基于正交试验法秸秆利用生物抑尘剂的制备及优化

米永进，赵全胜，杨彦军

(1.河北高速公路集团 京哈北线分公司，河北 遵化 064200；2.河北科技大学 建筑工程学院，河北 石家庄 050018；3.中建路桥集团有限公司，河北 石家庄 050001)

0 引言

2013年以来，我国多地雾霾频发，京津冀地区尤为严重[1-3]。研究表明，PM2.5颗粒物是构成霾的主要成分，对人体的危害极大，而对PM2.5颗粒物的贡献率中约33%来源于扬尘污染。公路建设过程中，土石方开挖和填筑、建筑材料露天堆放、临时便道运输均会引起施工扬尘，对环境和周边农作物生长造成严重危害[4-5]。

目前，国内外对施工扬尘的控制手段主要有洒水降尘、覆盖抑尘、干雾降尘、雾炮降尘、抑尘剂等[6-7]。洒水降尘是我国建筑工地常用的抑尘手段，但由于水分蒸发速率较快，抑尘周期短，重复工作量较大，且冬季易结冰，影响使用效果。覆盖抑尘所使用的抑尘网强度较低，易兜风，成本较高，且覆盖、拆解工序繁琐，极易造成环境二次污染。干雾降尘和雾炮降尘，造价高昂，且工作面较小，限制了其使用范围，难以推广。

随着材料学科的发展，开发化学抑尘剂[6-7]来解决施工扬尘问题成为了工程领域的热点。20世纪70年代，化学抑尘剂主要有针对煤尘的以氯盐为主原材料的凝并型抑尘剂和以沥青、煤渣油为主原材料的黏结型抑尘剂问世，但是污染严重。新材料的出现引导着化学抑尘剂的研究逐步向复合型转变，集润湿、凝并、固结功能于一体[8-9]。现有的复合型抑尘剂多以高分子材料为主要原料，虽然大幅度提高了抑尘效率，无毒无腐蚀，但在自然环境中难以降解。在此基础上，以糖蜜酒精废液、非晶化淀粉等为原材料的绿色环保型有机化合物复合型抑尘剂成为近两年的研究热点。但由于其原材料成本较高，工艺流程复杂，难以推广。故开发一种绿色环保、可降解、抑尘效果良好的施工扬尘抑尘剂备受期待。研究发现，秸秆经提取物加工后可以具有较高的保水性和黏结性。从环保角度出发，本研究以秸秆深度提取物衍生品为原料，结合抑尘剂润湿、凝并、固结的抑尘机理，运用正交试验法，进行了秸秆利用型抑尘剂系统试验研究，经过优化，制备出可降解的生物抑尘剂，实现了黏度适中、易于喷洒且表面张力适宜，具备优良抑尘效果的技术目标。

1 试验制备

1.1 原材料

秸秆利用型抑尘剂由黏结剂、保水剂、表面活性剂和吸水剂配制而成，施工时按照比例加水稀释。本试验核心原料粘结剂(羟乙基纤维素)是植物秸秆粉碎之后，在恒温水浴中进行浸泡加热，获得固体纤维素、液体木质素和半纤维素的混合物，通过固液分离处理后得到纤维素，然后与氢氧化钠反应并在环氧乙烷的作用下进一步处理，得到的一种密度约为0.75 g/mL的白色粉末；保水剂(羟丙基甲基纤维素)是植物秸秆提取的纤维素与氢氧化钠反应，得到高质量的碱纤维素，又在环氧乙烷和氯甲烷作用下发生醚化反应，经过烘干、粉碎得到的一种密度约为0.5 g/cm3白色粉末；表面活性剂(以下称为Y1)和吸水剂(以下称为J1)经过试验比选，优选出常用活性剂和吸水剂材料中性能较好的两种[10-13]。

1.2 原材料优选与正交试验设计

在设计正交试验前，首先对几种用于抑尘剂原料的黏结剂、保水剂、表面活性剂和吸水剂进行了筛选，优选出最佳性能原料，并对其性能和浓度的关系进行了试验分析。

1.2.1羟乙基纤维素的黏度测定

黏度测定仪器选用DV3TLV型旋转黏度计，测定温度为25 ℃，对6组不同浓度的秸秆提取物溶液(浓度为0.05%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%)进行黏度测定。每组浓度溶液测定4次，取4次测定平均值作为最终黏度值，羟乙基纤维素黏度测定依据GB/T 22235。

试验结果发现，羟乙基纤维素溶液的黏度随着溶液浓度的增大而增加，且增长速率不断加快，如图1所示，当溶液浓度为0.05%时黏度值为6 MPa·s，当溶液浓度为0.5%时黏度值为252 MPa·s。考虑到抑尘剂黏度过高，会导致流动性较差，当溶液黏度值大于130 MPa·s时不利于喷洒。故在正交试验因素选择时，优选小于0.4%(133 MPa·s)的0.15%，0.25%，0.35%共3个浓度作为因素水平。

1.2.2羟丙基甲基纤维素的保水性能试验

为测试羟丙基甲基纤维素(B)的保水性，与保水性能较好的丙三醇(B+)和蔗糖(B-)进行对比测试。试验温度控制为25 ℃，首先将3种保水剂各配置0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，1%，3%共6个浓度，然后将烘干后的尘样50 g装入表面皿中，称重记为M1；将配制好的各浓度保水剂溶液30 mL均匀喷洒在尘样表面，称重记为M2；然后喷洒保水剂后的样品每隔i小时称重一次，重量记为M3。保水率S计算公式如下：

图1 羟乙基纤维素溶液黏度-浓度关系曲线Fig.1 Viscosity-concentration curve of hydroxyethyl cellulose solution

S=(M1-M2)/(M3)，

式中，S为保水率；M1为喷洒抑尘剂前尘样和表面皿的质量；M2为喷洒抑尘剂后尘样和表面皿的质量；M3为i小时后的质量，i=24，48，72 h。

试验结果如图2所示，试验得到3种保水剂的保水率随着时间的增加均呈下降趋势，下降速率B

图2 三种保水剂溶液的保水率随时间浓度变化曲线Fig.2 Curves of water retention rate of 3 kinds of water retention agents with time and concentration

1.2.3表面活性剂优选试验

表面活性剂应具有优良的润湿、乳化的作用，可有效降低抑尘剂溶液的表面张力[14-16]。选取性能较佳3种表面活性剂，磺化琥珀酸二辛酯钠盐(S+)、Y1(S)及十二烷基苯磺酸钠(S-)进行表面张力测定，测定仪器选用JYW-200B型全自动表面张力测定仪。测定浓度选用0.01%，0.03%，0.05%，0.10%，0.25%，0.50%，1.00%。

试验结果表明(见图3)：S溶液的表面张力最低且在溶液浓度为0.2%时已趋近稳定，确定Y1为该抑尘剂的表面活性剂，溶液最优浓度为0.2%。

图3 三种活性剂溶液表面张力-浓度关系曲线Fig.3 Curves of surface tension vs. concentration of 3 active agent solutions

1.2.4吸水剂优选试验

吸水剂可以持续吸收空气中的水分，使得扬尘颗粒的相对密度增大，有效抑制扬尘。本试验对羧甲基淀粉钠 (X+)、J1(X)和羧甲基纤维素类(X-)共3种吸水材料进行6次重复吸水测试。吸水率试验选用茶袋法[17]。将烘干过80目标准筛后的样品0.05 g放于茶袋中，封口做好标记，然后将茶袋置于500 mL蒸馏水的烧杯中，让其吸水24 h。如图4所示，发现随着重复次数的增加，X+，X，X-共3种材料的吸水率分别下降54.6%，48%，50.7%。X吸水率始终保持在一个较高的范围，从抑尘性能、吸水率大小和经济性综合考虑，选择J1作为该复合抑尘剂的吸水剂。通过对J1进行补充吸水率试验，综合考虑喷射性和吸水率，确定在溶液浓度为0.05%时效果最佳。

图4 三种活性剂溶液吸水率-浓度关系曲线Fig.4 Curves of water absorption vs. concentration of 3 active agent solutions

通过如上试验比选，我们优选了羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、Y1和J1共4种试剂分别作为该抑尘剂的黏结剂、保水剂、表面活性剂和吸水剂，并确定了其最优性能的浓度值。但是将4种材料按照其各自最优性能浓度进行混合后，并不能达到最佳的抑尘效果。因此设计表1所示四因素三水平的正交试验，来研究4种材料复合成抑尘剂的最优配方。

表1 正交试验设计表

其中，因素水平的选择是基于优选试验结果，在4种溶液最优浓度的上下可控范围内选取的。N(羟乙基纤维素)的浓度选用0.15%，0.25%，0.35%共3个因素水平；B(羟丙基甲基纤维素)选用0.01%，0.03%，0.05%共3个因素水平；S(Y1)选用0.1%，0.2%，0.3%共3个因素水平；X(J1)选用0.025%，0.05%，0.075%共3个因素水平。正交试验设计如表1所示。

1.3 抑尘剂性能测定

1.3.1黏度测定

黏度测定方法同优选试验中黏度测定方法。

1.3.2 pH值测定

试验选用pH-2016型数显笔式酸度计对不同配方下的的抑尘剂溶液进行了pH测定。每组溶液都进行了充分搅拌直至溶质完全溶解。pH测定温度控制在室温(25 ℃)，每组溶液测定3次，取3次平均值作为最终pH值。

1.3.3高温抗蒸发性测定

将等量扬尘颗粒放入蒸发皿中(相同质量，相同规格)，称重记为K0；喷洒等量抑尘剂后称重，记为K1；将试样放入恒温鼓风干燥箱中10 h后取出(温度设定50 ℃)，称重记为Ki。失水率计算公式如下：

N=(Ki-K0)/(K1-K0),

式中，N为保水率；K0为喷洒抑尘剂前质量(g)；K1为喷洒抑尘剂后质量(g)；Ki为i小时后的质量(g)，i=24，48，72 h。

1.3.4强度测定

由于实际喷洒物表面壳体形状不规整，原位取样试验误差较大。因此，选择制作试件(直径20 mm，高度50 mm的壳体试件)来测试壳体的抗压强度[18]。将小于20目的尘样与开发的抑尘剂溶液，按照不同的质量比拌和均匀，将混合物置于直径20 mm，高度50 mm的模具中，烘干至恒重。强度测定选用WDW-100型电液伺服压力试验机，加载速度选择0.5 mm/min，进行3次重复试验，取3次试验的平均值作为试件强度值。

1.3.5渗透时间测定

抑尘剂渗透时间的测定采用正向沉降法[19]。首先称取扬尘样品9份，每份35 g，装入比色管(50 mL)中，装入过程中应分成振捣，以保证密实性。将配置好的抑尘剂溶液15 mL使用滴定管将液缓慢滴入比色管中，记录抑尘剂溶液渗透到扬尘下1 cm 所需时间，滴定过程中控制各组试验速率相等。

2 试验结果与分析

正交试验的考察指标包括黏度、pH值、失水率、抗压强度和渗透时间。试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果

根据试验结果，进行各试验指标极差分析，得到了各影响因素的主次顺序。由于极差分析方法虽然直观易懂，但极差分析较为片面，因此在极差分析的基础上又进行了方差分析。最后对各试验因素进行综合分析，确定该抑尘剂的最优水平组合，各指标极差及方差分析结果见表3和表4。

表3 正交试验结果极差分析表

2.1 正交试验分析

2.1.1抑尘剂正交试验黏度分析

极差分析表中k值越大表明某水平对试验指标黏度影响程度越显著。从图中可以看出，因素B，X，N的k值随着浓度的增加而升高，在水平3的时候达到最大值，而S的k值随着浓度的增加而降低，最大值出现在水平1。究其原因，N作为黏性剂，黏性随着浓度增大而增大；B和X作为保水剂和吸水剂，除了具有保水和吸水功能外，兼具一定的黏性；S作为一种非离子型表面活性剂，具备乳化、分散的作用，随着溶液浓度的增加，将有效降低溶液的黏度。由此可得，黏度试验指标各因素的最优水平应为B3，X3，N3和S1。极差R综合反映了各因素对某试验指标的影响程度。对比这4个因素的R值，发现RN>RX>RB>RS，因此得到黏度指标的最优因素水平组合为N3X3B3S1。

为排除误差的影响，进一步进行方差分析，分析结果与极差分析结果相符，N因素显示为高度显著，综合极差分析和方差分许，羟乙基纤维素水平的改变，对考核指标黏度值的影响是最大的。J1的F比在置信度为95%时大于临界值19，达到了显著水平，对黏度值也有较大的影响。但是羟丙基甲基纤维素B和Y1(S)对黏度值的影响不明显。

表4 正交试验结果方差分析表

图5 各因素对黏度的影响直观分析效应曲线Fig.5 Curves of visual analysis effect of influence of various factors on viscosity

2.1.2抑尘剂正交试验pH值分析

通过极差分析，如图6所示，pH值越接近中性越好，即k值越接近7越好。因素X、S的k值随着浓度的增加先增大后减小，最优水平分别出现在第1水平、第3水平；B因素随着浓度的增加，pH值先降低后升高，最优水平出现在第2水平；N因素随着浓度的增加，pH值先下降，后基本趋于稳定，最优水平出现在第2水平另外，对比这4个因素的R值，发现4种因素对pH值指标影响的主次顺序为RB>RN>RX>RS。分析可得，pH值指标的最优因素水平组合为N2X1B2S3。

图6 各因素对pH值的影响直观分析效应曲线Fig.6 Curves of visual analysis effect of influence of various factors on pH value

进一步进行方差分析发现(如表4所示)，B，X，N，S这4个影响因素对于正交试验指标pH值，均示为不显著。

2.1.3抑尘剂正交试验高温状态下保水率分析

图7 保水率直观分析效应曲线Fig.7 Curves of visual analysis effect of water retention rate

保水率指标的直观分析效应曲线如图7所示。可以得出，因素X，N，S的k值随着浓度的增加而升高，在水平3的时候达到最大值，而B的k值随着浓度的增加呈现出先升高后稍降的趋势，最大值出现在水平2。究其原因，B溶液作为保水剂会在土体表面形成一层致密均匀的保水薄膜，待薄膜形成后其保水性能即趋于稳定，不会再随溶液浓度增大而继续增加；N溶液作为黏结剂，通过黏聚性使扬尘表面黏结形成保护壳，有效阻挡水分蒸发；S溶液浓度增大，其渗透性增加，因此呈现如图6所示试验结果。对比4个因素的极差值R，发现RN>RB>RS>RX，因此得到黏度指标的最优因素水平组合为N3B2S3X3，从方差分析可以看出，B，X，N，S这4个影响因素对于保水率指标均表现为不显著，其水平可灵活选择。

2.1.4抑尘剂正交试验抗压强度分析

抗压强度指标的直观分析效应曲线如图8所示，因素B、S的k值随着浓度的增加而增大，在水平3的时候达到最大值，而X、N的k值随着浓度的增加呈现先增大后降低趋势，最大值出现在水平2。分析上述现象原因，B溶液由于保水成膜特性，有助于抗压强度提升。X溶液随着浓度增加，有效地提升喷洒抑尘剂后表面壳体的抗压强度，但溶液浓度超过0.05%之后，凝胶颗粒急剧增大，溶液渗透性减弱，对抗压强度带来不利影响；随着N溶液浓度增加，黏度增加，渗透性减小，抗压强度降低；随着S溶液浓度增加，抑尘剂溶液的润湿、乳化能力增强，有助于壳体抗压强度的提升。对比抗压强度指标这4个因素极差R值的大小顺序：RX>RB>RS>RN。因此得到抗压强度指标的最优因素水平组合为N2B3S3X2。

图8 抗压强度直观分析效应曲线Fig.8 Curves of visual analysis effect of compressive strength

进一步方差分析发现，如表4所示，只有J1吸水树脂的F比大于置信度为95%时的临界值19，表现出显著水平，其余因素对抗压强度值的影响皆不显著。

2.1.5抑尘剂正交试验渗透时间分析

渗透时间指标的直观分析效应曲线如图9所示。因素B，X，N的k值随着浓度的增加而增大，在水平3的时候达到最大值，而S的k值随着浓度的增加而降低，最大值出现在水平1。主要原因是随着浓度的增加，黏度值变大，流动减慢，渗透时间变长，因此出现与黏度指标试验相反的结果。由于渗透时间越小，抑尘剂溶液对粉尘的润湿能力越强。结合极差R值对比结果，RN>RX>RS>RB，最终可得渗透时间指标的最优因素水平组合为N1X1S3B1。方差分析显示，羟乙基纤维素F比在置信度为95%时大于临界值19，达到了显著水平，B，X，S这3个因素对渗透时间指标均表示为不显著。

图9 渗透时间直观分析效应曲线Fig.9 Curves of visual analysis effect of penetration time

2.2 综合分析

综合分析4因素3水平对5种考核指标的极差、方差结果(如表5所示)，羟乙基纤维素(N)对黏度指标产生高度显著影响，对渗透时间产生显著影响，且均在第3水平时效果最佳，即质量浓度为0.35%的羟乙基纤维素作为抑尘剂的黏结剂。由于羟丙基甲基纤维素(B)对各指标影响均不显著，但B溶液浓度适当增大，抑尘剂溶液黏度及喷洒在扬尘表面的抗压强度得到提高，以工作性和经济性为原则，最终优选B2(即质量浓度为0.03%)的羟丙基甲基纤维素作为保水剂；Y1(X)在抗压强度试验指标中表现出高度显著影响，对黏度指标产生显著影响，对应的水平分别为第2水平和第3水平。综合分析其余3个考察指标，发现在X因素选择第2水平时效果最佳，最终选定X2，即0.05%作为羟丙基甲基纤维素的最优浓度；Y1(S)对抗压强度试验指标的影响表现为显著，且在S3水平下抗压强度最佳，抑尘剂各性能综合表现更好，因此Y1选用第3水平，即0.3%作为最优浓度。

低中频结构接收机[6-7]的原理与零中频结构接收机类似,唯一不同点在于低中频结构接收机将射频信号下混频至低中频频点,而零中频结构接收机将射频信号下混频至零频频点。在低中频结构中,由于有用信号被搬移到较低的频点而不是被搬移到零频,因此不存在直流偏移现象。低中频结构虽然不存在直流偏移现象,但是对镜像抑制滤波提出了很高的要求。在该结构中,由于射频信号频率与本振信号频率相差不多,所以系统需要的镜像抑制滤波器应具有极高Q值。在实际应用中,极高Q值的滤波器加工相当困难,所以一般不采用这种结构。

表5 极差、方差结果综合分析

综上分析可得，秸秆利用型抑尘剂的最优配方为：羟乙基纤维素0.35%；羟丙基甲基纤维素0.03%；J1，0.05%；Y1，0.3%。此时，抑尘剂溶液的黏度值，pH值，10 h保水率，抗压强度和渗透时间分别为106.3 MPa·s，7.23，22.51%，79.02 kPa，4.21 min。

2.3 行业规范符合性

表6 煤炭类抑尘剂技术指标

本研究开发的秸秆利用型抑尘剂主要应用环境为露天料堆和土场，该类抑尘剂暂无相应国家产品标准，故选用煤炭类抑尘剂技术标准[20]进行复核。

按照正交试验优化设计结果，制备秸秆利用型抑尘剂溶液，并在室温(25 ℃)测得其密度、黏度、pH值分别为：1.030 g/cm3，106.3 MPa·s和7.23，关键技术指标满足煤炭类抑尘剂的技术标准，而且具有更好的黏度，可以应用于公路施工现场扬尘的防治。

2.4 现场中试试验

选取建设中的高速公路某段施工现场为中试场地，将正交试验优化配制的生物抑尘剂，进行现场喷洒和测试。中试结果显示，按照3 L/m2喷洒量喷洒该生物抑尘剂，4 h即可在表面形成具有邵氏硬度70HA的外壳，能够有效地阻挡雨水和风力的侵蚀作用,对PM2.5和PM10的抑尘率，1 d和7 d分别达到91.2%和91.4%以及79.2%和77.7%。对比张江石等[21]化学抑尘剂试验结果，PM2.5的降尘率达到77.3%，苏璐璐等[22]在煤铁粉露天堆场测试的PM2.5和PM10抑尘率分别为75%和80.95%。因此制备的秸秆利用生物抑尘剂具有良好的抑尘效果，而且该抑尘剂可降解，具有避免环境二次污染的优势。

3 结论

(1)4种因素的质量浓度对秸秆利用型抑尘剂性能的影响程度大小可归纳为：羟乙基纤维素影响最大，J1次之，羟丙基甲基纤维素及Y1的影响最小。

(2)秸秆利用型抑尘剂加水稀释后的最优配方为：羟乙基纤维素质量浓度为0.35%、羟丙基甲基纤维素质量浓度为0.03%、J1质量浓度为0.05%、Y1质量浓度0.3%。

(3)按照最优配方制备的秸秆利用型抑尘剂的密度为1.030 g/cm3, pH值为7.23,黏度值106.3 MPa·s,保水率22.51%,抗压强度为79.02 kPa，渗透时间为4.21 min，满足现行煤炭类抑尘剂产品技术标准要求，实际公路建设施工现场也表现出了良好的抑尘效果。