纤维素钠+10 %硅酸钠。

表2　抑尘剂-2的正交试验结果

表3　对照组(只加纯水)试件实验结果

由上述实验结果可知：抑尘稳固效果不是随抑尘剂掺量的增加而增大，避免了盲目加大试剂用量而带来的成本浪费；只加纯水的试件培养一段时间后浸泡于水中，试验结果见表3，由于粉尘颗粒之间没有形成网状膜，粉尘颗粒之间的粘结力不及添加抑尘剂的试件；在粉尘中添加海藻酸钠和氯化钙，加入羧甲基纤维素钠及硅酸钠都可明显提高粉体的结构强度，相对于在粉尘中添加单一的海藻酸钠、羧甲基纤维素钠的抑尘效果较好。

5抑尘剂实际应用研究

将粉尘按照表4添加最佳配方抑尘剂-1、抑尘剂-2及水，制成圆柱形试件。将成型的试件置于自然状态下分别养护3 d、7 d、14 d、28 d，之后取出进行无侧限抗压强度试验。

表4　试件的无侧限抗压强度

由表4可知，在粉尘中喷水的抑尘效果不及2种抑尘剂的作用效果，其中抑尘剂-1的效果较抑尘剂-2的效果显著。

通过扫描电镜[5]定性分析养护好的粉尘样本，观察其微观形貌，见图5～8。

图5　原状粉尘×500、×2000倍的电镜下微观形貌

图6　加水粉尘×500、×2000倍的电镜下微观形貌

由图5～8可以观察到粉尘的微观结构中颗粒与颗粒之间的关系，添加水及抑尘剂的粉尘的团聚程度明显高于未经处理的原状试样。相比与加水和抑尘剂-2，抑尘剂-1的抑尘固结程度更好，粉尘的团聚体的粒径较大。

图7　加抑尘剂-1的粉尘×500、×2000倍的电镜下微观形貌

图8　加抑尘剂-2的粉尘×500、×2000倍的电镜下微观形貌

将处理后的粉尘放大至20000倍，见图9。可以看出在粉尘颗粒之间充满着凝胶状和纤维状水化物物质，这些水化物与粉尘颗粒牢固地胶结在一起，形成了很高的强度。它是抑尘剂与粉尘颗粒及自身相互反应产生的。这些凝胶物质覆盖在粉尘颗粒表面并将颗粒包裹成较大的团粒状结构，这些团粒状结晶体排列非常紧密，从而使粉尘具有一定的强度和稳定性，这些微观形貌照片恰恰充分证实抑尘剂对粉尘颗粒的包裹、网状连接和孔隙填充作用。

图9　处理后的粉尘×20000倍的电镜下微观形貌

6结论

(1)基于无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验及水稳定试验，研究了有效测定化学抑尘剂抑尘效果的测量方法。

(2)基于吸水、保湿、凝结原则，充分考虑各试剂的性价比、污染等问题确定了2种抑尘剂的组分。通过对2种新型的抑尘剂的正交试验，对其配方进行了优化，其最优配比分别为1 %海藻酸钠+5 %氯化钙，0.2 %羧甲基纤维素钠 + 10 %硅酸钠。

(3)基于2种新型抑尘剂的最优配比，研究了应用在实际的抑尘效果，可显著增强粉尘颗粒间的相互作用，提高抑尘、除尘效果。

通过实验，研究出了抑尘效果好、稳固周期长、成本低廉及污染小的新型化学抑尘剂，并运用科学合理的剂量来改善和提高粉体物理力学性质及工程性质(如抗压、抗剪、抗冲刷和抗渗能力)，从而使粉尘颗粒相互积聚稳固，达到防尘、抑尘目的。

参考文献：

[1]李锦,柳建龙.改良MPS型抑尘剂在料堆防尘中的试验研究[J].工业安全与防尘,2000(1):13～15.

[2]彭小兰,吴超.化学抑尘剂新进展研究[J].中国安全生产科学技术,2005,1(5):44～47.

[3]杨同,王宝学,孙林，等.垫条方式对岩石劈裂试验的影响分析[J].勘察科学技术,2002(1):3～7.

[4]李建法.新型高分子沙土稳定材料的研制与应用[D].南京:中国林业科学研究院林产化学工业研究所,2003:110.

[5]Sugano Masashi, Yamazaki Yoshio, Ikeda Masaaki, et al. Image forming apparatus with an unapproved copy preventing means. USP：5481378[P].Washington:USP, 1996-01-02.

Experimental Study and Application on Neotype Chemical Dust Control Technology

Zhang Yan

(The40thInstituteofChinaElectronicsTechnologyCorporation,Bengbu233010)

Abstract:To effectively suppress dust floatfrom flying about, two new types of dust suppression agents were developed. With orthogonal test method, the formula of two new dust suppression agents was optimized, and with three indexes of unconfined compressive strength, water stability and indirect tensile strength, the best proportions of dust suppression agents was determined primarily. Meanwhile, the optimal proportions of dust suppression agents was applied to the practice.By electron microscopic analysis, the results showed that the dust suppression agent is better than water, and especially dust suppression agent-1 is the best.

Key words:dust; dust control technology; dust suppression agent

收稿日期：2016-05-09

作者简介：张岩(1987—)，女，助理工程师，主要从事安全技术及安全、职业卫生与环境管理工作。

中图分类号：TU834.6

文献标识码：B

文章编号：1674-9944(2016)10-0068-04