三元共聚生物质基矿山爆破抑尘剂的制备及性能研究

李俊峰 , 石建军

(安徽理工大学 化学工程学院 , 安徽 淮南 232000)

近年来,高分子生物质基型抑尘剂因其环保性、可降解性得到人们的青睐[1-4]。通过矿区土壤考察多糖生物聚合物作为抑尘剂潜力,结果表明生物聚合物可作为环境友好土壤改良剂,控制粉尘排放。

边素素等[5]以纳米纤维素为主体结构,丙烯酸为单体,制备一种保湿、凝并抗风蚀性能兼并的接枝共聚型高分子抑尘剂材料,在9 m/s风速下,抑尘效率可达98%。豆浩[6]以聚丙烯酰胺为单体,采用接枝共聚改性对大豆分离蛋白进行改性,制备兼具黏结、润湿性复合型固结抑尘剂,通过硬度测试,固化层硬度可达82.3HA。

为满足露天矿山爆破作业及采矿作业对抑尘剂黏结性、凝并性、保湿性的要求,选择纤维素、淀粉这些来源广的生物质为原料制备抑尘剂。以丙烯酰胺为单体对羧甲基纤维素、羧甲基淀粉进行接枝改性,增强纤维素和淀粉黏结、凝并特性。通过正交试验获得抑尘剂最优配比,复配表面活性剂木质素磺酸钠和保湿剂三乙醇胺制备兼具保湿性、黏结性、凝并性和润湿性的复合型抑尘剂。并通过抗风蚀性、保水性、渗透性测试验证抑尘剂性能。

1 实验部分

1.1 主要实验原料及实验仪器

主要实验原料：羧甲基淀粉钠(CMS-Na),分析纯,成都西亚化工股份有限公司;聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、三乙醇胺、过硫酸钾(KSP)、亚硫酸氢钠(NaHSO3),分析纯,国药集团化学试剂有限公司;N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、丙烯酰胺(AM),分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;木质素磺酸钠,分析纯,合肥千盛生物科技有限公司。

实验仪器：检验筛(TY2022000025)、恒温加热搅拌仪(MS-2T)、扫描电子显微镜(TECANMIRALMS)、数显黏度计(NDJ-5S)、傅里叶傅里叶变换红外光谱仪(NicoletNexus 470)、电子天平(FA2204E)、精密增力电动搅拌器(JJ-1)、集热式磁力搅拌器(DF-101S)、智能灌装蠕动泵(LM60A型)、电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9246A)等。

1.2 爆破粉尘来源及预处理

爆破粉尘来源于安徽海螺水泥股份有限公司白马山水泥厂矿山分厂,通过在爆破场地安全距离处放置培养皿自然收集爆破粉尘,75 μm(200目)过筛后放入烘箱中干燥至恒重,即得实验所需爆破粉尘。

1.3 抑尘剂接枝共聚合成

取一定量聚乙烯醇和去离子水(去离水作为溶剂使反应物在溶液中均匀分布,提高反应的均匀性和效率,控制反应系统温度)加入三颈烧杯中放置于水浴锅中,温度设置95 ℃,搅拌溶解30 min至聚乙烯醇充分溶解。羧甲基纤维素钠和羧甲基淀粉钠共混后加入三颈烧瓶中,温度设定65 ℃,搅拌溶胀30 min后用恒压滴定漏斗缓慢滴加过硫酸钾、亚硫酸氢钠引发剂,再缓慢滴加丙烯酰胺、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺单体交联剂,恒温65 ℃接枝反应5 h制得接枝共聚产物,通过复配润湿剂木质素磺酸钠和保水剂三乙醇胺即得抑尘剂。

1.4 正交试验

对羧甲基纤维素钠和羧甲基淀粉钠进行最大溶解度实验,确定二者底物在水中的最大溶解度。以黏度为指标,设计四因素三水平正交试验表,见表1。

表1 实验设计各因素水平表 %

通过将正交试验最优组进行多次重复实验,进行黏度数据对比,观察黏度变化趋势。

1.5 抑尘剂接枝共聚物表征

将接枝共聚产物用无水乙醇进行洗涤提纯得到白色絮状沉淀,用温水洗涤后进行烘干处理,用索氏提取器以丙酮为溶剂进行提取,并进行干燥处理得纯化产物,将提纯后产物进行研磨筛分进行红外光谱分析和热重分析。

1.6 扫描电镜实验

对爆破粉尘初筛烘干后,取相同质量爆破粉尘置于培养皿中,用抑尘剂和水分别对培养皿中粉尘进行雾状喷洒并烘干处理,取培养皿表面粉尘试样进行扫描电镜检测。

1.7 抗风蚀性实验

设置抑尘剂、水、空白组3组,称取10 g白马矿山爆破粉尘均匀置于培养皿中,分别取10 mL抑尘剂溶液和清水与爆破粉尘均匀混合后称重做记录,空白组为对照,放置在40 ℃烘箱中加热20 h完全蒸干水分。通过立式空调模拟自然风进行1 h风蚀实验,风速为2.49 m/s。每隔10 min进行称重,绘制粉尘随时间变化保留量,对比抑尘剂抗风蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

以黏度作为抑尘剂原料配比选择主要因素,3次测量平均值测定各组抑尘剂黏度值,确定组分之间影响程度,得到抑尘剂最优配比,L9(34)正交试验结果见表2。

根据表2均值Kn可得,黏度实验指标各实验药品因素最优水平为(A3B2C1D3),对应实验8。在本次正交试验中通过对比这4种实验药品因素的极差R值可得,对抑尘剂黏度影响程度从小到大依次是AM

图1 最优配比重复实验

通过将最优实验8进行重复实验并进行平均值对比,实验结果表明,在最优实验8中,数据在平均值上下浮动,表明黏度在实验8数据中趋于稳定,证明黏度作为正交试验指标合理。

2.2 接枝共聚物表征分析

2.2.1红外光谱分析

接枝共聚产物红外光谱如图2所示。

图2 接枝共聚产物红外光谱图

2.2.2热重分析

接枝共聚产物热重分析如图3所示。

接枝共聚产物其中含有大量亲水基团,在烘干情况下易吸收空气中的水分,0～100 ℃的质量损失水分挥发导致。100～280 ℃质量损失因接枝率没有达到100%,未接枝部分分解导致。接枝共聚物分解为两个阶段：280～500 ℃为接枝共聚产物自身分子支链上小分子分解导致质量损失加快;温度>500 ℃时,质量损失速度减缓,主要因为接枝共聚产物中大分子物质在更高温度下才能分解。热重分析说明接枝共聚产物热稳定性能良好,不会因环境因素对实际应用产生影响[7-8]。

2.3 抑尘剂喷洒最优比例

取一定量爆破粉尘置于6个培养皿中,将制备的抑尘剂分别用水稀释成0%、2%、4%、6%、8%、10%共6个体积浓度的抑尘剂溶液对爆破粉尘进行雾状喷洒处理,置于35 ℃自然阳光下实验3 h,每隔0.5 h进行培养皿称重,计算抑尘剂溶液保水率。用水稀释成0%、2%、4%、6%、8%、10%共6个体积浓度的抑尘剂溶液分别进行黏度测试,实验结果见图4。

图4 抑尘剂稀释后对黏度和保水率的影响

由图4可知,抑尘剂稀释后,抑尘剂体积百分比越多,稀释后抑尘剂黏度越大,在爆破粉尘保水实验中,抑尘剂保水性能越好。在8%浓度后,黏度和保水率增加效果不大,综合成本和性能,最终选择将抑尘剂稀释体积百分比为8%进行现场实验[9]。

2.4 抑尘剂复配及性能测试结果分析

2.4.1复配保水剂

试样准备方式同上,将浓度8%抑尘剂溶液与浓度1%～6%共6个梯度的丙三醇、三乙醇胺、聚乙二醇进行稀释混合溶解,分别雾状喷洒培养皿爆破粉尘,放置在35 ℃下5 h称重培养皿,计算抑尘剂混合液保水率。图5为5 h保水率与各混合溶液浓度关系。

图5 不同保水剂在不同浓度下保水率对比

由图5可知,抑尘剂溶液保水性能随保水剂增加而增加,浓度4%保水剂后保水性能提升减缓,选择浓度4%保水剂参与复配节省成本。通过对比不同保水剂相同浓度下保水性能,三乙醇胺>聚乙二醇>丙三醇,选择三乙醇胺进行复配抑尘剂保水性能更加优异。综合成本和保水性能,选择浓度4%的三乙醇胺复配提升抑尘剂保水性能。

2.4.2复配润湿剂

试样准备同上,通过将相同质量爆破粉尘放入量筒中,模拟露天矿山现场地表,将粉尘压缩至一定高度进行渗透性实验。缓慢滴加相同量不同浓度表面活性剂与8%浓度抑尘剂、4%浓度三乙醇胺复配溶液,进行5 min渗透实验,测量渗透深度,计算溶液润湿性能。图6为5 min时不同浓度下润湿剂渗透深度关系图。

图6 不同润湿剂在不同浓度下渗透性能对比

由图6可知,不加任何润湿剂下的浓度8%抑尘剂渗透性能比水略高,远远达不到爆破现场要快速渗透效果。通过复配一部分润湿剂,增大抑尘剂的渗透性能,得以在爆破现场实现快速渗透润湿,提高抑尘效能。随着润湿剂浓度增加,抑尘剂渗透性能逐渐增加,木质素磺酸钠浓度在0.4%时,溶液对爆破粉尘润湿渗透效果最好。更高浓度润湿效果差原因推测在高浓度下,部分表面活性剂分子因接触不到水而失去活性。

2.4.3扫描电镜分析抑尘剂成膜性

如图7所示,图7a、b分别为喷洒水后爆破粉尘1 000倍和2 000倍扫描电镜图像,图7c、d分别为喷洒浓度8%抑尘剂后爆破粉尘1 000倍和2 000倍扫描电镜图像。观察1 000倍水样组粉尘在水分蒸发后,有很多空隙和褶皱,粉尘颗粒之间黏结性能不强;将其放大至2 000倍时可发现各粉尘颗粒排列分散,未凝并形成较大颗粒,颗粒间相互作用力低,空隙和褶皱更为明显。8%浓度抑尘剂组1 000倍电镜下观察粉尘颗粒黏性性能较强,空隙较小,粉尘与粉尘之间相互黏结在一起,出现了较为平滑的表面,证明抑尘剂对爆破粉尘有着明显的团聚黏结作用,将小颗粒粉尘黏结成大颗粒,增大粉尘质量抵抗外界气流、风速影响,防止二次扬尘。2 000倍电镜下与水样组对比凝并效果更好,粉尘颗粒均为大颗粒状态,间隙较小且规整,说明抑尘剂具备良好的凝并性能。

图7 粉尘样品扫描电镜图

2.4.4抗风蚀性实验分析

抗风蚀性结果分析见图8。

图8 抗风蚀性结果分析

由图8可知,浓度8%抑尘剂处理后粉尘具有更强的抗风蚀性能力,在1 h时固尘为85.47%,远高于水的55.74%和空白组39.7%,说明抑尘剂有良好的抗风蚀性。图8右侧为1 h抗风蚀实验后产物,X为喷洒8%浓度抑尘剂组, Y为喷水组,Z为空白组。通过观察3组,X组黏结效果远高于空白组和喷水组,且在X组样品表面可观察到明显的成膜效果,表明抑尘剂在接触粉尘后迅速在粉尘表面黏结成膜固化粉尘,延长抑尘剂抑尘时间,达到更好的抑尘效果。

3 结论

以羧甲基纤维素钠、羧甲基淀粉钠为双底物基底,丙烯酰胺为单体进行接枝共聚合成,通过复配0.4%木质素磺酸钠和4%三乙醇胺制备一种适用于露天矿山爆破尘埃治理的软膜型凝结抑尘剂。

通过将制备的抑尘剂进行一系列性能表征,结果表明,此抑尘剂相较于水抑尘渗透能力提升了2倍,5 h保水率比水保湿提高40%,抗风蚀性固尘率为85.47%,较喷水提高了30%。该抑尘剂渗透保湿性能优越,喷洒后成膜性能优越,可自然分解,具备无毒无害,制备简单,安全环保,在露天矿山粉尘控制中有良好的应用前景。