露天煤场环保型抑尘剂的制备及性能测试

2021-11-16陈星明周家家许向彬

矿业安全与环保 2021年5期

张川,陈星明,周家家,周亭,许向彬

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.中国平煤神马集团十一矿，河南平顶山 467000)

我国每年煤炭的开采量达到40亿t以上，在较长时期内，煤炭作为我国主体能源的地位不会发生改变[1-3]。随着煤炭资源的过度开采，伴随而来的是对环境的影响，煤炭在露天开采和储放过程中的扬尘，在风力作用下极易形成大量的煤尘扬尘，由于其粒径小，悬浮在空气中不易掉落，成为了大气污染源之一，也造成了煤炭资源的浪费[4-6]。细小的煤尘极易被人体吸入，而长期处于煤尘环境的职工也容易罹患尘肺病等职业病[7-9]；沉降在建筑、植物和水源中的煤尘，不仅影响周边生态环境，还会形成煤污水污染周边水土，严重污染环境[10-12]。对于露天煤场引发的扬尘污染和对周边造成的环境危害是近年来备受关注的问题，传统抑尘技术成本高、长期抑尘效果差，无法满足对抑尘的要求[13-16]；而化学抑尘剂的效果极佳，越来越受到科研人员的重视，喷洒抑尘剂被认为是解决扬尘污染的最佳方法[17-20]。因此，开发高效环保的露天煤场用抑尘剂成为科研人员关注的重点。

笔者以醋酸乙烯酯(VAC)为主要单体，过硫酸钾(KPS)为引发剂，SDS/OP-10为复合乳化剂，采用乳液聚合的方法制备了水溶性高分子抑尘剂，并进行了一系列性能评价，以期为该抑尘剂在露天煤场扬尘防治中的应用提供基础数据和科学依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

主要原料包括：VAC，分析纯，成都市科龙化工试剂厂生产；OP-10，化学纯，成都市科龙化工试剂厂生产；聚乙烯醇1788(PVA1788)、SDS、KPS、邻苯二甲酸酯二丁酯(DBP)、碳酸氢钠NaHCO3，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 抑尘剂制备

在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和滴定漏斗的3口烧瓶中加入4.0 g PVA1788和70 mL H2O，90 ℃ 下搅拌至完全溶解。称取0.3 g KPS，加入 10 mL H2O溶解于烧杯中备用。向以上3口烧瓶里加入 1.0 g OP-10、0.2 g SDS、10.0 g VAC和一半备用的KPS溶液。控制温度在60 ℃的条件下搅拌反应 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口烧瓶中。滴加完毕后，将余下的KPS溶液加入3口烧瓶内。再称取10.0 g VAC置于滴定漏斗中进行滴加(滴加速度控制在0.5 g/min)，单体滴加后，加热回流并逐步升温至90 ℃，回流 90 min，直至无回流现象，冷却至40 ℃，倒入质量分数为10%的NaHCO3溶液，调节pH值至4～6，加上4.0 g DBP，搅拌，冷却得到白色黏稠状环保型抑尘剂。

1.3 抑尘剂表征

采用ZEISS EVO18扫描电子显微镜观测抑尘剂微观形貌；采用NDJ-5S型旋转黏度计测试不同温度下的体积比为2∶100的抑尘剂溶液黏度。

1.4 抑尘剂的性能评价

1.4.1 抑尘剂的抗风蚀性能

选取0.63～1.42 mm粒径的煤样，放置在烘箱中50 ℃的条件下烘300 min，除去水分。取一定量的煤样放于300 mm×210 mm×30 mm的托盘中，使煤样表面与托盘齐平。按体积比2∶100配制抑尘剂溶液，以2 L/m2的抑尘剂用量在托盘中均匀喷洒，室温下自然干燥，24 h后表面形成一个完整的固化层，用鼓风机以6级风力(风速为10.8～13.8 m/s)的条件进行5 min的吹蚀，每组实验测量3次，实验结束后测量煤样质量，计算损失率。煤样的风蚀率计算公式如下：

β=[(M1-M2)/M1]×100%

(1)

式中：β为样品风蚀率；M1为吹蚀前煤样的质量，g；M2为吹蚀后煤样的质量，g。

1.4.2 抑尘剂的保湿性能

将0.63～1.42 mm粒径的煤样倒入圆盘培养皿中，以喷洒量2 L/m2为计量单位在煤样表层均匀喷洒体积比2∶100的抑尘剂溶液，每间隔5 h测试煤样的质量损失。煤样含水率计算公式如下：

η=[(Mi-M1)/M2]×100%

(2)

式中：η为煤样含水率；M1为煤样的初始质量，g；Mi为喷水后每隔5 h干燥煤样的质量，g；M2为喷洒自来水的质量，g。

1.4.3 抑尘剂对煤质的影响

分别用全自动水分测试仪YX-WK7330、碳氢元素分析仪TQ-3A、测硫仪CTS3000A和自动量热仪CT5000A测量未喷洒抑尘剂的煤样及喷洒体积比为 2∶100的抑尘剂溶液形成的壳膜煤样的水分、氢、硫含量及燃烧值。

1.4.4 抑尘剂的毒理测试

选取清洁级SD大鼠20只，雌雄各半。采用最大限量法，灌胃剂量为10 008.12 mg/kg(一日染毒 2次，2次计量合并作为1次剂量计算)，染毒前动物禁食过夜，试验开始后，对动物用经口灌胃法一日染毒2次，每次间隔4 h，第2次染毒后继续禁食 3 h，观察并记录染毒过程，统计观察期内动物的中毒和死亡情况，观察周期14 d。观察期结束后，进行大体解剖。

2 结果与分析

2.1 抑尘剂的黏度测试

黏度是决定抑尘剂喷洒难易程度的主要技术指标之一。黏度越高，喷洒阻力越大，容易造成喷射困难，并堵塞管路；黏度越低，越容易分散，雾化效果好，表面更易形成一层软膜，从而达到更好的抑尘效果。抑尘剂和水在不同温度下的黏度对比实验，如图1所示。

图1 抑尘剂和水在不同温度下的黏度

由图1可知，抑尘剂和水的黏度随温度的升高而逐渐降低。当抑尘剂的温度在15～25 ℃时，黏度值下滑趋势缓慢，而当温度超过25 ℃，黏度值下降速度加快，说明温度较低对黏度值影响较小，温度越高，对黏度值影响越大。这是由于随着温度的升高，溶液体系内能增加，分子热运动加快，布朗运动现象明显导致的。当温度为15 ℃时，抑尘剂黏度值最高为 16.4 mPa·s；温度上升至40 ℃，黏度值为6.1 mPa·s，而自来水的黏度一般小于2.0 mPa·s，这说明该抑尘剂黏度与水的黏度接近，具有较好的流动性和分散性，可以直接喷洒使用。

2.2 抑尘剂的保湿性能测试

按照1.4.2进行煤样的保湿性能测试，煤样的含水率随放置时间的变化曲线如图2所示。

图2 喷洒抑尘剂和水的煤样含水率随放置时间的变化曲线

由图2可知，从水分蒸发开始的10 h内，煤样的含水率迅速下降，曲线斜率较大，为加速失水时期；在水分蒸发10 h后，含水率的下降速度放缓，为缓慢失水时期；在水分蒸发60 h后，抑尘剂和水在煤样上基本失去全部的水分，但经水喷洒过的煤样在失去所有水后，煤样表面变得松散，水对其不再具有抑尘效果。而喷洒抑尘剂的煤样虽然也会失去水分，但失水的速率小于水喷洒在煤样上的速率，说明抑尘剂也具备一定的保湿效果，且几乎全部失水后，在煤样表面形成一层壳膜，可产生抑尘作用。

2.3 抑尘剂的抗风蚀性能测试

按照1.4.1进行抗风蚀性能测试，风蚀率随煤样放置时间的变化曲线如图3所示。

图3 煤样的风蚀率与放置时间的关系曲线

从图3可以看出，喷洒水的煤样虽然在放置 48 h 内具有一定的抑尘效果，但由于随着放置时间的增加，水分的蒸发，煤样表面变得松软，抑尘效果呈明显的下降趋势，大量的煤样被风吹走，且煤样表面出现许多坑洼；放置120 h后，水的风蚀率为20.9%，逐渐丧失了抑尘的作用。相比之下，喷洒抑尘剂的煤样的风蚀率随着放置时间的增加而趋于稳定，在放置120 h后，喷洒抑尘剂煤样的风蚀率为2%，且煤样表面没有明显的裂痕，这归因于抑尘剂中水分蒸发后，在煤样表面形成一层致密的膜，像网状一样将煤样粘结起来，有效阻挡了风对煤样的侵蚀，这也说明喷洒抑尘剂形成的壳膜具有较好的抗风蚀能力，在6级风力的情况下，具有较优的抑尘效果，而实际气候条件下能达到6级的大风天气不多，所以该抑尘剂适用于全年气候。

2.4 抑尘剂的微观形貌

喷洒水和喷洒抑尘剂的煤样表面SEM图如图4所示。通过比较可知，喷洒水的煤样在水分蒸发后煤粒较为松散，这说明随着水分的蒸发，煤粒表面的含水率下降，煤粒之间变得松散，从而失去了抑尘的效果；而喷洒抑尘剂的煤样在水分蒸发后，抑尘剂发生分子链凝聚现象，与煤样紧密粘结在一起，形成了一层密实的壳膜，起到了较好的固化抑尘效果，与上述抗风蚀性能的结果一致。

(a)喷洒水

(b)喷洒抑尘剂

2.5 抑尘剂对煤质的影响

对于露天煤场来说，煤炭质量尤为重要，保证产出煤炭质量是实现煤炭生产经济效益最大化的途径之一。抑尘剂对煤质的影响测试结果见表1。

表1 煤样的各项指标测试结果

由表1可见，添加抑尘剂的煤样与未添加抑尘剂的煤样相比，水分、硫和氢含量基本保持一致，虽然硫和氢含量略微偏低，但也相差不大，这说明抑尘剂对煤质无不良影响，在煤的燃烧过程中没有副作用；添加抑尘剂的煤样高低位发热量比未添加抑尘剂的煤样略有增加，这说明抑尘剂在一定程度上促进了煤的燃烧。所以，添加抑尘剂对煤样的质量没有影响，煤样的热值还有些许提高，对煤的燃烧没有副作用。