抑尘剂控制扬尘污染的研究——以西安市扬尘污染分析为例

蒋 涛，白慧莉，孙 宇

（1.陕西省西安市环保大气处，陕西 西安 710021；2.陕西省铜川市环境监测站，陕西 铜川 727000；3.陕西省西安市碑林区环保局，陕西 西安 710068）

1 扬尘的含义及污染机理

众所周知，水、空气和固体废弃物是影响城市环境质量的3个主要因素；在空气中，SO2、NO2和可吸入颗粒物PM2.5，构成衡量城市空气质量的主要指标；据环保部发布的大气环境质量状况公报显示，可吸入颗粒物PM10已经成为包括西安在内的很多北方城市中最主要的空气污染物。

因此，如何控制城市可吸入颗粒物PM10污染就成为提高城市空气质量的关键。

国家环境空气质量标准（TSP、PM10）如表1表示。

表1 环境空气质量标准

1.1 扬尘的含义

1.1.1 扬尘的定义

扬尘是指排放源直接排放至空气中的颗粒物，或排放源排出的颗粒物沉降后又在风力或其他自然力、机械力、人类活动扰动下，再次或多次进入空气形成的大气污染[1]。

1.1.2 扬尘的分类

研究发现，扬尘包含了分散度不同的一系列颗粒物，如表2所示。

一般意义上说，扬尘污染主要指r≤10μm的固体颗粒物即PM10污染。

1.1.3 扬尘的特性

（1）扬尘的颗粒物是疏水性的，很难被水湿润[2]；

（2）扬尘颗粒物在大气中停留的时间为7～30d，可以远距离传输，从而造成更大范围、更远距离的污染；

（3）扬尘的污染往往是开放性和随机性的，在许多情况下，扬尘污染很难控制。

PM10浓度与空气质量的关系如表3所示。

表2 扬尘分类及特性

表3 PM10浓度分级限值与空气质量描述

1.2 扬尘污染机理

1.2.1 扬尘起动机理

（1）在风力作用下，当风速接近某个临界值v时，个别颗粒物受到湍流和脉动压力的影响开始在原位置振动[3]；

（2）当风速超过v时，振动随之加强，迎面阻力和上升力就相应增大，并足以克服重力作用；在旋转力矩作用下，一些能量高且不稳定的颗粒物会首先沿地表滚动或滑动；

（3）在滚动或滑动过程中，当部分颗粒物碰到地表凸起颗粒物或被其他运动尘粒冲击时，会迅速改变原水平运动方向为垂直运动方向，骤然向上跃起，进入气流开始运动，这样就形成了扬尘。

由以上可知，外冲击力是尘粒起跳的主要作用力。因此，应尽量避免外冲击力，以免激起第一颗尘粒而引发扬尘。

1.2.2 扬尘的影响因素

研究得知，影响扬尘污染的主要因素是尘土含湿量及尘土颗粒大小。

（1）尘土的含湿量。

若尘土含湿量大于50g／kg时，可保证扬尘浓度低于2mg／m3，因此要防治扬尘，就要确保土层保持一定含湿量（图1）。

图1 尘土含湿量与空气中粉尘浓度关系曲线

实际生活中，降水可对扬尘污染的产生起到一定的抑制作用，主要原因在于降水增加了空气中颗粒物的湿度，使小颗粒物聚结成团，并沉降到地面，对空气中的污染物起到了冲刷净化的作用，雨雪天气过后空气含湿量增大，就会很清新。

（2）尘土的颗粒大小。

粉尘沉降速度可用以下关系表述：

式中：Vt为粉尘沉降速度；r为粉尘粒径；μ为运动粘性；θr为外摩擦因数；ρ粒为粉尘密度；ρ流为气流密度。

从图2可以看出，粉尘沉降速度Vt随粉尘粒径r和粉尘密度ρ的增加而增大，因此设法增加粉尘的粒径和密度是控制扬尘的有效途径。

图2 粉尘沉降速度和粉尘粒径、密度关系曲线

2 西安市扬尘污染分析

2.1 西安市自然条件

西安市地处关中平原中部，西北部开阔，东南部狭窄，市区平均海拔400m，秦岭山地与渭河平原界限分明，境内海拔高度差异悬殊位居全国之首，这种地形地貌特点使西安市形成独特的大气层状况及局地气象条件，关中盆地及渭河河谷盆地底部容易形成冷气垫，因此污染物扩散困难[4]。

尤其是进入冬季以后，较为明显的热岛效应、逆温、静风、大雾等不利气象因素使环境空气中的污染物不易扩散；加之冬季干燥，缺少明显的雨水冲刷作用，这些因素都直接影响到西安市环境空气质量。

2.2 西安市空气质量概述

近年来，经过全市各级环保等相关部门和西安市民的共同努力，西安市的空气质量得到极大的改善，环境空气质量良好以上天数由2008年的175d增加到2011年的295d，再到2012年的301d，达到有自动监测数据以来的最高纪录。

2.3 西安市空气污染的主要因素——扬尘污染

（1）据统计：2012年降尘年均值为22.70t／km2·月，超过省控标准（18t／km2·月）。

（2）2012年西安市SO2和NO2监测结果均好于国家二级标准，而可吸入颗粒物PM10日均值为0.113mg·m－3，超国家二级标准13%，在没有达到二级标准的65d中，PM10超标64d，占98%。所以扬尘尤其是PM10污染是造成西安空气污染的主要因素，如图3所示。

图3 超标天数因素比例分布

2.4 西安市PM10的分布规律

2012年西安市PM10的月均浓度分布如表4所示。

表4 2012年西安市PM10的月均浓度 mg／Nm3

全年最高峰值浓度出现在12月份，平均浓度达到了0.168mg／Nm3，最低浓度在9月份，月均浓度为0.079mg／Nm3，如图4所示。

图4 西安市2012年PM10月均浓度变化

依据国家空气质量标准比较，该年度1、2、3、4、5、10、11、12月的月平均PM10浓度以及2012年均浓度都超过了国家空气质量年平均二级标准。

由于全年空气质量存在着明显的季节差异，总体分布是冬季最高，春季次之，夏季低于春季，秋季质量浓度最低，如表5、图5所示。

表5 2012年西安市PM10浓度随季节变化关系mg／Nm3

图5 西安市2012年PM10浓度季节变化趋势

2.5 西安扬尘污染的来源

2.5.1 远程源扬尘

西安市位于黄土高原南缘，上游天气区如新疆、甘肃、宁夏、青海和内蒙古沙漠区的生态环境相对脆弱，易发生沙尘天气；在冬、春季节，受盛行的偏北风作用，携带高浓度沙尘颗粒的气团从新疆及内蒙古沙漠区广袤的干旱、半干旱地区向西安迁移，途经了东亚主要的沙漠、戈壁、荒漠地区，以及沿线高污染城市如兰州、金昌等，北方沙漠区地表的细颗粒和高污染城市的工业污染扬尘颗粒（常以PM10为主）就被输送到西安市上空形成远程源扬尘。

2.5.2 近程源扬尘

受季风作用，主要来自榆林风沙区和黄土高原细腻、低粘性的黄土颗粒也被输送到西安上空形成近程源扬尘。

2.5.3 本地源扬尘

（1）自然扬尘。西安市处于西北半干旱地区，降雨量小，又因植被减少，裸露地面增加，生态环境脆弱，气候干燥、静风等因素，各种沉降在地面的颗粒物、气溶胶离子受气流扰动再次进入空气，形成自然扬尘。

（2）道路扬尘。①由于城市机动车辆增加，交通运输过程中洒落于道路上的渣土、煤灰、垃圾等各种固体物，以及沉积在道路上的其他排放源排放的颗粒物，经往来车辆的碾压后形成粒径较小的颗粒物与排放的尾气颗粒物混合进入空气[5]；②车辆通过路面时形成的高速气流扰动道路周边尘粒形成扬尘。

以上两种作用相互叠加就形成了道路扬尘。

（3）建筑扬尘。由于西安市政建设的迅速发展，在建筑施工过程中防尘措施落实不到位，料堆遮挡不够完整；不能及时覆盖和清理建筑垃圾；施工现场的路面不能及时清扫；出入工地的机动车不能及时清洗等，均易产生建筑扬尘。

（4）露天料场。各类工业废料、建筑材料、泥土、粉煤灰、碱渣、原煤、垃圾等的堆放场，未采取防尘措施，是扬尘的又一重要来源。

2.5.4 扬尘污染特点

总体分布以城市中心区域为主，由城区外围向城市中心区域不断加剧。

扬尘污染包含：

（1）远程源的沙尘及工业尘粒污染物；

（2）近程源的低粘性黄土尘粒污染物；

（3）本地源的混合尘粒污染物。

西安控制扬尘污染的主要目标是有效控制本地源污染。

2.6 西安扬尘组分分析

2.6.1 采样

为使测定结果具有一般代表性，从西安市区的不同地点采集扬尘沉积样品4份，采集地点及周边环境状况如表6所示。

表6 采样点

2.6.2 组分检测结果

西安市扬尘化学组分如表7所示，土壤环境质量标准如图8所示，土壤A层背景值和土壤主要化学组分如表9所示。

表7 西安市扬尘化学组分的结果

表8 土壤环境质量标准 mg／kg

表9 土壤A层背景值和土壤主要化学组分 %

2.6.3 组分分析结论

通过以上数据，得出结论如下。

（1）由表7知，西安市4个采样点的扬尘中，烧失量、SiO2、Al、Fe、Ca、Mg、K 和 Na是主要组分，合计分别可占到扬尘总组分的86.22%，84.53%，86.04%和92.03%，其中SiO2含量在4个采样点均达到50%～60%左右。

（2）由表7知，扬尘组分在西安市不同地区的构成有较大差别，分析比较如表10所示。

表10 西安市不同采样点的扬尘组分比较

比较全国土壤A层背景值和土壤主要化学组成表可知，扬尘的化学组分与土壤化学组分相似；扬尘和土壤组分的主要差异表现为微量重金属污染物的含量不同。

可以推断出，西安扬尘污染主要来源于土壤沙尘的微小颗粒物，由市内大量裸露地面和城市环境卫生状况不佳造成。因此，如何消除城市裸露地面、减少松散土表层的微小土壤沙尘进入空气，是降低西安市扬尘污染的有效方法。

2.7 扬尘污染的危害

2.7.1 对人体健康的危害

扬尘中的PM10颗粒较小，比表面积大，因受到各种污染，富积大量有害元素如汞、铬、铅、铜、砷等，且含有大量的细菌和病毒，被人体吸入到体内后会造成呼吸系统感染和病原传播扩散，导致组织、器官等受损，甚至致畸、致癌[6]。PM10对人体的危害如表11所示。

2.7.2 对城市环境的影响

（1）对城市景观和交通安全的影响。由于PM10和PM2.5对光的散射效应、吸收效应等，使物体和环境之间失去了对比度，对环境空气视觉景观和交通安全都会造成较大影响。

表11 PM10对人体的危害

（2）对气温的影响。由于大气颗粒物的存在，直接阻挡太阳光抵达地球表面，这样使可见光的光学厚度增大，抵达地面的太阳能通量剧烈下降，从而使地面温度降低，高空的温度增高。特别是直径在0.1～5μm的颗粒，通过散射和吸收太阳与地面辐射，对大气温度作用显著[7]。

（3）对酸雨的影响。空中粒径较小的气溶胶细粒子相对较多，这些粒子主要来源于燃料燃烧等人为活动，其中含有经过酸性污染物SO2和NOx转化形成的硫酸盐和硝酸盐，这部分粒子具有的较强酸性通常会导致酸雨[8]。

2.7.3 对经济发展的影响

长期的扬尘污染致使城市大气质量严重下降，成为制约城市经济发展的一个因素。

（1）严重的城市扬尘污染是城市招商引资、吸引外来人才的不利因素；

（2）影响西安市旅游产业的发展；

（3）在工业生产中扬尘会使设备磨损使其寿命大大减少；在高粉尘环境中，汽车发动机的使用寿命也会大幅降低。

因此，扬尘污染会直接影响西安市经济发展的速度。

2.8 扬尘污染控制措施

从扬尘污染机理可知，增加尘土含湿量及增大尘土颗粒，抵抗外力扰动，是控制扬尘的主要途径。

2.8.1 洒水防尘

洒水抑尘的作用主要在于润湿粉尘，使其相对密度增大，并粘结成较大的颗粒，使之在外力作用下不能飞扬，适用于温度低于20℃、相对湿度大于40%的条件。

缺点：用水量大、地表水分蒸发渗透快、抑尘时间短（夏季约持续30min）。

优点：比较简单、方便，故许多地市还在沿用。

2.8.2 遮盖防尘

建筑工地采用织物遮盖，可以有效防止风力扰动而形成的扬尘；

缺点：无法对道路、施工现场等日常活动较频繁的场所进行遮盖，对城市景观也有影响。

2.8.3 抑尘剂防尘

对于道路、施工工地、矿物料场等容易产生PM10的场所，若直接洒水防尘，由于水的表面张力较大，微细尘粒不易被水润湿，因而防尘效果不佳，如对2μm粉尘的捕获率只有1%～28%[9]。

如果在水中加入抑尘剂后，水的表面张力大大减小，能在尘土表面形成固化层，达到保湿和凝并、固结尘土颗粒的作用，因此控制扬尘效果显著。

总之，控制扬尘污染是一项紧迫而艰巨的任务，必须找准根源，查清原因，采取措施，常抓不懈，依法管理，才能将西安市扬尘污染降到最低程度。

3 CX型抑尘剂治理扬尘可行性分析

3.1 技术

使用抑尘剂可以使尘土表面形成一层固化层，不但能使尘土保持一定的含湿量，并且使尘土小颗粒凝聚成大颗粒，增大扬尘颗粒的密度，加快扬尘颗粒的沉降速度，从而减少空气中的扬尘，达到控制扬尘的目的，实践证明使用CX型抑尘剂是一种新型、有效的防治扬尘措施。

3.1.1 抑尘剂作用机理

CX型抑尘剂由保湿因子、固结因子、凝聚因子及表面活性剂等助剂组成，其作用机理主要是保湿、凝并和固结3种作用，并通过加入表面活性剂降低抑尘剂溶液表面张力，加强抑尘剂对尘土的渗透能力。

（1）保湿作用。①保湿作用的核心是使抑尘面始终保持一定的水分（4%～10%），利用湿润作用使粉尘密度增大，下降速度加快，抑制扬尘的产生。②保湿因子。该抑尘剂产品以淀粉为亲水主链，通过自由基引发接枝单体，合成分子链上存在大量亲水基的高吸水性化合物，以其作为保湿因子。由于各个分子链上的不同亲水基团相互作用，其吸水能力较强。

CX抑尘剂保湿因子中含有大量亲水基和疏水基。湿润因子溶于水时，亲水基一端使水的表层分子与空气接触状态发生变化，接触面积大大缩小，导致水的表面张力降低；疏水基与粉尘之间有吸附作用，而把尘粒带入水中，使得粉尘得到充分湿润。

（2）凝并作用。①凝并作用的核心是使抑尘面磨耗层的粒尘分布集中在r＞80目区间（颗粒的粒径为0.177mm），此时粉尘沉降速度较大。②凝并因子。从扬尘的化学组分来看，扬尘中以硅酸盐为主要成分，在有水情况下呈负电性，而高分子吸水树脂产物带有大量羧基阴离子，会造成聚合产物与扬尘颗粒之间相斥。通过引入凝并因子，既可使高分子化合物的羧基酯化，为接枝产物带入大量羟基，减少产物中阴离子比例，利于聚合产物溶液和扬尘颗粒结合，又可使线型接枝分子之间连接起来，形成更大的网状分子结构，增多分子内部网状结构，促进保水和吸收大气中的水分以便使泥土或粉尘聚合，从而防止扬尘。

（3）固结作用。①固结作用的核心是使抑尘面具有足够强度，运动物体的动态压力、摩擦剪切、冷凝拉伸等作用均不能使其表面结构受到破坏。②固结因子。CX抑尘剂的固结因子的主要成分是粘性有机物，当喷洒到尘土表面时，各相分子与尘粒间的相互作用，形成以范德华力为主的物理吸附和以化学键为主的化学吸附，促使乳状液与尘粒之间的固结。

表面活性剂的加入对以上3种作用起到促进和调节作用，它能在水面的憎水基与水和尘粒之间架起“通桥”，冲破尘粒表面吸附的空气膜，促进水对粉尘的润湿、凝结；由于破乳发生，表面活性剂分子在尘粒表面形成定向排列的吸附膜，能抑制其基底水的蒸发，使尘粒保持湿润的时间更长。

3.1.2 CX型抑尘剂生产制备

（1）将一定量的聚合物单体，加入适量的碱液中和，作为待反应液；

（2）在淀粉中加入一定量的水，于一定温度下糊化，等淀粉冷却后，加入引发剂和待反应液，在一定温度下进行接枝聚合，再加入适量的凝聚剂交联接枝聚合产物，制成成品。生产工艺流程如图6所示。

（3）抑尘剂产品外观。制成抑尘剂为乳白色悬浮液。

图6 生产工艺流程

3.2 实施

实践表明，喷洒水这类抑尘方法比较适用于温度低于20℃、相对湿度大于40%的条件下。而使用CX型抑尘剂控制扬尘的技术，在有效抑尘期内，一天24h都能使扬尘点周围空气质量达到规定的要求，且较水具有更好的防冰冻性能，在寒冷干燥的冬季仍然可以喷洒。这些都是洒水防尘做不到的。

抑尘剂可以采用人工、机械或铺设固定管网的方式进行喷洒作业。

（1）采用人工方式：喷洒面积＜1000m2，如农用喷雾器；

（2）采用机械方式：喷洒面积＞1000m2，如洒水车、安装射流喷嘴的水泵；

（3）针对固定料场或料堆：采用铺设管道或高位水箱连接喷头等方式。

实际应用证明，抑尘剂在实施中是可行的。

3.3 环境影响

抑尘剂的成分以淀粉基料，以高吸水性树脂主体，再添加各种表面活性剂作为湿润剂，其对环境影响上的优点是：

（1）无毒害，无污染，易分解；

（2）不影响植被生长，不造成二次污染；

（3）替代传统洒水方式，大量地节约了水资源。

实际应用证明，抑尘剂对环境无二次污染，在环境影响方面是可行的。

3.4 环境管理

（1）抑尘剂产品可桶装或袋装，储运方便，保存期长，且无毒、不燃，属于非危险品；

（2）稀释、喷洒设备与现有市政设备通用，且施工简便，易于维护；

（3）通过加入环保型颜料染色，可以使喷洒过的场地着色，易于监督管理。

所以采用抑尘剂防止扬尘污染管理上是可行的。

3.5 经济成本

比较洒水及织物覆盖，抑尘剂适用范围广、效果显著、保持期长，并成倍降低工耗，节约了宝贵的水资源，综合费用更低，如表12所示。

表12 抑尘剂与常规洒水、织物遮盖防尘材料成本对比

从表12可以看出：彩条布遮盖的材料成本是抑尘剂的2.0倍，洒水防尘的材料成本是抑尘剂的2.2倍，因此，抑尘剂在经济上是可行的。

4 结论

（1）CX型抑尘剂是针对西安市扬尘污染特点和扬尘化学组分制成的抑尘产品，可明显降低PM10等空气污染颗粒物浓度，从技术上克服了西安市空气质量达标的最大障碍，为西安市“蓝天行动”提供了切实可行的解决方案；

（2）CX型抑尘剂与纯水和织物遮盖比较，在对尘土的保湿、凝并和固结作用上有明显优势；

（3）使用CX型抑尘剂所需设备与现有市政洒水设备通用，且易于环境监督管理；

（4）CX型抑尘剂可自然降解，不影响植物生长，无二次污染，环境风险小。

综合以上分析，CX型抑尘剂作为一种环保型材料，应用于控制城市扬尘，从技术、实施、环境影响、环境管理、经济成本上等都是可行的。

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