露天矿化学抑尘剂制备和性能研究

徐国俊 徐占金

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司）

随着露天矿开采技术的进步以及开采规模和设备的大型化发展，露天开采活动产生的粉尘对环境的影响越来越大［1］，粉尘问题不仅加剧了开采设备的磨损，影响其使用年限［2］，而且会因浓度过高引发爆炸等安全事故，同时高浓度粉尘环境严重影响露天矿工作人员的身心健康，大幅度增加了露天矿施工人员的作业难度［3］，长期工作在充满粉尘的环境中会诱发尘肺病，严重者会导致劳动能力丧失或危及生命［4］。

采用传统的治理方法如洒水、遮盖等效率很低，难以达到好的抑尘效果，因此，研究清洁高效的化学抑尘剂是当下研究的热点［5］。目前，传统化学抑尘剂按抑尘机理主要分为4种类型［6］，凝聚型化学抑尘剂、黏结型化学抑尘剂、润湿型化学抑尘剂、复合型化学抑尘剂，新型化学抑尘剂主要包括3种类型［7］：生态环保型化学抑尘剂、功能型化学抑尘剂、高分子化学抑尘剂，传统的化学抑尘剂抑尘效果不是很理想，存在成本高、造成二次污染等缺点［8-9］，所以，使用高分子材料制备价格低廉且抑尘效果好的化学抑尘剂具有重要意义［10］。

1 实验方案

1.1 实验原理

聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性高分子聚合物，它的水溶液具有一定的黏度，通过与马来酸（MA）在高温下发生酯化反应实现酯化交联，该反应实际上是将羰基间接引入PVA的分子链上，在保持整个PVA分子主链不变的情况下生成一种新的聚合物。由于淀粉是具有多羟基的化合物，具有较多的脱水葡萄糖单元，因此淀粉分子中存在大量的可反应基团，将PVA、MA与淀粉作为基料，在硫酸盐、表面活性剂、成膜助剂的作用下，在加热条件下反应生成网状结构，使化学抑尘剂在具有一定黏聚粉尘效用的同时还能产生膜结构进行覆盖，达到固土防尘的目的，进而减少粉尘对人类生产生活的影响。

1.2 实验设计

本研究涉及化学抑尘剂，包括以下组分：聚乙烯醇3%～6%、淀粉2%～6%、马来酸5%～8%、表面活性剂1%～3%、硫酸盐2%～4%、成膜助剂1%～2%，余量为水。

制备方法：将水加热至50℃以上时，加入淀粉，持续加热搅拌使淀粉糊化，待温度上升到65～90℃后加入聚乙烯醇，搅拌10 min后，加入马来酸和硫酸盐继续进行搅拌，5 min后停止搅拌，自然冷却至30～35℃后加入表面活性剂与成膜助剂。

本次研究根据上述配方以及制备方法，预设5种实验方案进行对比研究（表1）。

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2 化学抑尘剂性质分析

2.1 失水率测定

将实验得出的5种化学抑尘剂配比与水进行失水率对比分析，分别喷洒相同质量的5种化学抑尘剂与水到相同质量的土壤上进行实验，取50 g土壤分别喷洒10 g化学抑尘剂与水，分为6组样本放入恒温箱中，设定温度为25℃，并排除其他因素影响，化学抑尘剂与水会随时间进行自然挥发，每隔30 min取出样本进行称重记录，直至化学抑尘剂与水完全挥发，将每组样本总质量减去每时间段记录的质量得出差值，差值与化学抑尘剂与水质量的比值即为对应时间的失水率，将6组计算得出的数据记录（表2）并列表分析。

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根据表2化学抑尘剂与水的6组失水率测定实验所得数据,绘制失水率随时间变化曲线图，使用平滑曲线拟合失水率测定实验数据点，得出失水率随时间的演化规律，将其规律曲线与水的失水率曲线进行对比，分析化学抑尘剂性质。化学抑尘剂失水率随时间增加逐渐增加，当达到180 min时样本水完全挥发，化学抑尘剂中水分并未完全挥发，在0~180 min内化学抑尘剂失水率明显低于样本水失水率。方案1由于聚乙烯醇、马来酸和淀粉含量较少，在酸醇发生酯化反应后与糊化淀粉生成产物黏度较低，所以在5种实验方案中失水率最高；方案5由于聚乙烯醇、马来酸和淀粉含量较多，虽然产生反应后失水率在5种方案中最少，但同时黏度较高。失水率作为化学抑尘剂性质评定中的一个重要指标，直接影响了化学抑尘剂的持续抑尘效果，从上述图表中可知，5种实验方案均具有较低的失水率，在相同的时间内保湿性更强，水分更不易流失。

2.2 沉降率测定

实验室配有空气质量变送器进行粉尘浓度测量，其本身可以壁挂或放置使用，外壳具有较高的防护等级和较好的防水性，适用于各类公共场合，采用激光散射测量原理，通过数据双频采集技术进行筛分，得出单位体积内等效粒径的颗粒物粒子个数，并以科学算法计算出单位体积内等效粒径的颗粒物质量浓度，保证设备长期稳定在0～1 000μg/m3测量范围，双频数据采集及自动标定技术一致性可达±10%，响应速度≤90 s，随后通过485总线将粉尘浓度数据传输至环境监控平台，进行粉尘浓度监测，并绘制实时浓度曲线，手机电脑可随时通过环境监控云平台查看，不仅在粉尘浓度超标会后有报警提示，还可以将后台记录粉尘浓度数据导出，进行计算研究（图1）。

进行实验室化学抑尘剂沉降效果测定，将化学抑尘剂实验方案与水分成6组进行抑尘效果测定。取50 g煤粉在相同风速条件下，进行粉尘逸散相似模拟；在不改变此条件的情况下，分别使用相同质量的化学抑尘剂及水进行喷洒，随后使用空气质量变送器进行粉尘浓度测定，并根据程序输出数据，每隔一秒进行记录当前粉尘浓度，将起始粉尘浓度数值减去对应时间粉尘浓度，所得差值与起始粉尘浓度之比即为沉降率，将计算所得数据按时间与沉降率对应记录，如表3所示。

以1 s为记录数据的时间间隔，记录五组化学抑尘剂以及水总共6组沉降率随时间变化数据，当时间达到6 s时化学抑尘剂最高沉降率已达90%以上，此时停止数据记录，由统计数据可知，无论是哪种化学抑尘剂，沉降率都明显高于水的沉降率，5种化学抑尘剂在1～6 s内记录的6个时间节点的沉降率均高于水的沉降率，化学抑尘剂拟合曲线平均水平均高于水的拟合曲线，可以看出方案3沉降率在5种方案中最高，方案1沉降率在5种方案中最低，5种化学抑尘剂沉降率为水的1.38～1.47倍不等，化学抑尘剂沉降率方案3＞方案2＞方案4＞方案5＞方案1，由数据可知5种方案无论时效性还是最终抑尘效果，均具有良好表现。

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2.3 基本性质测定

对5种化学抑尘剂实验方案进行pH值、表面张力、渗透性、黏度、保存时间等性质测定分析，化学抑尘剂pH值排序：方案1＞方案3＞方案4＞方案5＞方案2，由于酸醇发生酯化反应剩余有未完全反应的马来酸以及催化剂硫酸盐，化学抑尘剂整体呈酸性；化学抑尘剂黏度排序：方案5＞方案4＞方案3＞方案2＞方案1，由于聚乙烯醇与糊化淀粉本身都具有一定的黏度，通过一系列反应混合后会产生大量的膜结构，导致化学抑尘剂具有一定的黏度；化学抑尘剂保存时间排序：方案3＞方案2＝方案5＞方案4＞方案1，由统计数据可以看出化学抑尘剂均有10 d以上较长的保存时间，具备足够的时间条件进行使用。

化学抑尘剂表面张力和渗透性是衡量化学抑尘剂抑尘效果的重要指标，两者之间存在着间接的影响，得到各化学抑尘剂方案与其相对应的表面张力及渗透性关系，如图2所示。

化学抑尘剂表面张力排序：方案5＞方案4＞方案3＞方案1＞方案2，由于原反应原料在溶于水后具有一定的黏度，导致溶液表面张力较高，通过添加表面活性剂使得化学抑尘剂整体具有较低的表面张力；化学抑尘剂渗透性排序：方案2＞方案1＞方案3＞方案4＞方案5，化学抑尘剂的表面张力间接影响其渗透性，由于表面张力减小致分子间作用力降低，化学抑尘剂中分子分散度更高，且具有较高的渗透性。

将实验室测得的5种化学抑尘剂方案的成分、pH值、表面张力（mN/m）、渗透性（mm/h）、保存时间（d）、黏度（mPa·s）、沉降率（%）以图表的方式直观展现出来，便于分析各化学抑尘剂实验方案之间的物理化学性质，再结合现场实际情况选出最优方案，如表4所示。

3 结 论

注：成分（质量比）为淀粉∶聚乙烯醇∶马来酸∶硫酸盐∶表面活性剂∶成膜助剂

（1）利用聚乙烯醇优越的水溶性和黏结性等特点，将具有强黏结型的改性淀粉以及与聚乙烯醇能发生良好酯化反应的马来酸为主要原料，在其余辅料的作用下，制备了一种清洁高效且符合产品指标要求的化学抑尘剂，根据实验结果得出，化学抑尘剂的适宜工艺配方为聚乙烯醇4%、淀粉4%、马来酸7%、硫酸盐3%、表面活性剂2%、成膜助剂1%，余量为水。

（2）该化学抑尘剂的吸湿、保水性较好，在具有较好抑尘效果的同时能够增加粉尘的湿度以及黏度，防止喷洒后尘土干裂，起到固土防尘的效果，延长了抑尘时间并改善了抑尘效果。

（3）由于该化学抑尘剂本身具有一定的黏度，对粉尘颗粒具有一定的捕捉能力，能在喷洒的同时黏结空气中的粉尘，并在喷洒后形成一定的固化层覆盖在粉尘表面，防止二次扬尘，可适用于露天矿静态及动态作业情况，具有较好的抑尘效果。