封尘剂性能影响因素的试验研究

高 鹏，张兆征，武 彦，孙 鑫

(1. 神华准格尔能源有限责任公司选煤厂，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300；2.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083)

0 引言

煤炭在生产的各个阶段都伴随着煤尘的产生，而煤尘又极易引起爆炸事故、降低机械设备的使用寿命，并对煤矿职工的健康造成危害，因此需要采取有效的除尘措施预防煤尘带来的安全隐患。传统的喷雾降尘对煤分子的润湿效果较差，而呼吸性粉尘由于粒径小更不易被喷雾液滴吸附和润湿，因此利用封尘剂喷雾去除煤尘成为主要解决手段之一。封尘剂主要是由一系列表面活性剂、助剂和稀释剂等原料组成的复合剂，能够快速凝结和降低空气中的尘埃和颗粒物含量，主要用于降低环境空气中的尘埃、颗粒物、挥发性有机物等污染物的含量，可以有效地改善工作和生活环境的卫生状况，防止环境污染对人体健康和生态环境造成的危害[1]。此外，封尘剂也被广泛应用在建筑施工、公路养护、采矿和冶金等领域[2]，用于防止颗粒物扬尘和减少生产设备的磨损，并提高生产效率和产品质量[3]。封尘剂作为一种化学产品，其研究和应用已经有了一定的发展历程。目前，封尘剂的主要研究方向为配方研究、性能评价、应用技术和环境效应等[4]。

近年来，越来越多的研究表明，封尘剂配方中添加的新型表面活性剂、交联剂和稳定剂等成分，可以显著提高封尘剂的性能和稳定性；在封尘剂性能评价方面，主要包括颗粒物捕集效率、稳定性、流变学性质、膜性能和耐久性等指标。为了更准确地评价封尘剂的性能，研究人员采用了多种方法，包括动态光散射、纳米粒子跟踪分析、紫外-可见光谱、扫描电子显微镜和原子力显微镜等；在封尘剂应用技术方面，目前主要是喷洒[5]、滚涂、刷涂和喷雾等多种方式。研究人员也在不断探索新的应用技术，如超声波、离子和温度等对封尘剂性能的影响及其应用效果；在封尘剂环境效应方面，研究人员关注的是封尘剂对环境污染物、生态环境和人体健康的影响[6]。目前已有多项研究表明，封尘剂能够显著减少环境空气中的尘埃和颗粒物的含量，对改善生态环境和维护人体健康具有积极作用[7]。

随着环保和健康意识的提高，封尘剂的应用已得到广泛的认可，但是封尘剂在实际应用中往往受到多种因素的影响，而这些因素对封尘剂性能的影响对于深入了解封尘剂的性质和提高其应用性能具有重要意义[8-10]，如夏季高温与冬季低温对封尘剂性质的影响、配液过程中循环水中离子种类与浓度大小对封尘剂性质的影响等，深入研究和分析这些影响因素对封尘剂性能的影响，可以更好地理解封尘剂的性质和提高其应用性能[11-13]。总体而言，封尘剂的研究已经取得一定进展，但还需要在理论和实践方面进行深入探索，以期更好地应对实际环境中的尘埃和颗粒物污染问题[14]。

1 试验材料和方法

1.1 药剂及仪器

药剂选取广东兴华绿色环保技术有限公司生产的型号为YTL351-SCA的铁路煤炭运输用封尘剂、化学纯NaCl、化学纯CaCO3、化学纯KCl、化学纯MgCl2、化学纯FeCl2、化学纯FeCl3；仪器采用水浴加热锅、磁力搅拌器、超声波发生器、容量瓶、pH计、分析天平、Zeta Plus分析仪、扫描电镜仪器等。

1.2 温度对封尘剂性质的影响试验

温度是影响封尘剂性质的重要因素之一[15]，将封尘剂溶于水中，通过加热或冷却的方式控制温度，并确定封尘剂的稳定性、流动性等指标。一般情况下，随着温度升高，封尘剂的粘度和表面张力都会降低，这会使其在液体中更容易分散和悬浮。同时，过高的温度也可能会导致封尘剂的分离和降解，从而降低其稳定性和效果[16]。因此，为了探究温度对封尘剂性质的影响，进行了如下试验，试验步骤为：将0.1 g的封尘剂溶于100 mL水中，制备出质量浓度为0.1%的封尘剂溶液；设置20、25、30、35、40、45、50、55、60、65 ℃等不同温度试验组；将不同温度试验组的封尘剂溶液分别放置于恒温水浴中，在不同温度下搅拌静置一定时间后，测量其粘度指标；最后，记录试验数据，并进行统计分析和数据处理。比较不同温度组的指标差异，探究温度对封尘剂性质的影响。

1.3 超声波对封尘剂性质的影响试验

超声波是一种高频机械波，具有强大的物理效应和化学作用[17]，对封尘剂性质也有一定的影响。具体来说，超声波可以促进封尘剂的分散和悬浮，提高其稳定性和流动性，同时还可以改变其表面张力和粘度等性质，从而提高其封尘效果[18]。因此，为了探究超声波对封尘剂性质的影响进行如下试验。试验步骤为：将0.1 g的封尘剂溶于100 mL水中，制备出质量浓度为0.1%的封尘剂溶液；将封尘剂溶液倒入容量瓶后放置于超声波发生器中，控制超声波发生器的频率、功率和时间等参数，比较超声波处理组和对照组的指标差异。最后，测量超声波处理组和对照组的粘度指标，并记录试验数据。根据试验结果进行统计分析和数据处理，比较不同处理组和对照组的指标差异，探究超声波对封尘剂性质的影响。

1.4 不同浓度离子对封尘剂性质的影响试验

离子是一种重要的化学物质，在封尘剂的制备和应用过程中也会对其性质产生一定的影响。具体来说，不同离子的存在会改变封尘剂的电性质、分散性、稳定性等性能，从而影响其封尘效果。为了探究离子对封尘剂性质的影响进行以下试验，试验步骤为：将0.1 g的封尘剂溶于100 mL水中，制备出质量浓度为0.1%的封尘剂溶液；添加一定量的离子液体(NaCl、CaCl2、KCl、MgCl2、FeCl2和FeCl3)到封尘剂溶液中，控制不同离子液体的浓度和类型，比较不同离子液体处理组和对照组的指标差异[19]。最后，测量不同离子液体处理组和对照组的稳定性指标，并记录试验数据。根据试验结果进行统计分析和数据处理，比较不同处理组和对照组的指标差异，探究离子对封尘剂性质的影响。

1.5 Zeta电位测试

对不同种类离子和浓度配置的封尘剂样品溶液进行Zeta分析，测量设备为Zeta Plus型分析仪，该分析仪基于激光的电泳光散射原理进行扩展。

将封尘剂溶于去离子水中，添加一定量的离子液体到封尘剂溶液中，控制不同离子液体的浓度和类型。每次测量前溶液搅拌30 min，使溶液处于稳定状态，使用斯莫鲁霍夫斯基模型来计算颗粒的Zeta电位，每次Zeta电位值是10次运行的平均值，每次测量是10个测量周期。试验在室温下进行，根据试验结果进行统计分析和数据处理，比较不同处理组和对照组的Zeta电位差异，探究离子对封尘剂性质的影响。根据试验结果进行讨论和分析，探究离子对封尘剂性质的影响机制，分析试验中可能存在的误差和局限性，并提出后续研究的方向和建议。

1.6 SEM测试

扫描电镜是一种大型的分析设备，主要用于观察各种固态物质表面的超微结构形态以及组成物质。扫描电镜具有高的分辨率，可观察纳米级矿物的表面特征，如可观察表面6 nm左右的细节，在LaB6电子枪条件下可观察3 nm的矿物表面细节[20]。为了探究封尘剂颗粒的表面性质，从而分析其作用机理，选用扫描电镜进行试验检测，试验步骤为：首先，对封尘剂原样颗粒进行扫描电镜测试；然后，将0.1 g的封尘剂样品溶于100 mL水中后进行烘干，对烘干后的颗粒进行扫描电镜测试；最后，根据不同颗粒的测试结果，记录数据。根据试验结果进行统计分析和数据处理，比较不同颗粒表面的形貌差异，探究封尘剂性质的作用机理。

2 试验结果与分析

2.1 条件试验

确定搅拌时间和封尘剂浓度可以确保封尘剂充分溶解，即溶液中没有残留物，探究温度、超声波和离子对封尘剂性质的影响。

2.1.1 时间条件试验

首先固定封尘剂的质量浓度为0.1%，封尘剂溶液的搅拌时间和粘度的关系如图1所示。

图1 封尘剂搅拌时间与粘度的关系

由图1可以看出，随着搅拌时间从0增加至10 min时，封尘剂的粘度呈明显上升趋势。当搅拌时间从10 min再增加时，粘度值基本趋于平缓，逐渐不变，表明此时封尘剂已经完全溶解，搅拌时间的长短不会再对其粘度有影响。因此，在后续的试验中，均选取10 min为搅拌时间。

2.1.2 质量浓度条件试验

确定搅拌时间后进行浓度条件试验，可以得到封尘剂的质量浓度和粘度关系如图2所示。

图2 封尘剂的质量浓度和粘度关系

由图2可以看出，封尘剂的质量浓度由0增加至0.100%时，溶液粘度从0增加到342 mPa·s，封尘剂的质量浓度从0.100%继续增加到0.175%时，溶液粘度缓慢增加，粘度从342 mPa·s增加到420 mPa·s，当封尘剂的质量浓度继续增加时，封尘剂溶液的质量浓度达到饱和，溶液中出现不溶解封尘剂，粘度也随之急剧增加。因此，为确保封尘剂全部溶解，选择质量浓度为0.100%进行后续试验。

2.2 温度对封尘剂性质的影响

确定搅拌时间和封尘剂浓度以确保封尘剂充分溶解，溶液中没有残留物，探究温度对封尘剂性质的影响，温度对封尘剂粘度的影响如图3所示。

图3 温度对封尘剂粘度的影响

由图3可以看出，当试验温度从20 ℃增加至30 ℃时，封尘剂粘度从450 mPa·s急剧下降至260 mPa·s；当试验温度从30 ℃升高至65 ℃时，封尘剂粘度缓慢变化随后保持不变。对同一样品进行自然冷却，当试验温度从65 ℃下降至20 ℃时，封尘剂粘度从260 mPa·s上升至440 mPa·s，和升温趋势保持不变。由图3还可以看出，升温和降温前后对封尘剂的性质基本没有影响，可以看出温度对封尘剂是物理影响作用，这是由于温度升高使得封尘剂分子发生内蜷曲收缩，使得粘度下降。温度低时，封尘剂分子链伸展扩张，粘度增加。因此，在生产过程中，如果需要控制封尘剂粘度，而又不想破坏封尘剂的性质，可以从控制温度的角度进行考虑，即调整温度对封尘剂粘度有积极影响。

2.3 超声波对封尘剂性质的影响

由上述试验确定了搅拌时间10 min和质量浓度0.1%后，确保封尘剂充分溶解，溶液中没有残留物，探究超声波对封尘剂性质的影响，超声波对封尘剂粘度的影响如图4所示。

图4 超声波对封尘剂粘度的影响

由图4可以看出，超声波作用前后封尘剂粘度的变化趋势基本一致，正常状态下不使用超声波，封尘剂在10 min时趋于稳定，达到平衡；而使用超声波作用后，封尘剂在5 min时就趋于稳定，达到平衡最大值，时间缩短了5 min，极大地提高了溶解效率。因此，超声波的作用对封尘剂最终粘度影响不明显，其主要作用是加快封尘剂达到稳定粘度的作用时间，以此提高封尘剂的溶解效率。

因此，在粘度较高的封尘剂进行溶解的操作阶段，可以考虑使用超声波，不仅可以快速溶解封尘剂，缩短封尘剂的溶解时间，还可以防止未溶解封尘剂造成的管道堵塞，有效节约成本。

2.4 离子对封尘剂性质的影响

在实际应用过程中，常采用循环水进行封尘剂的配置，而循环水中含有较高的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+和Fe3+离子，这些离子种类与浓度对封尘剂性质有较大影响，因此，为了探究离子的种类和浓度对封尘剂粘度的影响，分别用NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、FeCl2和FeCl3与质量浓度为0.1%的封尘剂进行作用，通过改变离子种类和离子浓度，得到不同离子作用下封尘剂的粘度变化，如图5所示。

图5 不同离子作用下封尘剂的粘度变化

由图5可以看出，Fe2+和Fe3+加入后与封尘剂溶液形成络合物，产生了絮状沉淀，粘度急剧下降；Ca2+和Mg2+在试验中难溶于封尘剂溶液，虽然对其粘度有一定的影响，使粘度降低，但降低并不明显；加入Na+和K+后，随着离子浓度的增加，封尘剂粘度也随之不断下降，这是由于Ca2+、Mg2+、Na+和K+的加入，引发了封尘剂药剂分子链断裂，离子致使聚合物分子内缩聚，分子链收缩，聚合物粘度降低。因此在实际生产过程中，应该避免此类封尘剂接触Fe2+和Fe3+，如果需要调控封尘剂粘度，可以考虑加入Na+、K+。

2.5 Zeta电位测试

为了进一步验证封尘剂与离子作用后的机理，对封尘剂以及与不同离子作用后的Zeta电位进行检测，封尘剂与不同离子反应后的Zeta电位如图6所示。

图6 封尘剂与不同离子反应后的Zeta电位

由图6可以看出，Na+、K+、Mg2+、Ca2+作用后的封尘剂均呈现负电，而Fe2+和Fe3+则呈现正电，由前面的试验现象，初步推测出现此情况的原因是Fe2+和Fe3+与封尘剂发生反应后生成络合物沉淀，使得溶液带正电。K+、Mg2+、Ca2+和Na+与封尘剂作用后的Zeta电位有较大变化，从大到小依次排序为Mg2+>Ca2+>K+>Na+，这与各金属离子所带电荷有关，所带电荷越大，Zeta电位变化越大。

2.6 扫描电镜测试

为了探究封尘剂颗粒的表面性质，用扫描电镜对原样颗粒和溶于水后又烘干的封尘剂颗粒分别进行了试验检测，封尘剂颗粒与水溶液作用前后扫描电镜如图7所示。

图7 封尘剂颗粒与水溶液作用前后扫描电镜

由图7可以看出，封尘剂颗粒在与水作用前呈颗粒状；与水作用后颗粒溶解，形成了一层薄膜，封尘剂的抑尘机理与这层薄膜有关。

3 结论

笔者研究了温度、超声波以及离子种类和浓度对封尘剂粘度的影响，得出以下结论。

(1)随着温度升高，封尘剂粘度从450 mPa·s 急剧下降至250 mPa·s，当试验温度从30 ℃升高至65 ℃时，封尘剂粘度基本保持不变。降温趋势与升温趋势重合，粘度前后基本不变，表明温度的升降不改变封尘剂的化学性质，封尘剂在夏季与冬季温差大的情况下，对封尘剂浓度进行相应调整，可以确保封尘剂粘度符合喷洒需求。

(2)超声波作用前后封尘剂粘度的变化趋势一致，其主要作用是封尘剂达到稳定粘度的作用时间，以提高封尘剂的溶解效率。因此，在粘度较高封尘剂溶解的操作阶段，可以考虑加入超声波进行操作，不仅可以快速溶解封尘剂，缩短封尘剂溶解时间，还可以防止未溶解封尘剂造成的管道堵塞，有效节约成本。

(3)Na+、K+、Mg2+、Ca2+作用后的封尘剂均呈现负电，而Fe2+和Fe3+则呈现正电，通过试验现象初步推测出现此情况的原因是Fe2+和Fe3+与封尘剂发生反应后生成络合物沉淀，使得溶液带正电。K+、Mg2+、Ca2+，Na+与封尘剂作用后的Zeta电位有较大变化，从大小到依次排序为Mg2+>Ca2+>K+>Na+，这与各金属离子所带电荷有关，所带电荷越大，Zeta电位变化越大。因此，进行封尘剂配液时要考虑水溶液中离子的影响，避免铁离子产生。