市场现有抑尘剂的性能分析*

2021-10-22张明昌王明枝张少迪吴宇辉王若水

现代矿业 2021年9期

张明昌王明枝张少迪吴宇辉王若水

（1.北京林业大学材料科学与技术学院；2.木质材料科学与应用教育部重点实验室；3.北京林业大学水土保持学院）

粉尘污染是露天煤矿作业中的一大问题，不仅对作业人员的身体健康造成影响，污染矿区周边的环境，而且还会使运输设备的使用寿命大大缩短［1-3］。研究者分析了矿区尘源，发现除爆破作业外，运输作业的产尘在尘源中位居首位［4］，所以对矿区粉尘污染的治理核心是道路运输方面。

露天煤矿的运输道路主要是由碎石和土铺成的简易路面，强度相对较低。在负载煤矿运输车辆的碾压下，路面会遭到破坏从而产生大量的细小粉尘［5］，这些粉尘在受到自然风流、汽车剪切气流和车轮离心力的作用下很容易扬起。影响路面粉尘密度的因素有粉尘的粒径、粉尘总量、粉尘干湿度、汽车行驶速度和自然环境等。根据扬尘机制，抑制路面粉尘的主要方法:①路面铺平，减少车辆振动；②增加矿区路面抗压强度；③提高粉尘湿度和粒径。目前，路面洒水仍是我国露天矿山抑制粉尘的主要方法。虽然洒水是控制粉尘最简单的方法，但该措施存在抑尘时间短、成本高、浪费水资源、效果不理想等问题。此外，在一些极端天气下重复洒水会产生安全问题，所以研制出高效、低成本的道路抑尘剂应用于露天煤矿是非常必要的。

国内外相关学者对抑尘剂进行了大量的研究，并研制出多种不同类型的抑尘剂。国外具有代表性的抑尘剂有南非的ANT-1型疏水防尘剂［6］、日本的THC剂和德国的Mon-tan黏结型抑尘剂［7］，国内的研究起步较晚，主要处于试验室研究阶段。邓兵杰等［8］利用正交试验制备了集吸湿、保水、黏结和凝并等多功能为一体的复合型抑尘剂；潘海军［9］通过复配润湿剂制备了高效环保型化学抑尘剂等。但总体来说，抑尘剂因为成本高、二次污染、原材料来源稀少等原因不能广泛推广应用。该研究旨在对国内市场的6种抑尘剂进行检测，为研究原材料来源广泛、低价高效、绿色环保的抑尘剂奠定基础。

1 试验仪器与材料

试验仪器有DV-1黏度计，PE-20 pH计，BZY-101表面张力仪，电热鼓风干燥箱，美的电风扇，简易模拟喷淋装置，毛细玻璃管，喷壶，电子天平，滴定管，搅拌器，搪瓷托盘（24cm×18cm×2cm）等。

试验材料有任丘市立天化工有限公司（简称A厂家）的产品A1、A2、A3，任丘市鹏宇化工有限公司（简称B厂家）的产品B1、B2、B3；试验土（北京林业大学道路两侧的土），将收集到的土用60目的标准筛筛分后放入50℃的烘箱中烘300 min除去水分；去离子水。

2 试验方案

（1）抑尘剂溶液的配制。将选购好的6种抑尘剂样品分别用去离子水稀释到1%，用搅拌器搅拌均匀后装入密闭容器。

（2）pH值测定。将一定量配置好的抑尘剂溶液倒入烧杯中，采用PE-20型pH值计测试抑尘剂的pH值，待显示屏中的数值稳定后读取，每个试样重复测试3次，取平均值。

（3）黏度测试。采用DV-1黏度计进行黏度测定，参考DV-1型黏度仪的使用说明，由于抑尘剂产品黏度范围不确定，因此转子的选择应从大号且低转速开始，然后逐渐减小，直至找到合适的转子及转速。

（4）表面张力测定。将配制好的抑尘剂溶液倒入表面皿中，高度大于5 mm，然后用JZHY-180表面张力测定仪进行测定。每个试样重复测试3次，取平均值。

（5）渗透性测定。渗透性测定参考文献［10］所用方法，采用向下渗透试验，具体试验过程为:①将过筛的粉尘装入透明玻璃管中振动夯实，使玻璃管中所装土的高度大于20 cm，然后将其垂直固定好；②通过滴定管吸取定量的抑尘剂溶液，慢慢滴入装有粉尘的玻璃管中，记录在30 min时抑尘剂的渗透深度；③通过公式计算得出溶液的渗透速度（v为抑尘剂溶液的渗透速度，mm/min；l为抑尘剂溶液的渗透深度，mm；t为渗透时间，min）。

（6）固化层性能测试。将筛分好的土装入搪瓷托盘中，将土样振动夯实且保持平整。将配制好的抑尘剂溶液按2 L/m2的量喷至土样表面，让其自然渗透并形成固化层。待固化层稳定后测量其3处的厚度取平均值。测量固化层受力处的宽度和厚度，然后输入到微机控制人造板万能试验机中。随着力的增加固化层断裂，记录抗压强度。

（7）抑尘剂风蚀率测定。在搪磁盘中装满筛分好的土样，夯实且保持表面平整。喷好抑尘剂后烘干，用电子天平称重为w1，用电风扇以5 m/s的风速吹土样表面30 min，用电子天平称重记录为w2。按公式计算风蚀率（E为样品风蚀率；w1为风蚀前土样质量，g；w2为风蚀后土样质量，g）。

（8）抗雨淋性能测试。抗雨淋试验是室内模拟试验，具体方法是在搪瓷托盘中装满筛分好的土样，振动夯实且保持表面平整。以2 L/m2的抑尘剂喷至土样表面，然后放入50℃的烘箱中烘300 min，除去水分。使用简易模拟雨淋装置向其表面洒水以模拟降雨，观察煤堆的表面固化层的变化是否出现膨润、起泡、溅蚀、开裂等现象。

3 结果与讨论

3.1 抑尘剂的pH值分析

不同抑尘剂溶液的pH值分析结果见图1。

由图1可见，A厂家3种抑尘剂产品的pH值在6.48～9.92，B厂家3种产品的pH值分别为6.93、9.85和10.03；A1、B2与B3呈碱性，A2、A3与B1呈中性；使用抑尘剂为碱性时，不仅对矿山的水土环境和施工人员的身体不利，还会加速运输设备的腐蚀；为满足抑尘剂产品在安全和环保方面的要求，抑尘剂溶液pH值应呈现中性。

3.2 抑尘剂黏度分析

不同抑尘剂溶液的黏度分析结果见表1。

由表1可知，A厂家抑尘剂溶液的黏度分别为18，14，606 mPa·s，B厂家抑尘剂的黏度在6～11 mPa·s；根据国家铁道部制定的标准［11］，抑尘剂的黏度值应大于5mPa·s，所有产品的黏度均符合国家标准；除A3外，其他5种产品在稀释与喷洒时操作方便、设备要求简单；A3在稀释过程中需要用强力搅拌机搅拌10 min，且向土样表面喷洒时不易形成雾状。

3.3 抑尘剂的表面张力分析

不同抑尘剂溶液的表面张力分析结果见图2。

由图2可见，A厂家抑尘剂的表面张力分别为41.8，51.3，49.8 mN/m，B厂家抑尘剂的表面张力在61.4～70.4 mN/m，2家抑尘剂产品的表面张力相差较大；20℃时纯水的表面张力为72.75 mN/m，6种抑尘剂的表面张力均小于水，所以比水的润湿性好；据相关文献［12］报道，溶液的表面张力在45 mN/m左右时，粉尘更易被润湿；因此A厂家的抑尘剂可以更好地润湿粉尘，从而更利于粉尘之间的黏结，所形成的固化层厚度值更大。

3.4 抑尘剂的渗透性分析

不同抑尘剂溶液的渗透速度见表2。

由表2可知，A厂家抑尘剂中A2的渗透速度最快，为0.67 mm/min；B厂家抑尘剂的渗透速度在1.60～2.83 mm/min；渗透性可通过渗透速度来表征，良好的渗透速度可有效的提高抑尘剂的抑尘效果。

3.5 固化层的性能分析

喷洒抑尘剂的土样表面见图3，不同抑尘剂溶液固化层的性能见表3。

由图3可见，土样表面喷洒抑尘剂后，形成了1层具有一定硬度的固化层；固化层一般为光滑表面，A3由于黏度过大，在喷洒时难以形成雾状，所以固化层表面凹凸不平；固化层表面存在裂隙是由于抑尘剂溶液喷洒不均匀，粉尘之间相互作用出现裂隙，随着固化层中水分的逐渐减少，裂隙会越来越大；固化层是土样的表面保护层，下面仍是相对松散的土质结构，固化层可以隔绝外界环境对松散粉尘的直接作用，从而防止粉尘的飞扬和流失，以达到减少损失和保护环境的目的。

由表3可知，喷洒A厂家3种抑尘剂的固化层厚度分别为9.3，6.7，11.7 mm，B厂家3种抑尘剂的固化层厚度在5.6～7.7mm；A厂家抑尘剂的表面张力较小且黏度较大，所以形成固化层的厚度比B厂家的抑尘剂厚；较厚的固化层保证了较好的抗风、抗雨淋性能；在固化层抗压强度方面，A厂家抑尘剂的抗压强度均为30 kPa，而B厂家抑尘剂的抗压强度在10～60 kPa。

3.6 抑尘剂的抗风性能分析

不同抑尘剂的抗风性能见表4。

由表4可知，所有样品的风蚀率为零，说明6种抑尘剂都具有良好的抗风蚀能力；固化层的抗风蚀性能是抑尘剂性能的关键指标，通过抗风蚀试验，验证所形成固化层抵抗风蚀的能力，对抑尘剂的实际应用性能具有重要的意义。

3.7 抑尘剂的抗雨淋性能分析

淋雨后的土样表面见图4。

由图4可见，土样表面经模拟降雨试验后表现出不同形态；喷洒A厂家抑尘剂的土样表面经过抗雨淋模拟试验后，虽然表面遭到一定程度的破坏，但还存在不完整的固化层；喷洒A3产品的土样抗雨淋性能最佳，其表面的固化层只在水流冲击的位置遭到了微小的破坏；而B厂家的抑尘剂在试验后，土样表面出现起泡现象且固化层破坏严重甚至消失；土样表面固化层试验后的形态反应了抑尘剂的抗雨淋性能，A厂家抑尘剂的抗雨淋性能更佳，归因于产品溶液黏度大且土样表面形成固化层厚度值较高，B厂家抑尘剂在经历自然降雨后可能需要重新喷洒抑尘剂，应用时会受到环境因素的限制。