煤炭化学抑尘剂的应用进展

＊许飞健 陈维旭 王锋 于英豪*

（1.华南理工大学化学与化工学院 广东 510000 2.山东普越能源科技有限公司 山东 265599）

近年来，随着煤炭开采机械化程度和生产强度的提高，煤矿开采、储存和运输产生的粉尘剧增，造成的环境污染和健康安全问题日益严重，因此，对于煤炭在开采和运输过程中产生的粉尘的抑制是十分重要的。在众多的抑尘方法中，化学抑尘剂因其选择性好和实用性强引起了科研工作者的广泛关注。国内外研究者对扬尘污染作了大量的研究，结果表明煤的芳香核主体结构使其具有强悬浮性和强疏水性，在煤炭表面喷淋化学抑尘剂后能够有效防止煤炭在运输过程中的损失和污染，该方法简便易行。

但是目前大多数化学抑尘剂都存在局限性，例如功能单一、制备工艺繁杂、经济效益低、环保安全问题等。因此，开展包括煤炭抑尘剂的作用机理和具体应用的研究进展，评估各自的优缺点，对于寻找高效、绿色、价格低廉以及多功能的煤炭抑尘剂尤为重要。

1.研究历程与现状

日本、欧美等国家在抑尘剂研究领域处于世界领先水平，早在20世纪前期，国外研究人员就研发出湿润型化学抑尘剂应用在煤炭抑尘上。近40年来，随着抑尘技术研究不断深入，国外开始将表面活性剂应用在煤炭抑尘技术中。之后随着人们环境保护意识的提高以及现代化学产业的发展，国外已经从原始的沥青、原油和无机盐物质转向高分子聚合物等新型绿色化学抑尘剂，向多功能及环保的方向发展。

我国在化学抑尘剂方面的研究起步落后于其他先进国家。20世纪中叶，我国基本使用纯水抑尘。随着20世纪80年代国外抑尘方法的引进，我国才开始研究各类抑尘方法。21世纪以来，我国在化学抑尘剂领域的研究和应用不断深入和拓宽。随后表面活性剂和高分子聚合物类功能材料的开发研究更是促进了抑尘剂的迅猛发展，主要应用在道路和煤炭开采运输过程的扬尘治理以及防风固沙等领域。

研究人员虽然在化学抑尘剂方面取得了一定的成果，但目前一些传统的单一型抑尘剂还是难以满足绿色可持续发展的要求。因此，绿色环保的复合型抑尘剂是目前的研究重点。

2.化学抑尘剂的作用原理

粉尘沉降速度的表达式见式（1）：

式中，νt为粉尘沉降速度，m·s-1；r为颗粒粒径，m；ρ粒为颗粒密度，kg·m-3；ρ流为气流密度，kg·m-3；μ为运动黏性系数；θr为外摩擦系数；g为重力系数，m·s-2。

从式（1）得出，增大粉尘的粒径或者密度可以加快煤粉沉降。

化学抑尘剂的作用机理有：（1）润湿作用机理：抑尘剂通过湿润渗透作用，使煤尘保持一定量的水分，增大煤尘的颗粒密度；（2）粘结作用机理：抑尘剂喷洒在煤尘表面后，煤粉会粘结成团或结壳，增大煤尘的粒径；（3）凝固成膜机理：抑尘剂在煤尘表面形成一层致密的薄膜，减缓水分蒸发。

3.传统化学抑尘剂

传统的化学抑尘剂可以按照抑尘机理分为湿润型、粘结型、凝聚型和复合型；按照不同的原料成分又可分为无机类和有机类。

(1)湿润型化学抑尘剂

湿润型化学抑尘剂主要成分是表面活性剂和某些无机盐，无机盐通常为吸湿性无机盐，它克服了表面活性剂在保水吸湿上的缺点。该抑尘剂分子溶于水时完全被水分子包围，表面活性剂中的亲水基一端朝向水中，疏水基一端被排斥伸向空中，在水溶液表面形成界面吸附层阻断水与空气的接触，从而降低水的表面张力。同时疏水基与粉尘之间有吸附作用，把粉尘带入水中湿润。

程淑艳等[1]利用十二烷基苯磺酸钠和C9脂肪醇聚氧乙烯醚，研制出一种湿润型煤炭抑尘剂，其能够湿润细小的煤粉，提高抑尘效率。Ding Cui等[2]将表面活性剂磁化后制备湿润型表面活性剂，提高抑尘剂对煤尘的润湿能力。金龙哲等[3]以氯化钙和氯化镁为基料制备湿润型抑尘剂，显著提高粉尘的保湿时间和降低路面平均粉尘质量浓度。

湿润型抑尘剂主要用于喷雾系统抑制扬尘，提高润湿粉尘效果，降低表面张力，但是其抑尘有效期较短，一般为5～10天，且腐蚀性强，会危害植物。

(2)粘结型化学抑尘剂

粘结型化学抑尘剂主要分为有机粘结材料和无机粘结材料，有机粘结材料如石油类产品、木质素衍生物、纤维素滤料等，而无机粘结材料如黏土、卤化物和氯化钙等。这些材料通常不溶于水，需要乳化后形成乳状液后才具有粘性。当粘结型抑尘剂喷洒到粉尘表面时，外相水首先会润湿粉尘，同时乳液中的表面活性剂也会增强水对粉尘的湿润能力，使粉尘快速润湿和凝结。最后发生反乳化作用在粉尘表面形成致密的油膜，从而有效抑制水分的蒸发。

潘海霞等[4]利用卤化物与脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂复配制成粘结型抑尘剂，喷洒后抑尘剂渗透到土层中，固化后在表面形成一层强硬的防护壳，起到良好的防尘固沙作用。Stabnikov等[5]利用氯化钙和尿素溶液等制备了无机化学抑尘剂，使用该抑尘剂后粉尘粒径明显增大，抑尘效果明显。李凯崇等[6]利用木质素磺酸盐与丙烯酸单体接枝共聚，再加入其他助剂制成铁路煤炭运输用的粘结型有机抑尘剂，耐水和抑尘效果较好，具有良好的经济效益。

粘结型抑尘剂主要应用于路面、建筑工地以及露天堆场的扬尘，抑尘效果好，原料低廉易得，生产技术成熟，但是在实际应用过程中乳化性能较差。此外，一些无机化学抑尘剂难降解，易造成二次污染。

(3)凝聚型化学抑尘剂

凝聚型化学抑尘剂的主要成分是吸水剂，制备材料不同可分为吸湿型无机盐类和高倍吸水树脂类。吸湿型无机盐抑尘剂的原材料主要是一些无机盐，主要包括卤化物、活性氧化铝和硅胶等；而高倍吸水树脂抑尘剂是一种高分子材料，其具有很强的吸水能力和保水能力。

吴超等[7]在氯化镁、氯化钙中添加了氧化钙和氧化镁，再与水玻璃复合制备吸湿型无机盐抑尘剂，缓解了卤化物使用后偏酸性的情况，抑尘效果良好。He等[8]研发一种高倍吸水树脂凝聚剂，将其均匀喷洒在料堆后形成一种类似网状的结构，具有良好的保水性能和粘结能力。

凝聚型抑尘剂能够吸收水分，增大粒径主要应用于防治在制料、搬运过程中所产生的扬尘。吸湿型无机盐化学抑尘剂吸湿性很强，且有融雪能力，但是其腐蚀性较强，会损坏金属零件和车胎，还会对环境造成污染；高倍吸水树脂化学抑尘剂具有较强的吸水性、保水性和抗压性，抑尘效果较好，但是其成本较高且难制备。

(4)复合型化学抑尘剂

复合型抑尘剂由两种或两种以上的抑尘剂通过物理或化学条件复合而成，是一种具有粘结、润湿和凝聚等多功能的抑尘剂。

蒋富强等[9]复合木质素磺酸钠和丙烯酸等助剂，制成了复合型化学抑尘剂，能够有效抑制煤炭粉尘飞扬。马云龙等[10]利用N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过硫酸铵制备了复合型抑尘剂，喷洒该抑尘剂后料堆表面形成的固化层具有良好的保水和粘结粉尘的能力。

复合型化学抑尘剂主要用于路面抑尘，其综合了不同类型抑尘剂的优点，能够改善路面质量，抑尘效果较好，但是其制备技术和作用机理比较复杂，且尚未成熟，研发难度较大。

4.新型化学抑尘剂

近年来，国内外研究者将研究重点由传统化学抑尘剂逐渐转向工艺简易、绿色环保、多功能的新型抑尘剂。

（1）环保型抑尘剂。环保型抑尘剂实际是通过废物的再利用或环保材料研发的，其具有优异的保水性能、环保低廉、制备简单等优点。

王乃国等[11]通过化学自由基共聚理论制备了一种基于淀粉的环保型抑尘剂，结果表明该抑尘剂的润湿性比水好，在煤粉表面形成致密的保护膜抵抗外界破坏，抑尘效果高达90%。庞亚恒等[12]以壳聚糖为原料改性后复配制得高效环保的复合型抑尘剂，该抑尘剂的降尘效果明显，能够在煤炭颗粒表面形成保护膜，能适用于强风天气。Gotosa J等[13]以糖蜜酒精废液为原料制备了环保型抑尘剂，该抑尘剂经济环保，抑尘效果也远高于纯水抑尘。

（2）高分子抑尘剂。高分子抑尘剂的主要原料是一些有机高分子如聚丙烯酸酯、淀粉接枝共聚物、木质素磺酸盐接枝共聚物和水溶性纤维素聚合物等。它通过高分子的粘着力将粉尘凝聚成团，然后在物料表层结壳，有效抑制扬尘。

马倩等[14]通过聚醚二元醇和环氧树脂的聚合反应制备高分子抑尘剂，该抑尘剂无毒无刺激，在煤粉表面形成的固化层韧性较好，具有一定的抗压、抗风蚀和抗雨淋能力。冯建平等[15]以纳米纤维素为原料研制一种新型可降解纳米纤维素抑尘剂，该抑尘剂具有良好的润湿性，黏结煤尘后有抗风蚀性和抗蒸发性。徐国俊等[16]以聚乙烯醇为主料，与其他助剂合成了一种水溶性高分子化学抑尘剂，该抑尘剂具有一定的粘度且吸湿、保水性较好，能够增加粉尘的湿度和粘度，起到固土防尘的效果。

随着环保和经济效益的需求，高分子抑尘剂的原料成本越来越低，制备工艺也不断简化，应用领域广且具有安全性。

（3）功能型抑尘剂。功能型抑尘剂是一类针对特定环境下研制的具有一定的特殊抑尘效果的抑尘剂，例如用于煤炭开采和运输过程中的抑尘剂不仅要有良好的抑尘效果，还需具有抗自燃性以及不影响煤炭本身性质等作用。

程爱华等[17]以水溶性高分子、丙三醇和卤盐为原料制成功能型抑尘剂，喷洒该抑尘剂后凝并的表层煤粒具有优异的抗风蚀性能，抑尘效率高且抗冻融能力较强。施春红等[18]利用卤化物和成膜助剂制备煤矿防火型抑尘剂，喷洒该抑尘剂后在煤粉表面形成液膜，阻断煤炭与氧气的接触，在避免煤层自燃的同时能够抑制采空区二次扬尘。Longzhe等[19]利用Triton X-100和果绿定KS-1等助剂研发出一种功能型抑尘剂，该抑尘剂能够显著减少吸湿型无机盐凝聚剂对金属的腐蚀，具有较好的经济效益。

（4）微生物抑尘剂。微生物抑尘剂是自然界中一些微生物产生的碳酸钙沉淀来制作的生物粘结剂，其可以固化松散的散砂和颗粒，从而改善土体的性质。

王和堂等[20]研发了枯草芽孢杆菌发酵合成的生物抑尘剂（BDS），具有优异的表面活性，在润湿性能和经济性方面表现出显著的优势，还具有良好的环境耐受性。蒋耀东等[21]以微生物诱导碳酸盐沉淀技术为基础，研制出巴氏芽孢杆菌微生物抑尘剂和脲酶抑尘剂，结果表明，脲酶抑尘剂的抗蒸发性和保水性能较强，而两者的抗风蚀、抗冻和抑尘效率都较其他抑尘剂好。

微生物诱导碳酸钙沉淀制备的抑尘剂绿色无毒，具有优异的粘结性能，能够凝并细小的扬尘颗粒，形成的固化层具有一定的强度和抗压能力，有效抑制二次扬尘，无需重复喷洒。

5.结论与展望

煤炭粉尘飞扬造成的经济损失和环境污染仍是制约我国煤炭资源可持续发展的问题之一，而化学抑尘剂因其高效、便捷等优势引起行业内的广泛关注，但是目前大多数抑尘剂不能同时满足价格低廉、高效和绿色环保的要求。因此，研究人员应将研究重点转向环保高效和经济实用的新型复合抑尘剂，深入研究抑尘剂的抑尘机理，在微观的方面更好地理解煤炭抑尘，通过更精确的实验方法定量比较抑尘剂的抑尘效果，使抑尘剂朝着高分子、多组分、多功能及环境友好的方向发展。