高分子抑尘剂对褐煤矿场细颗粒物的抑制特性

杨树莹，周 磊，杨林军，杨 超

(1.东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096; 2.秦皇岛首创思泰意达环保科技有限公司，河北 秦皇岛 066004)

我国是煤炭资源消耗大国，在煤炭的开采、储存、运输、燃烧等过程均会产生大量的粉尘，对环境造成严重的污染[1]。其中，呼吸性粉尘尤其是PM2.5易与空气中的有害物质如重金属、有机烃化物等结合，通过呼吸系统进入人体后，沉积在呼吸道及肺泡中，对人体造成严重危害，因而受到社会广泛关注[2-3]。2017-06-13，环保部发布《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》等20项国家污染物排放标准修改单的公告(征求意见稿)中，对物料运输、装卸、储存、转移与输送及生产工艺过程等，全面增加无组织排放控制措施要求[4]。

自20世纪30年代以来，运用化学抑尘技术解决开放性尘源污染问题得到人们广泛的认可，化学抑尘剂也因其经济实用性具有广阔的发展前景[5]。根据化学抑尘的润湿、黏结、凝聚等机理，李成等[6]将传统的化学抑尘剂分为四大类:润湿型、黏结型、凝聚型和复合型，并分析了各自的适用范围和优缺点。XI等[7]将聚乙二醇与十二烷基硫酸钠混合制备一种抑尘剂，并研究了抑尘剂的热特性、临界胶束浓度、润湿性和黏附性。MIGUEL等[8]使用生物柴油的甘油副产品在140 ℃的条件下由酸催化开发得到一种有效的抑尘剂，可以防止颗粒物质的分散。近年来，抑尘剂逐渐向绿色环保、专一高效、节能廉价、生态相容等方向发展。罗瑞冬等[9]以大豆分离蛋白为原料，加入十二烷基硫酸钠、羧甲基纤维素钠、甲基硅酸钠等加热搅拌制备了一种新型抑尘剂，实验发现该抑尘剂有广泛的适用性，技术指标和经济指标均优于市售产品。SCHWENDEMAN等[10]针对煤炭切割开采过程产生的呼吸性粉尘，开发了一种由水溶性聚合物和表面活性剂组成的泡沫抑尘剂，抑尘效率达90%～95%。TANG等[11]的研究结果首次揭示了，可吸入烧结粉尘的疏水性是由含有n-烷基链和芳香基团的有机物通过亲水官能团键合形成的疏水外壳所决定的，以非离子表面活性剂通过疏水尾端吸附于可吸入烧结粉尘表面，使其亲水基团暴露在水中，可达到有效充分润湿的目的，这对于粉尘控制具有重要意义。

现有抑制可吸入煤尘的研究多用于煤矿综采工作面等高浓度粉尘场所，且实验所用的煤料来源广泛，煤质组分各不相同，抑尘剂的性能应用缺少针对性。对应用结壳型抑尘剂专向控制褐煤露天矿场的细颗粒物，目前国内外鲜有研究。褐煤资源在中国的储量丰富[12]，随着煤炭资源的开发和消费，优质煤炭日渐衰竭，未来褐煤将成为我国主要的动力用煤[13]。笔者选取高分子单体和表面活性剂各4种，通过考察固化层结壳性能及添加表面活性剂对褐煤润湿性能，优选出性能优良的高分子单体和非离子表面活性剂并将其复配。通过在抑尘模拟实验平台开展抗风蚀性能实验，对比不同单体浓度、风速条件下固化层被风吹蚀后颗粒物浓度和粒度分布变化，得到一种工艺简单、廉价易得、褐煤矿场专用的结壳型抑尘剂配方。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用煤粉来自内蒙古褐煤，将褐煤煤粉过100目标准筛以作实验样品;选取4种类别的高分子单体，可以与水相溶配制成溶液;选取阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂各2种，见表1。

1.2 实验平台

抗风蚀抑尘实验平台如图1所示，采用有机玻璃制作，由送风机段与风道、实验舱主体、分析检测系统等组成。实验舱长、宽、高分别为1.2，1.0，1.0 m，设有粉尘添加、喷雾等设施，底部设置放水阀门;风道内设置风向调节装置、风速仪、烟尘采样仪及电称低压冲击器(ELPI)测口。风道尺寸满足风道内流速可达20～30 m/s，开启轴流风机，调整频率可改变平台内部风速，可在实验平台中部开孔处使用便携式风速仪对风速进行测试。抗风蚀性能实验在模拟平台的风道内进行，调整风道内流速，在风道尾部用ELPI测量颗粒物浓度及粒径分布变化情况，模拟考察不同抑尘剂浓度、不同风速条件对抑尘剂性能的影响。

表1实验所用材料
Table1Materialsusedinexperiments

图1 抑尘性能实验平台Fig.1 Dust suppression performance experimental platform

1.3 测试仪器及方法

颗粒物浓度及粒径分布采用芬兰Dekati公司生产的ELPI在线实时测量。ELPI通过颗粒荷电、惯性分级及测量分级荷电量来确定颗粒物浓度和粒径分布特征，主要包括三分荷电器、冲击器和多通道静电仪3个部分。颗粒物通过取样口经荷电器荷电，荷电颗粒通过冲击器完成惯性分级，静电仪测得的电流信号通过计算机进行分析处理，从而得到颗粒物的浓度和粒径分布。

褐煤煤粉粒径分布采用丹东百特科技有限公司的BT-9300ST型激光粒度分析仪测量。

接触角的测定采用上海中晨数字技术设备有限公司的JC2000D2型接触角测量仪，将液滴滴在加压成型的煤粉样品表面，与接触角测量仪关联的高速摄像头对全过程进行录像，截图后在jc2000d软件上分析得到该浓度溶液在褐煤粉尘表面的接触角。

表面张力采用山东淄博本创仪器有限公司的BCZ-800型全自动界面张力仪进行测试。

褐煤煤粉及固化层形貌采用LEO1530VP场发射扫描电子显微镜(SEM)分析。

1.4 实验方法

1.4.1 结壳性能衰减实验

将高分子单体按照质量分数0.1%～1.1%配制溶液(液体物料按照其固体含固量进行配制)待用。将过筛后的褐煤煤粉放入烘箱，80 ℃条件下烘干2 h。取烘干后的煤粉15 g放入直径9 cm的培养皿内，均匀平铺。将高分子单体溶液按照2 L/m2喷洒在褐煤煤粉表面，在室温条件下自然失水，待其表面板结后用邵氏硬度计测量表面壳层硬度。每次在壳层表面取10个点进行硬度测试，取平均值作为该组实验的结壳硬度，并计算测试误差。每隔24 h重复测试，共采样10次。

1.4.2 接触角实验

4种表面活性剂按照质量分数0.03%，0.05%，0.07%，0.10%，0.30%，0.50%配制溶液，利用粉末压样机将实验煤粉在20 MPa压力下压实，形成具有压光平面的圆柱体试片。用JC2000D2接触角测量仪分别测定以上各质量分数溶液在褐煤粉尘表面的接触角大小。

1.4.3 抗风蚀性能实验

称取600 g过筛烘干后的褐煤煤粉置于长300 mm、宽210 mm、高15 mm的托盘中，将上述经初步筛选所得抑尘剂配方溶液喷洒在煤粉表面，自然风干表面固化后置于风道内。调整风道内风速分别为5，10和15 m/s时，在风道尾部用ELPI实时测量颗粒物浓度及粒径分布变化。

2 实验结果与讨论

2.1 褐煤颗粒粒径分析

将过100目筛的褐煤煤尘置入BT-9300ST激光粒度分析仪进行测试，褐煤煤粉粒度分布如图2所示。结果显示，煤粉粒径范围在100 μm以下，其中中位径为26 μm，PM10约占煤粉总量的18%，PM2.5约占煤粉总量的4.3%。

图2 褐煤煤尘粒度分布Fig.2 Particle size distribution of lignite coal dust

2.2 结壳性能衰减实验

结壳硬度是评价固化层性能的重要指标，硬度越

大，固化层抵抗外界扰动的能力越强，可有效避免因壳层破裂而引起的二次起尘现象。图3是4种单体溶液在不同质量分数条件下，固化层表面硬度随时间变化图。对比图3可以看出，结壳层平均硬度优劣顺序依次为羧甲基纤维素钠≈瓜尔豆胶>聚丙烯酸乳液>聚丙烯酰胺。在实验观测的10 d内，固化层硬度随时间变化上下波动，第5 d开始呈下降趋势，8 d后渐趋稳定;随着单体溶液质量分数增大，结壳硬度先增大而后略有降低。聚丙烯酸乳液、瓜尔豆胶、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠喷洒到褐煤表面形成的固化层在第5 d能达到最大硬度，分别为64.11，65.24，54.42，62.83，对应单体溶液最佳质量分数分别为0.9%，0.7%，1.1%，0.5%。实验发现，壳层硬度并不完全随质量分数增大而不断增大，单体溶液质量分数变大随之黏度也增加，导致其在褐煤散料表层不易渗透，下渗量小，难以形成具有一定厚度和强度的固化层[14]。质量分数0.7%的瓜尔豆胶溶液结壳性能优良，相较第1天硬度55.74，10 d后增大到61.43，提升了10.2%。综合上述实验结果，瓜尔豆胶表现出良好的结壳性能，因此选择瓜尔豆胶作为抑尘剂配方主体。

图3 时间对固化层硬度的影响Fig.3 Effect of time on solidified layer hardness

2.3 固化结壳前后颗粒物形貌变化

为探寻固化结壳对细颗粒物微观形貌的影响，使用LEO1530VP场发射扫描电子显微镜对喷洒抑尘剂前后的颗粒物形貌特征进行分析。如图4(a)所示，褐煤粉尘相互之间无明显黏附现象，结构疏松，颗粒间隙大，散乱地堆排在一起;由图4(b)可以看出喷洒抑尘剂后褐煤散料在瓜尔豆胶溶液的黏着力作用下，紧密的凝聚在一起，形成完整的板块状固化层，表面平整，褐煤颗粒间隙明显变小，密实黏结甚至重叠，结构紧凑。

图4 喷洒结壳剂前后褐煤颗粒的电镜Fig.4 Change of SEM before and after spraying dust suppressant

2.4 表面张力实验

表面活性剂溶液表面张力值的大小，可以作为在宏观上反映表面活性剂对褐煤粉尘润湿能力的参考依据[15]。将4种表面活性剂按照质量分数0.03%，0.05%，0.07%，0.10%，0.30%，0.50%配制溶液，采用BCZ-800型全自动界面张力仪分别测定以上各质量分数溶液的表面张力。图5是4种表面活性剂溶液在不同质量分数条件下表面张力的变化图，测得室温条件下纯水的表面张力值为71.2 mN/m。由图5可以看出，实验所用4种表面活性剂均能降低溶液表面张力，表面张力由小到大的顺序为:TX-100

图5 质量分数对表面活性剂表面张力的影响Fig.5 Effect of concentration on surface tension of surfactant

2.5 接触角实验

首先测得纯水对褐煤粉尘的接触角为48.75°，并以此作为评判标准。由图6可以更直观地发现，加入4种表面活性剂均可以降低溶液对褐煤粉尘的接触角，提高其润湿性。同浓度条件下，非离子表面活性剂对褐煤煤尘的接触角小于阴离子表面活性剂，润湿性能更好。这是因为阴离子表面活性剂在溶液中会电离出带负电的表面活性离子，这些离子吸附于煤尘表面时相互之间产生电性排斥，也会与带负电的褐煤煤尘表面同性相斥，因此阴离子表面活性剂在褐煤表面的吸附能力小于非离子表面活性剂，导致其接触角大于非离子表面活性剂[17]。图7呈现的是表面活性剂溶液在褐煤表面的接触角与质量分数的关系，可以看出所选4种表面活性剂对褐煤的接触角均随质量分数增大而减小，润湿能力逐渐增强。曲拉通X-100对褐煤的接触角随质量分数变化较明显，质量分数0.5%时其接触角为14.76°，比质量分数0.1%时的26.52°降低44.34%，比同浓度的十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、吐温-20分别低了43.3%，38.1%和35.4%。润湿性能优劣排序为曲拉通X-100>TWEEN-20>SDBS>SDS。

图6 纯水和质量浓度0.1%的各表面活性剂溶液在褐煤表面的接触角Fig.6 Contact angle of pure water and 0.1% surfactant solution on lignite

图7 质量分数对接触角的影响Fig.7 Effect of concentration on contact angle

对比图5和7可发现，表面活性剂溶液对褐煤的润湿能力与其表面张力值的大小不成正比。吐温-20溶液的表面张力高于SDS和SDBS，但其润湿性能优于SDS和SDBS。因此，表面张力不能作为评价表面活性剂溶液对褐煤粉尘润湿性能的唯一指标，考察其对褐煤的润湿性能需综合考虑溶液的气-液表面张力及溶液与褐煤煤尘的液-固表面张力2个方面因素[18]。

表面活性剂是由亲水基和亲油基等构成的两亲性化合物，当其溶于水后活性剂分子可在气液表面上定向排列形成界面吸附层[19]。不仅大大降低水溶液的表面张力，也消除了水滴与褐煤尘粒间的电性排斥，同时亲油基端与褐煤颗粒间存在吸附作用从而润湿煤尘，改善单体溶液因黏度大而难以在煤堆表面渗透的状况[20-21]。综合接触角和表面张力实验结果，曲拉通X-100表现出优异的润湿性能，选取曲拉通X-100作为抑尘剂配方中的润湿剂，质量分数为0.1%。

2.6 抗风蚀性实验

将质量分数0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.1%的瓜尔豆胶溶液分别与质量分数0.1%的TX-100溶液复配喷洒在托盘内的煤粉表面，自然风干固化后置于模拟平台风道内。图8是喷洒不同质量分数抑尘剂的煤样表面结壳后，在模拟实验平台经风机直流吹蚀颗粒物的数量浓度分布结果。实验测得未喷洒抑尘剂的褐煤散料经5 m/s风速的吹蚀后颗粒物数量浓度为2.57×107cm-3，由图8可以观察到，各浓度抑尘剂的固化层均能抵抗5 m/s风速的侵蚀，细颗粒物数量浓度在7.58×104～9.39×104cm-3，抑尘效率提高了99.6%～99.7%，风速提高时被风吹蚀的颗粒物浓度逐渐增加。瓜尔豆胶单体质量分数0.1%的抑尘剂溶液形成的固化层硬度最小，抗风蚀能力最差，风速5 m/s时颗粒物数量浓度为9.39×104cm-3，风速10 m/s时颗粒物数量浓度达到1.98×106cm-3，风速15 m/s时颗粒物数量浓度迅速攀升至3.39×106cm-3，比风速5 m/s的颗粒物数量浓度增大了97.2%。随着单体质量分数的增大，被风吹蚀的颗粒物数量浓度逐渐降低，褐煤粉尘结壳层抗风蚀能力逐渐增强。这是因为单体浓度增大，抑尘剂对颗粒物的黏着能力随之增强，褐煤颗粒紧密黏结形成的固化层越发坚硬，不易受外界扰动影响。单体质量分数0.7%的抑尘剂抗风性能最强，颗粒物数量浓度随风速增加无明显变化，能抵抗15 m/s的大风吹蚀。当单体质量分数超过0.7%时，实验煤样表面开始出现大块裂缝，风速增大后，固化层不完整的上表面无法对下方散煤起到防护作用，颗粒物数量浓度逐渐增大，抗风能力减弱。喷洒瓜尔豆胶单体质量分数1.1%的抑尘剂的煤样在风速15 m/s时被吹蚀出的颗粒物数量浓度为2.69×106cm-3，比喷洒质量分数0.7%抑尘剂的煤样结壳层被15 m/s大风吹起的细颗粒物数量浓度增大约90.3%。按照风力等级表，15 m/s风速对应为7级劲风，质量分数0.7%瓜尔豆胶的固化层能抵抗15 m/s风速侵蚀而不受影响，足以应对北方大风天气。

图8 各浓度抑尘剂风蚀后的颗粒物数量浓度变化Fig.8 Change of fine particle concentration

图9为15 m/s风速条件下喷洒瓜尔豆胶单体质量分数0.1%和0.7%的抑尘剂的结壳煤样经风吹蚀后颗粒物的粒径分布，由图9可以看出，粒径呈典型的单峰分布。未喷洒抑尘剂时，被风吹起的褐煤颗粒数量浓度峰值出现在0.02 μm左右，对应数量浓度为2.12×106cm-3;质量分数0.1%的颗粒物数量浓度峰值出现在0.075 μm左右，对应数量浓度为5.37×105cm-3;单体质量分数为0.7%时颗粒物数量浓度峰值出现在0.85 μm左右，数量浓度减少至3.69×105cm-3。

图9 质量分数0.1%和0.7%抑尘剂风蚀后颗粒物粒径分布Fig.9 Change of diameter distribution after wind erosion

采用分级抑尘效率进一步考察抑尘剂对细颗粒物的抑制效果，分级抑尘效率定义为某一级颗粒数浓度变化与未喷洒抑尘剂时该级颗粒数浓度比值的百分率:

式中，Ni0,Nit分别为未喷洒抑尘剂和喷洒抑尘剂后第i级粒径段的颗粒数浓度。

图10 质量浓度0.1%和0.7%抑尘剂的颗粒物分级抑制效率Fig.10 Change of particle classification inhibition efficiency

由图10可以看出，瓜尔豆胶单体质量分数0.1%时，粒径0.1 μm左右的颗粒物分级抑制效率仅有30.1%，粒径超过0.3 μm时抑制效率可达90%以上。当单体质量分数由0.1%增大到0.7%时，低粒径段抑制效率总体由30.1%提高至94.4%，粒径0.1 μm左右的细颗粒物抑制效率增幅达64%。这表明该抑尘剂对细颗粒物的抑制效果非常明显，颗粒物数量浓度降低的同时，粒径分布也相应产生变化，峰值向大粒径段移动。该抑尘剂对细颗粒物的抑制效果主要体现在:瓜尔豆胶溶液具有一定的黏着力使褐煤颗粒黏结在一起，同时也增大褐煤颗粒间的黏着强度，使多个小颗粒黏附连结形成较大的颗粒，曲拉通X-100溶液辅以润湿作用，增强瓜尔豆胶溶液在煤堆中的渗透效果，二者协同促使表面形成具有一定厚度和强度的固化层覆盖在煤堆上以达到抑尘目的。

将固化层硬度与15 m/s风速吹蚀后的颗粒物数量浓度建立对应关系，得到图11。将表面自然固化10 d后的壳层硬度与颗粒物数量浓度进行线性拟合，得到回归方程的相关系数R2=0.917 2，这表明二者之间存在良好的线性关系。固化层硬度越高，风蚀后颗粒物数量浓度越低，抗风蚀性能越强，抑尘效率越好，这一结论与前面实验结果相一致。

图11 固化层硬度与细颗粒物数量浓度的关系Fig.11 Relationship between curing layer hardness and fine particle concentration

3 结 论

(1)针对褐煤露天矿场产生的细颗粒物研制出一种高效环保的结壳型抑尘剂，抑尘剂最佳配方为0.7%的瓜尔豆胶和0.1%的曲拉通X-100，抑尘效率达94.4%以上。

(2)实验发现，表面活性剂的表面张力与其对褐煤粉尘的润湿能力不成正比，考察表面活性剂溶液对褐煤粉尘的润湿性能需综合考虑溶液的气-液表面张力及溶液与褐煤煤尘的液-固表面张力2方面因素。

(3)对比喷洒单体质量分数0.1%和0.7%的抑尘剂溶液形成的固化层，风蚀后颗粒物粒径峰值向大粒径段移动，细颗粒物抑制效率明显提高，相应细颗粒物数量浓度也大大降低，表明该抑尘剂对细颗粒物控制效果明显。

(4)通过扫描电镜图可以明显观察到喷洒抑尘剂后褐煤颗粒被紧密黏结在一起形成完整呈板状的坚硬壳层，形成固化防护作用。验证得知固化层硬度与经风蚀后产生的颗粒物数量浓度存在良好的线性关系，固化层硬度与抗风抑尘效率成正比。