露天煤矿生态型抑尘剂的制备及性能特征研究

白 志 华

（山西忻州神达朝凯煤业有限公司，山西 忻州 036700）

中国露天煤矿扬尘治理没有得到足够的重视，开采以及堆放完毕后不再进行保护和处理，对环境和附近人员都有不同程度的影响。在煤尘化学抑制剂开发方面，国内外专家学者取得了很多成果，比如俄罗斯利用己内酰胺制备的AHSC 型抑尘剂，美国研制的Conherex 型煤尘抑制剂，日本已经取得专利的SS 型环保抑尘剂，以及中国具有代表性的丙烯酰胺型粘结润湿剂。虽然目前市面上化学抑尘剂有很多种类，但是普遍存在一下缺点和局限性：功能单一、污染环境、原料昂贵、有毒有害、难以降解以及其他二次污染等，并且面对露天煤矿复杂的条件，应用更是受到了限制。

本文立足于朝凯露天煤矿为实际应用情况，选择羟乙基纤维素作为基体，与聚乙烯醇和聚丙烯酰胺为单体制备煤矿结壳抑尘剂，能够有效起到抑制煤尘以及其他扬尘的作用。实验用双引发体系，能够充分激活实际中羟基、酰胺基和羟基等，以N，N- 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，同时加入无机盐CaCl2和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，能够进一步提高该产品的保湿抑尘性。

1 实验过程

1.1 产物制备

把盛有300ml 水的烧杯放在水浴锅中，温度调节为85℃，缓慢均匀撒布羟乙基纤维素（HEC），在氮气保护下糊化30min。糊化完成后调节温度为60℃，在烧杯中加入一定量的过硫酸铵和硫代硫酸钾，等待20min 后加入聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（AM），反应一段时间后缓慢将N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺溶液倒入反应烧杯中，继续加热搅拌20min，加入十二烷基苯磺酸钠和无水CaCl2，搅拌均匀后得到最终产物。

1.2 最佳配比

通过正交试验得出：HEC：PVA：AM 为 5:2:8，引发剂（过硫酸铵和硫代硫酸钾）为HEC 的2%，交联剂（N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺）为PVA 的1.8%，此配比结壳抑尘剂性能最佳。

1.3 红外光谱

将羟乙基纤维素、产物放在真空干燥箱中干燥处理后，进行红外实验研究官能团的变化。

1.4 扫描电镜

将羟乙基纤维素、产物在真空干燥箱中干燥后破碎，用扫描电子显微镜进行观察。

1.5 成壳性

壳体厚度的测定：待喷洒结壳抑尘剂的朝凯露天煤矿煤尘周边泥土，结壳稳定后取粘结形成的壳体壳，观察成壳情况，用邵氏硬度计测试壳体表面硬度，用游标卡尺测量其厚度，每个样品重复测三次求取平均值。

1.6 抑尘性

将所制备抑尘剂喷洒于装在培养皿的朝凯露天煤矿煤尘、周边泥土表面，以及喷洒相同质量的水作为 对 照 。 模 拟 5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s、12m/s、13m/s、14m/s、15m/s 不 同 风 速 ， 风 吹20min 后测定其抑尘率，同时与喷洒水进行对比。实验结果用抑尘率α 表示：

1.7 生态性

将该结壳抑尘剂与朝凯露天煤矿煤粉1:1 混合平铺在培养皿中，待表面干结水分损失率基本不发生变化时（大概经过7 天），将该培养皿放在自然条件下保存，每天记录质量变化，计算分析降解情况。

2 实验结果与讨论

2.1 红外实验

图1 红外谱线

观察图1 的红外光谱可以发现，1601 cm-1处是CMC 与 AM 分子中的 C=O 伸缩振动吸收峰，1420cm-1为产物中- CH、- CH2 的弯曲振动吸收峰，3157cm-1处为 AM 中的 - NH2 伸缩振动吸收峰，2910cm-1处为- CH2 的特征吸收峰，证明AM已经接到了CMC 分子主链上。1090cm-1为PVA 中结晶特征峰C- O，在（c）中- OH 的吸收峰位置发生了变化，偏移到 3367cm-1处，说明 HEC 中 - OH 和 PVA 中的- OH 产生了分子间氢键，虽然两种大分子结构相差较大，但仍然能够相容。

2.2 扫描电镜实验

图2 扫描电镜表面和截面图像

观察图2 制得的结壳抑尘剂电镜照片，可以发现该产物呈现挤压片状空间结构，正是这种特殊的空间结构，产物表面密实度较高，因此产物成壳硬度较高，在风吹作用下，会逐步风蚀表层结构，能够维持较长时间的结壳抑尘性能，且密实的表层构造，在雨淋时能够又具有好的憎水性，水能够经过上表层流走不至于破坏下层结构。截面可以看出空间结构具有一定的空隙结构，能够起到保湿抑尘的作用。

2.3 成壳性试验

图3 朝凯露天煤矿煤尘和周边泥土成壳

观察图3 实验结果，通过比较该结壳抑尘剂在朝凯露天煤矿煤尘与周边泥土的结壳厚度方面，泥土平均结壳厚度更厚，可以抑制露天煤矿坑底煤尘以及矿坑周围无植被的泥土发生扬尘。观察图中壳体情况，可以更加直观的看到成壳情况，在培养皿中能够轻松拿起壳体，成壳情况良好。实验发现在喷洒8h 后，结壳硬度以及抑尘效果已经达到最优状态，再经过12h后效果较之前没有太大变化。

2.4 抑尘性试验

通过观察图4 可以发现，在喷洒结壳抑尘剂后，风速达到6m/s 之前，喷洒水和结壳抑尘剂的煤尘以及泥土抑尘性能变化不大，但随着风速增加，在6m/s～15m/s 风速范围内，喷洒结壳抑尘剂的抑尘性能卓越，风速达到15m/s 时，抑尘率维持在88%左右，但喷洒水的样品抑尘率只有28%左右；同样喷洒水和结壳抑尘剂，在相同风速下，泥土的抑尘率总是偏高于煤粉，作者发现泥土里含有大量细颗粒砂石，这导致泥土的整体密度较大，在于水和结壳抑尘剂形成的表层结构更加密实。因此该结壳抑尘剂具有良好的抑尘性能，覆盖在表面成壳能够有效防止扬尘。

图4 结壳抑尘剂抑尘性能

2.5 生态性实验

在生态降解实验中，培养皿自然条件中的水分、空气、微生物生物等的共同作用下，结壳抑尘剂逐渐分解，质量逐渐损失，分析图5 得知，在20 天以前质量损失较小（8.21%），但是在20 以后质量损失率变化较大（26.90%），一直到40 后质量损失率趋于平缓（2.71%）。这是由于在20 天以前样品表面及内部开始生长菌落，20 天到40 天内菌落开始大量生长，逐渐分解该结壳抑尘剂。通过显微镜观察菌落表面，该菌落是丝状，作者初步判定大部分菌落为放线菌，通过与放线菌电镜图片比对具有一致性。综上能够说明该结壳抑尘剂具有可降解性，对周围环境友好，具有较好的生态环保性。

图5 降解程度

3 结 论

本文通过HEC 与AM、PVA 在双引发体系下，以MBA 作为交联剂，通过添加十二烷基苯磺酸钠和无水CaCl2进一步提高产物性能，制备出成壳性好、耐候性强、抑尘效果显著环境友好型结壳抑尘剂。扫描电镜观察了产物内部结构在结壳抑尘方面具有优越性能。经过正交试验得出该产物最佳配比；通过性能测试实验进一步验证该结壳抑尘剂的作用效果，并且可降解具有较好的生态环保性，有望在朝凯露天煤矿展开实践应用，并且本文思路也为山西忻州神达朝凯煤业有限公司化学抑尘起到了抛转引玉的作用，为企业的可持续发展提供了新思路。