礦用復(fù)合型生態(tài)友好抑塵劑的研發(fā)及應(yīng)用

王瑀輝 吳 萌 陳雁南 李 強(qiáng) 羅彤彤

(礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)建設(shè)導(dǎo)致的環(huán)境污染是發(fā)展過(guò)程中需要面對(duì)的難題，其中工業(yè)開(kāi)采、運(yùn)輸、物料堆放造成的粉塵污染日趨嚴(yán)峻。在復(fù)雜的礦山環(huán)境中抑塵問(wèn)題更加難以忽視，儀器機(jī)械磨損加快、施工人員呼吸疾病、區(qū)域PM2.5污染等問(wèn)題日益凸顯[1]，同時(shí)存在粉塵污染導(dǎo)致的能見(jiàn)度降低、粉塵燃燒爆炸等安全隱患。

常用的抑塵途徑包括遮蓋防塵網(wǎng)、布建防風(fēng)墻、噴水噴霧、噴灑抑塵劑等方式。其中抑塵劑由于抑塵效率和可控性高、二次污染和水資源消耗低等優(yōu)勢(shì)已被多行業(yè)廣泛應(yīng)用。抑塵劑的發(fā)展已有近100年的歷史，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外抑塵劑的研制得到迅速推進(jìn)[2]，但國(guó)內(nèi)抑塵劑產(chǎn)品在保持低成本的條件下很難有效提高固結(jié)時(shí)長(zhǎng)和保濕時(shí)長(zhǎng)。

無(wú)機(jī)型化學(xué)抑塵劑噴灑后降解時(shí)間長(zhǎng)，試劑可能隨雨水滲透或流入當(dāng)?shù)厮?，存在造成二次污染及其他生態(tài)問(wèn)題的隱患，此外可能導(dǎo)致設(shè)備腐蝕[3]。有機(jī)天然植物膠成分無(wú)毒無(wú)害，自然條件下易降解，其包含天然多糖類(lèi)高分子和其它天然聚合物成分，分子鏈存在豐富的羥基、羧基等官能團(tuán)，并可通過(guò)化學(xué)改性接枝不同種類(lèi)帶電基團(tuán)，使分子間產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力，宏觀表現(xiàn)為粘結(jié)性、固結(jié)性、保濕性、潤(rùn)濕性等，這些性質(zhì)可以使植物膠迅速捕捉微粒粉塵并吸附其顆粒，抑塵效果顯著[4]。同時(shí)植物膠的多羥基結(jié)構(gòu)易于滲透吸附在礦物表面，固結(jié)顆粒并隔絕外界，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密且韌性強(qiáng)，可增強(qiáng)后期固化層硬度。

在嚴(yán)苛的礦山環(huán)境中，單一類(lèi)型抑塵劑的抑塵時(shí)間和效率有限，礦山粉塵理化性質(zhì)因礦種和地質(zhì)條件而異。例如，煤型礦山抑塵中，除需解決環(huán)保問(wèn)題外，抑塵劑還需考慮煤炭抑塵后的保存、使用及燃燒性能等功能性需求，所以因地制宜地進(jìn)行抑塵劑研發(fā)十分必要。復(fù)合型抑塵劑基于多種單一抑塵劑功能研發(fā)而得，結(jié)合粉塵特性進(jìn)行針對(duì)性配制，兼具潤(rùn)濕、保濕、粘結(jié)、固結(jié)等功能，因此具有優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)性和應(yīng)用前景。

1 抑塵劑研發(fā)

復(fù)合型植物膠抑塵劑(Composite plant gum dust suppressant，簡(jiǎn)稱“CPG抑塵劑”)，主要包含植物膠型粘結(jié)劑，以及其他具有潤(rùn)濕、保濕、增稠功能的組分。抑塵劑的潤(rùn)濕、保濕、固化結(jié)殼效果是評(píng)價(jià)抑塵性能的重要指標(biāo)，據(jù)此開(kāi)展條件實(shí)驗(yàn)并確定成分配比。實(shí)驗(yàn)用塵樣均為華北地區(qū)某鉬礦尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)采集而得。

1.1 潤(rùn)濕性測(cè)試

抑塵劑中的潤(rùn)濕成分以鋪展、滲透、吸附等方式作用于粉塵顆粒，通過(guò)降低表面張力提高溶液親水效果，表面活性劑的疏水基團(tuán)朝向粉塵，使粉塵成為親水顆粒[5]。實(shí)驗(yàn)選用具有良好分散、滲透性能和高水溶性能的陰離子烷基磺酸鹽類(lèi)表面活性劑作為潤(rùn)濕成分[6]。使用KRUSS-K100型表面張力儀測(cè)試抑塵劑溶液在五組不同含量表面活性劑下的表面張力值，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，表面活性劑用量高于0.05%時(shí)，表面張力降低速度明顯減慢，由于達(dá)到臨界膠束狀態(tài)，繼續(xù)添加表活劑效果不佳，據(jù)此優(yōu)選表面活性劑添加量。

圖1 表面活性劑用量對(duì)表面張力影響Fig.1 Effect of surfactant dosage on surface tension

實(shí)際應(yīng)用中，黏度因素對(duì)溶液鋪展和潤(rùn)濕速度有顯著影響，低黏度液體對(duì)噴灑裝置要求更低，噴灑時(shí)易被霧化，溶液分散均勻。但過(guò)低的黏度會(huì)影響粉塵粘結(jié)效果，降低固化層強(qiáng)度。黏度的調(diào)整需要綜合粉塵性質(zhì)、噴灑條件及用途考慮，例如鐵路運(yùn)輸用抑塵劑黏度要求更高，而在尾礦庫(kù)及道路抑塵中，經(jīng)評(píng)價(jià)認(rèn)為，黏度不高于35.0 MPa·s(25 ℃)的溶液可以實(shí)現(xiàn)高效噴播和均勻鋪展。本文實(shí)驗(yàn)控制黏度的成分主要為高分子聚丙烯酰胺類(lèi)增稠劑，其次為纖維素類(lèi)保濕劑和植物膠，優(yōu)選不同分子量的類(lèi)型并調(diào)整配比，從而控制成品黏度。

1.2 保濕性測(cè)試

植物膠及高分子類(lèi)聚合物吸水溶脹，同時(shí)具有吸濕和隔絕空氣的作用，所以選用植物膠類(lèi)粘結(jié)劑、纖維素類(lèi)高分子保濕劑、聚丙烯衍生物類(lèi)增稠劑作為保濕成分，并優(yōu)選其用量。

保濕性測(cè)試中，調(diào)節(jié)三組配方中保濕劑組分的濃度，噴灑于塵樣后置于101A-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱105 ℃處理30 min。以調(diào)節(jié)纖維素類(lèi)試劑M、植物膠類(lèi)試劑A、聚丙烯衍生物類(lèi)試劑N的用量為例，得到各配方的失水率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，三種成分對(duì)保水效果有不同程度的促進(jìn)作用，聚丙烯衍生物類(lèi)試劑保水能力最佳，其次為纖維素類(lèi)和植物膠類(lèi)。當(dāng)保水劑用量高于最佳黏度時(shí)，垂向滲透困難，保水能力不增反降。在合適的黏度范圍內(nèi)，上述三種配方中，聚丙烯衍生物類(lèi)試劑N用量0.01%～0.03%，植物膠類(lèi)試劑A用量0.08%～0.12%，纖維素類(lèi)試劑M用量0.08%～0.14%時(shí)保濕效果較好。

表1 不同保濕劑含量下樣品的平均失水率Table 1 Average water loss rate of samples at different humectant contents /%

實(shí)際應(yīng)用中若需求更佳的鋪展效果及保濕效果，可將無(wú)機(jī)鹽作為表面活性劑添加劑，以引入陰陽(yáng)離子電解質(zhì)的方式降低表活劑臨界膠束濃度，通過(guò)降低粉塵表面負(fù)電荷靜電斥力，提高吸附的表活劑離子數(shù)量[5]。同時(shí)也利用無(wú)機(jī)鹽的吸濕性增強(qiáng)抑塵劑的保濕效果。在實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中，加入與表面活性劑等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無(wú)機(jī)鹽導(dǎo)致樣品五天保濕率提高1.25～1.65個(gè)百分點(diǎn)，但固化層硬度降低8～15個(gè)百分點(diǎn)，且不符合環(huán)保型抑塵劑理念，所以本抑塵劑不使用無(wú)機(jī)鹽添加劑。

1.3 固化層強(qiáng)度測(cè)試

植物膠、纖維素、聚丙烯衍生物類(lèi)增稠劑可起到高效的塑化作用。植物膠的高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)異的表面成膜性能。聚丙烯衍生物可優(yōu)選聚丙烯酰胺類(lèi)、聚丙烯酸鈉等成分。聚丙烯酰胺中，酰胺基團(tuán)的氫鍵增強(qiáng)其與粉塵顆粒間的作用力，固結(jié)強(qiáng)度更佳。聚丙烯酸鈉的溶解性、分散性和增稠效果更好，但對(duì)水質(zhì)要求更高，高化合價(jià)金屬離子對(duì)聚丙烯酸鈉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有破壞作用，會(huì)迅速降低溶脹能力，導(dǎo)致粘結(jié)性能下降[7]。目標(biāo)礦山主要使用當(dāng)?shù)睾铀鳛橐謮m劑溶劑，礦化度較高，所以本研究選擇聚丙烯酰胺類(lèi)作為增稠劑。

為探究幾種主要成分含量對(duì)固結(jié)強(qiáng)度的影響，將調(diào)整配比后的多組抑塵劑對(duì)塵樣噴灑后，經(jīng)完全風(fēng)干處理，選用LX—A型硬度計(jì)測(cè)試平均固化層硬度(HA)，該數(shù)值反映固化層抗形變能力并以此表征固化層抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2結(jié)果顯示三種成分均存在固化層強(qiáng)度最佳時(shí)的含量值，過(guò)高的含量導(dǎo)致固化層脆性偏高，降低了抗壓強(qiáng)度。高分子量聚丙烯酰胺類(lèi)成分垂向滲透相對(duì)緩慢，對(duì)粉塵表面上覆成膜的貢獻(xiàn)顯著，低分子量成分可增加固化層厚度，提升滲透效率[8]。所以本次CPG抑塵劑復(fù)配時(shí)選擇不同分子量的植物膠、聚丙烯酰胺類(lèi)和纖維素類(lèi)原料，綜合各組分優(yōu)勢(shì)，提高固化層強(qiáng)度。

圖2 幾種組分不同含量下樣品的平均固化層硬度Fig.2 The average cured layer strength of the sample at different contents of several components

2 抑塵劑復(fù)配方案

2.1 成分優(yōu)選

在上述研究基礎(chǔ)上確定了CPG型抑塵劑的復(fù)配方案，各成分均為48 μm粒徑以下固體粉狀原料，以質(zhì)量比例計(jì)，用量見(jiàn)表2。

表2 CPG型抑塵劑復(fù)配方案Table 2 CPG type dust suppressant compounding scheme

其中植物膠A分子量300～500萬(wàn)，植物膠B分子量50～80萬(wàn)，植物膠C分子量10～20萬(wàn)，利用靜電吸引作用，使用陽(yáng)離子改性植物膠原料[9]。聚丙烯酰胺類(lèi)分子量為1 500萬(wàn)以上。纖維素類(lèi)成分在25 ℃下2%的水溶液黏度為800～1 000 MPa·s。

2.2 制備及使用方法

將復(fù)合型植物膠抑塵劑固體粉末稱量后均勻混合，常溫時(shí)將粉末于800～1 000 r/min攪拌速度下均勻溶解為水溶液，攪拌時(shí)間為30～50 min，使用草酸或檸檬酸溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5～7.5，最后獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.25%的溶液，黏度為28.5 MPa·s。

使用噴灑器均勻噴灑于礦山尾礦庫(kù)干灘區(qū)域、道路或料堆的表層。溶液用量為1.5～1.8 kg/m2。

3 抑塵劑應(yīng)用評(píng)價(jià)

以華北地區(qū)某鉬礦尾礦庫(kù)為例，區(qū)域存在季節(jié)性風(fēng)沙揚(yáng)塵，使用Mastersizer2000型激光粒度儀測(cè)試，該尾礦砂比表面積0.05 m2/g，平均體積粒徑440.68 μm(圖3)。在該區(qū)域風(fēng)力作用下，70%～80%左右的砂體發(fā)生躍移，此部分砂體主要粒徑在500 μm以下，占本樣品總量的65.96%，為粉塵的主要來(lái)源。樣品經(jīng)孔徑為38 μm的篩網(wǎng)處理并部分溶解后，測(cè)得水溶液Zeta電位值為-3.74 mV。

表3 尾礦庫(kù)砂體粒度分布Table 3 Particle size distribution of mine tailings pond sand body

細(xì)粒粉塵的低孔隙度使粘結(jié)更為致密，較高的比表面積增加了粘結(jié)劑的接觸和作用面積。抑塵劑固結(jié)后，高粒度砂體往往無(wú)法形成平整的砂體表面，風(fēng)蝕作用影響更明顯。

實(shí)驗(yàn)室中將樣品噴灑后進(jìn)行20 mL/s流速水蝕實(shí)驗(yàn)10次，平均質(zhì)量損失率小于0.1%。測(cè)得潤(rùn)濕層厚度30～45 mm，固化層厚度10～15 mm，100 ℃和-20 ℃下均保持良好抑塵效果。

尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)得潤(rùn)濕層厚度50～60 mm，有效保濕時(shí)間5～7 d，固化層厚度10～15 mm，固化層保存時(shí)間15～20 d。在20 m/s的風(fēng)速下，單位時(shí)間和面積的平均風(fēng)蝕量為1.83 g/(m·min)。

使用AKF-92A礦用粉塵采樣儀測(cè)量粉塵濃度，設(shè)抑塵效率為P(%)、背景空氣粉塵濃度m0、未噴灑時(shí)現(xiàn)場(chǎng)空氣粉塵濃度m1、噴灑后濃度m2。利用式(1)計(jì)算CPG型抑塵劑對(duì)PM10的抑塵效率[10]，并與市面某礦用無(wú)機(jī)型潤(rùn)濕抑塵劑(Inorganic wetting dust suppressant，簡(jiǎn)稱“IW抑塵劑”)進(jìn)行對(duì)比，配比及用量均為廠家提供的參考值。

(1)

圖4為三種試劑的抑塵效率統(tǒng)計(jì)，僅噴灑水的保濕時(shí)間為1～2 d，抑塵能力下降迅速，干燥后幾乎失去抑塵效果。兩種抑塵劑對(duì)PM10抑塵效果皆略優(yōu)于PM2.5，IW型抑塵劑保濕時(shí)間為3～4 d，固化層質(zhì)脆且吸附能力一般，硬度小于30 HA，12 d后PM10抑塵效率低于50%。CPG型抑塵劑保濕時(shí)間5～7 d，5 d時(shí)間內(nèi)PM10抑塵效率高于90%，固化層在10 d后可以繼續(xù)保持強(qiáng)度，且維持抑塵效率在70%左右并趨于穩(wěn)定。

圖3 三種試劑時(shí)間—抑塵效率關(guān)系Fig.3 Relationships between time and dust suppression efficiency of three reagents

4 結(jié)論

1)CPG型抑塵劑在礦山應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中可取得良好的抑塵效果，PM10抑塵效率在5 d高于90%，且抑塵有效期更久，其中植物膠成分因其優(yōu)秀的成膜特性以及保水、固結(jié)特性在CPG型抑塵劑中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。抑塵劑各成分皆有較好的生態(tài)環(huán)保性，無(wú)毒害和腐蝕作用，原料易得且成本可控。

2)依據(jù)各組分的配比與抑塵性能的相關(guān)性，優(yōu)選最佳的復(fù)配方案，使抑塵劑的潤(rùn)濕、保濕、固結(jié)性能最佳化，并易于現(xiàn)場(chǎng)操作。選用了溶解性、分散性更佳的陰離子表面活性劑，且用量需達(dá)到溶液臨界膠束用量，結(jié)合溶液黏度限制，確定了最佳保濕效果和固化效果下各功能性組分的含量。

3)礦用抑塵劑結(jié)合礦山條件和塵樣理化性質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性研制，可以充分發(fā)揮抑塵效果。例如針對(duì)尾礦粉塵帶電性質(zhì)使用陽(yáng)離子改性植物膠成分，針對(duì)噴播過(guò)程中滲透速度和分散狀態(tài)，采用高低分子量結(jié)合的復(fù)配方案。