道路施工环保型抑尘剂的制备及其性能评价

戴雯婧，甘延玲，叶绿萌，谢宗委，刘壮壮，贺烈华，黄海保，肖家勇

(1.中山大学 环境科学与工程学院，广东 广州 510275；2.湖南建工集团有限公司，湖南 长沙 410000；3.珠海市金湾区联港基础投资有限公司，广东 珠海 519090)

0 引言

大气漂浮的颗粒物会导致严重的环境污染，近年来，随着我国城市化的快速发展，道路施工扬尘对城市大气颗粒污染物贡献率愈加突出[1-2]。目前，国内道路现场施工路面一般采用泥土、碎石、泥结石或混凝土等形式，道路施工从土方的开挖到后期的填筑、整平，扬尘的产生几乎伴随整个施工过程[3-4]。扬尘中粒径较小的粉尘，易形成气溶胶，长时间漂浮在空气中，不易沉降，也不易于捕捉。这些粉尘不仅会降低能见度，增加相关工作人员伤亡事故的风险[5]，还会通过呼吸道进入体内，引发哮喘、慢性阻塞性肺疾病和肺气肿等疾病，严重情况下还会引起心血管疾病并导致过早死亡[6-8]，成为民众极为关心的环境问题和投诉热点。林方醒等[9]通过监测珠三角区域城市房建工程的扬尘排放，发现施工道路为主要扬尘超标部位。抑制扬尘已成为城市大气颗粒物控制的重要手段[10-13]。

喷洒水是抑制扬尘的一种常用方法，但水的粘度，耐久性和固结效果不佳，因此未得到广泛应用[14]。喷洒抑尘剂被认为是一种有效控制扬尘的措施。根据抑尘的机理差异，抑尘剂可以划分为四种类型：凝聚型、润湿型、粘结型和复合型，其中复合型抑尘剂可将润湿、粘结、凝并、吸湿、保水等功能结合为一体，抑尘效果显著，适用范围广泛，因此成为近年来的研究热点[15-17]。梁文俊等[18]利用玉米秸秆、羧甲基纤维素钠和工业碱 NaOH为原料，在常温下制备出粘度320 mPa·s，抗压强度220 kPa，能够有效抵御外界破坏和优异粘附性能的抑尘剂。来水利等[19]以羧甲基淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺为原料，在65 ℃微波辐射下以水溶液接枝共聚法制备了一种软膜抑尘剂，其保水性、抗震荡性及其抗风蚀性能均优于市售抑尘剂。SUN等[20]用淀粉作为原料，以甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰胺为单体，制备出最大可承受56.35 N的轴承压力，且在12 m/s风吹下，固尘率维持在80%以上的抑尘剂。李颍泉等[21]以丙烯酸为功能单体、甲基丙烯酸甲酯为硬单体、丙烯酸丁酯为软单体、过硫酸铵为引发剂，用乳液聚合法合成固质量分数为 51.0%，黏度为9.6 mPa·s，可稳定保存6个月的速溶型液体抑尘剂。目前，很多市售抑尘剂虽抑尘效果显著，但制备过程复杂、成本高、多半含有难降解单体，易对环境产生二次污染。此外，研究者在探究抑尘剂相关性能时，大多使用浓度较高的抑尘剂原液，而忽略了在实际喷洒应用中会将抑尘剂原液稀释相应比例，这会导致实验和实际应用效果存在较大差异。因此，在研发抑尘性能优异、环保经济的环境友好型抑尘剂的同时，非常有必要探究抑尘剂实际应用场景下的喷洒效果。

1 实验部分

1.1 实验试剂

水溶性淀粉，食品级，国药集团化学试剂有限公司；海藻提取液，食品级，新未来生物制品成都有限公司；羟丙基甲基纤维素，食品级，河北鹏宇生物科技有限公司；氯化镁，食品级，上海启仁化工有限公司；尼伯金复合酯，食品级，山东鲁森生物科技有限公司；市售抑尘剂1，浓缩液，河南君平新材料科技有限公司；市售抑尘剂2，浓缩液，大城县亦博化工有限公司。

1.2 实验仪器设备

Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司；Sigma 500型场发射扫描电镜，德国Carl Zeiss股份公司；德国克吕士K100型表面张力仪，克吕士科学仪器(上海)有限公司；T09-1S型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；NDJ-1型旋转式指针黏度计，上海绩泰电子科技有限公司；9076A型电热鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司。

1.3 抑尘剂原液制备

本研究采用原材料易得、安全环保、价格经济，制备过程简单的工艺来合成抑尘剂原液，在常温下将水溶性淀粉和羟丙基甲基纤维素按照质量比7∶0.5混合，并加入适量去离子水，用磁力搅拌器搅拌一定时间，使其充分混合溶解。然后加入0.1%～0.2%的氯化镁，搅拌使其充分混合反应，最后加入2.1%～2.5%的海藻提取液和0.1%的尼伯金复合酯搅拌混合均匀后封装保存。

1.4 尘样采集

由于道路施工扬尘一般具有较多的尘土和沙石粉末，为模拟试剂应用工况，本文选用沙土为原料。在裸露沙土地表面挖取适量沙土，除去其中较大的砂砾、枯枝、杂草和塑料垃圾等，置于太阳光下暴晒烘干，然后将沙土研磨过80目的筛子筛分，所得的样品为实验扬尘样品。

1.5 抑尘剂性能测试

通过前期初步预实验，选择将抑尘剂原液分别稀释2、4、6、8、10倍来测试其各项性能，包括保湿性、吸湿性、抗风蚀性、粘度和表面张力等，在保证抑尘效果的前提下，选择最经济的方法，达到最佳抑尘效果。

1.5.1 保湿性

准备6个规格为90 mm的培养皿，每个培养皿称取10 g尘样铺平，分别编号1～6，1号按照2 L/m2均匀喷洒水，作为对照组。2～6号分别均匀喷洒抑尘剂原液稀释2、4、6、8、10倍的溶液，喷洒量为2 L/m2。然后将培养皿放置在温度为35 ℃的电热鼓风干燥箱中，每隔1 h取出培养皿称重，并记录数据。保湿性根据保水率的大小来表征，其计算公式如式(1)：

(1)

式中：θ1为保水率，%；W2为每隔1 h测得培养皿的重量，g；W1为喷洒溶液后培养皿的重量，g；W0为培养皿初始的重量，g。

1.5.2 吸湿性

准备6个规格为90 mm的培养皿，每个培养皿称取10 g尘样铺平，分别编号1～6，1号按照2 L/m2均匀喷洒水，作为对比试样。2～6号分别均匀喷洒抑尘剂原液稀释2、4、6、8、10倍的溶液，喷洒量为2 L/m2。喷洒溶液后将培养皿放入干燥箱中60 ℃恒温烘干2 h，取出称重后，置于室温环境中，每隔1 h称重并记录。吸湿性根据烘干后测得含水率的大小来表征，其计算公式如式(2)：

(2)

式中：θ2为含水率，%；W2为每隔1 h测得培养皿的重量，g；W1为喷洒溶液且干燥2 h后培养皿的重量，g；W0为尘样的质量，g。

1.5.3 抗风蚀性

准备7块一面光滑一面粗糙的玻璃片(10 cm×10 cm)，称取10 g尘样置于每块玻璃的粗糙面并铺平，分别编号1～7，1号不做任何处理，2号均匀喷洒5 mL(约为1 L/m2)水，3～7号分别均匀喷洒原液稀释2、4、6、8、10倍的抑尘剂，喷洒量为5 mL(约为1 L/m2)。喷洒完后置于鼓风干燥箱中50 ℃温度下烘1 h，烘完取出称重记录。前期预实验中发现在10 m/s的风速内，喷洒水和抑尘剂的尘样，在不经过碾压的情况下，抗风蚀性都很强，基本无差异，但在道路施工过程中，作业车辆、施工人员往来会对地面尘土造成一定的碾压，可能会使已经结壳的尘土破碎，从而产生二次扬尘，为针对道路施工实际情况测试，模拟车轮、重物和人行等会产生碾压情况，分别用装有500 mL水的玻璃瓶碾压尘样5次。先分别将1～7号玻璃片在5 m/s的风速下吹蚀 3 min后，称重记录；然后在10 m/s 的风速下吹蚀 3 min 并称重记录。最后通过计算其风蚀率，来进一步评价抑尘剂性能。风蚀率E计算公式如式(3)：

(3)

式中：E为风蚀率，%；W1为风蚀前玻璃片的质量，g；W2为风蚀后玻璃片的质量，g。

1.5.4 粘度

在25 ℃室温环境下，利用 DNJ-1 型粘度计测量不同稀释倍数抑尘剂溶液的粘度，分别将原液稀释2、4、6、8、10倍的抑尘剂溶液放置在500 mL的烧杯中，溶液上表面没过转子刻度线，选择合适的转数，测量3次取平均值。

1.5.5 红外光谱

采用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS10型)进行红外光谱测试，将不做处理、喷水和喷洒抑尘剂原液的尘样在鼓风干燥箱中于60 ℃条件下干燥6 h后，用KBr作为载体，取适量尘样覆盖其表面压平，用红外光谱仪扫描分析抑尘剂的分子基团、化学键和官能团等变化。

1.5.6 扫描电镜

采用场发射扫描电镜(Sigma 500型)进行测试，将不做任何处理、喷洒水和喷洒原液稀释2、4、6、8、10倍抑尘剂的尘样在鼓风干燥箱中60 ℃下干燥2 h，再用导电胶分别将适量尘样粘在样品台上，测试分析不同处理后尘样的表面形态。

1.5.7 表面张力

采用德国克吕士K100型表面张力仪对抑尘剂溶液的表面张力进行测定，选择Du Nouy环法测量原液稀释2、4、6、8、10倍抑尘剂的表面张力，测量5次，取平均值。

1.6 经济实用性

为探究自制抑尘剂与市售抑尘剂的抑尘效果，分别从河南君平新材料科技有限公司和大城县亦博化工有限公司购买市售抑尘剂1、2，选取抑尘性能测试中最具代表性的保湿性，将自制抑尘剂与所购抑尘剂进行对比，保湿性的测试方法同前一节所述，比较三款抑尘剂的经济实用性能。

2 结果和讨论

2.1 保湿性

图1为不同溶液喷洒尘样的保湿性能对比，由图可知，喷洒抑尘剂的总体保湿性明显优于喷洒水的，喷洒抑尘剂的保水率随稀释倍数的增大逐渐减小，喷洒抑尘剂原液稀释4、6、8、10倍的保水率差异不明显，总体不超过2%。其中喷洒原液稀释2倍抑尘剂保水率是其他稀释倍数的2倍以上，在经过30 h后，保水率仍能维持在4.5%以上，说明可以长期锁住尘样中的水分，防止水分蒸发和二次扬尘产生，具有良好的抑尘效果。

图1 不同溶液喷洒尘样的保湿性能对比

2.2 吸湿性

图2描绘了不同溶液喷洒尘样后的吸湿性能对比，从图中可以看出，喷洒水的尘样吸湿性较差，干燥处理后的尘样含水率几乎为0。喷洒抑尘剂的含水率均高于喷洒水的，含水率随稀释倍数的增大逐渐减小，喷洒抑尘剂原液稀释4、6、8、10倍的尘样经烘干置于室温下，含水率保持在0.4%～1.3%之间，而喷洒原液稀释2倍抑尘剂的尘样吸湿性明显优于其他稀释倍数的抑尘剂，在经过20 h后，含水率仍然保持在2.2%左右，对空气中的水分展现了良好吸湿效果，能有效捕捉空气中的水分，增加尘样湿度和重量，能防止尘土飞扬，抑尘性能优越。

图2 不同溶液喷洒尘样的吸湿性能对比

2.3 抗风蚀性

未做处理尘样、喷洒水尘样及喷洒不同稀释倍数抑尘剂的尘样的抗风蚀性能测试结果见表1，从表1可以看出，经过碾压后，不做处理和喷洒水的尘样，分别在5 m/s和10 m/s风速吹3 min后，风蚀率都高达97%以上，说明其抗风蚀性极弱。而喷洒原液稀释不同倍数抑尘剂的尘样均具有一定的抗风蚀性，且随抑尘剂原液稀释倍数增大，抗风蚀性逐渐减弱。其中喷洒原液稀释2倍抑尘剂的尘样，经过碾压后，在5 m/s风蚀下，风蚀率仅有0.838%，在10 m/s风蚀下，风蚀率为2.742%，说明喷洒原液稀释2倍抑尘剂的尘样表面固化层的强度较高，不易松散，不易再次漂浮到空气中，具有远超其它稀释倍数抑尘剂的优异抗风蚀性能。

表1 抗风蚀性测量结果

2.4 粘度测试

水以及不同稀释倍数抑尘剂的粘度测试结果如图3所示，从图中可明显看出，从图中可以看出，稀释不同倍数的抑尘剂粘度均比水(1 mPa·s)的粘度高，原液稀释2倍的抑尘剂是稀释其他倍数的抑尘剂及水的粘度值的2倍以上，其余稀释倍数的抑尘剂粘度值差异不明显。一般在组分相同情况下，粘度值越高，粘结性能越大，抑尘效果越好，说明原液稀释2倍的抑尘剂粘结性能最佳，对尘样能够有效的起到粘结作用，使粉尘颗粒发生聚集，增大颗粒物的粒径，从而达到高效抑尘效果。

图3 不同溶液的粘度值变化

2.5 红外光谱

图4为不做处理、喷洒水和喷洒抑尘剂原液三种不同方式处理尘样的红外光谱图，由图对比分析可得出，在喷洒抑尘剂原液尘样的红外光谱图中，2 935 cm-1为水溶性淀粉甲基上-CH2-上的C-H不对称伸缩振动峰。在1 420 cm-1处的峰为纤维素上的N-H的伸缩振动峰。在1 159 cm-1处出现的C-O-C的伸缩振动峰明显强于不做任何处理和喷洒水的尘样，可以说明尘样中的含氧官能团增多，增大了尘样亲水性，提高抑尘性能。同时抑尘剂均为食品级原料，在尘样上的吸附主要为物理吸附，不会影响尘样结构和性质，因此不会对环境产生二次污染，是一种环保型的抑尘剂。

图4 不同处理尘样的红外光谱图

2.6 扫描电镜

通过扫描电镜对不同条件处理的尘样进行了表面形貌的观察。扫描电镜图如图5所示，图a、b、c、d、e、f、g分别为不做处理、喷洒水、喷洒原液稀释2、4、6、8、10倍的尘样扫描电镜图，通过对比不同处理尘样的扫描电镜图观察发现，不做处理，喷洒水和喷洒原液稀释4、6、8、10倍的尘样相互之间黏连性较小，尘样颗粒较为独立、松散，尘粒间有较多的空隙。但是喷洒原液稀释2倍抑尘剂的尘样表现出良好的黏连性，尘样相互之间呈现丝状黏连，空隙减少，提高其紧密结合性能，起到了良好的抑尘效果。

图5 不同处理的尘样表面扫描电镜

2.7 表面张力

图6为不同溶液的表面张力值，从图中可以看出，不同稀释倍数抑尘剂的表面张力值均小于水(72.28 mN/m)的表面张力值，其中稀释2倍的抑尘剂与抑尘剂原液表面张力值相差不大，均小于48 mN/m，相较于水来说，表面张力值减小了将近一半，但是从稀释4倍抑尘剂开始表面张力值开始明显增大。表面张力值小能够加速粉尘湿润，使其更容易被捕捉，从而提高抑尘效果。因此稀释2倍的抑尘剂具有最佳的实用性能。

图6 抑尘剂原液稀释不同倍数的表面张力

2.8 经济实用性分析

自制抑尘剂与市售抑尘剂的保湿性能对比见图7，从图中可以看出，在经过5 h后，抑尘剂的保水率都迅速下降至10%以下，购买的两款市售抑尘剂更是降到1%以下，而自制稀释2倍的抑尘剂在经过30 h后，仍然保持在4.5%～5% 的保水率，由此可见，自制抑尘剂的抑尘性能要好于这两款在售抑尘剂。此外，自制抑尘剂实际使用中的喷洒量约为1 L/m2，通过成本核算，包括交通运输费在内，该抑尘剂的使用成本约为1.25元/m2，市售抑尘剂1、2的使用成本分别约为0.84元/m2和0.92 元/m2，和市售抑尘剂相比，虽然自制抑尘剂价格更高，但是其抑尘性能却是市售的约5倍，从长远角度看，自制抑尘剂抑尘性能好，原材料绿色，易降解，没有二次污染，具有更好的经济实用性能。

图7 自制抑尘剂与市售抑尘剂保湿性对比

图8 图7中A的放大图

3 结论

本研究在充分考虑制备工艺、经济环保和实际应用等因素基础上，利用水溶性淀粉、羟丙基甲基纤维素、海藻提取液和尼伯金复合酯等食品级原料，在常温下以低成本简单工艺制备了一种环保型道路施工抑尘剂。

通过测试，喷洒原液稀释2倍的抑尘剂的尘样，保湿性和吸湿性在经过20 h后，能稳定维持4.5%和2.2%左右，在10 m/s的风蚀下，经过碾压，风蚀率仅为2.742%，粘度和表面张力分别为12 mPa·s 和46.90 mN/m，和原液相比差异小。表面张力小，湿润性好，增加了尘样间的粘结性，吸附性和保湿性，表现出良好的抑尘性能。

通过红外光谱测试，得出制备的抑尘剂的含氧官能团增多，增大了尘样亲水性，提高抑尘性能。通过扫描电镜显示，喷洒原液稀释2倍抑尘剂的尘样，表现出良好的黏连性，尘样间呈丝状紧密相连，有效抑制扬尘。

在保证抑尘效果的前提下，和市售的抑尘剂对比，原液稀释2倍的抑尘剂使用成本约1.25元/m2，价格略高于市售抑尘剂，但是其抑尘性能却是市售的约5倍，维持时间更长，原料均为可降解食品级材料，具有经济实用、绿色环保等优点，有望实现规模推广应用，极大抑制道路施工扬尘，有效保护大气环境。