建筑扬尘泡沫抑尘剂的性能研究

向 银，田世祥，吴爱军*，褚福延，张 乐

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室，四川 绵阳 621010；3.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025)

扬尘是大气污染的主要因素，而建筑与道路施工及水泥砂石等建材堆场是扬尘的主要来源之一[1-3]。在风流影响下，地面粉尘散溢至空气中的扬尘滞空时间长达7～30 d[4]，其污染范围不断扩大，造成空气质量下降，使人们的生产、生活与健康受到严重的影响[5-6]。因此，工程建设领域的扬尘治理已成为当务之急。

目前，扬尘治理方法主要有洒水、喷雾捕尘和化学抑尘等方式[7-8]。大多数工地常采用洒水抑尘，其缺点是水资源消耗巨大[9]。针对建筑施工扬尘，化学抑尘方法因其治理效果好而受到国内外学者的广泛关注。如郑云海等[10]研究了具有良好保水吸湿等性能的抑尘剂；李敏等[11]重点研究了抗雨蚀性能的固化抑尘剂；李颖泉等[12]研究的速溶型抑尘剂、王林凯等[13]研究的风蚀扬尘抑尘剂，都具有良好的抗风蚀性能；Choi等[14]研究了以淀粉和聚乙烯醇为原料的抑尘剂，试验表明其具有良好的抑尘性能。

综上，在建筑施工扬尘抑制方面主要是对单一因素性能的抑尘剂进行研究，且适用范围小[15]，而全面系统地对多因素性能的抑尘剂进行研究较少，如抑尘剂的保水性、润湿性、抗压强度、高温抗蒸发性、抗风蚀性、抗雨水侵蚀性等。此外，大多数研究关注的是地面尘源的覆盖抑尘，而对空气中扬尘的抑制及其抑尘效率等方面仍缺乏系统的研究。

鉴于此，本文结合当前建筑扬尘的治理现状，提出了覆盖式泡沫抑尘技术，为建筑扬尘的治理奠定基础。其抑尘工艺是利用发泡装置向空中喷射出大量的泡沫，使其迅速捕捉、黏附、润湿空气中的扬尘；当泡沫与扬尘一起落地后，又将地面的粉尘覆盖、润湿，同时又可长时间捕获落在其上的扬尘，使其丧失飞扬能力。与常规的雾化抑尘工艺相比，其具有比表面积大、除尘时效长、除尘效率高及药剂用量少等优势。因此，此项扬尘治理技术的实效性和空间范围显著提升。据文献[16]介绍，1946年英国最先开展泡沫除尘的研究，而我国对此研究的起步较晚，1984年陈长生等最先在国内开展了泡沫除尘技术研究，并通过模拟实验证明了泡沫除尘技术是有效的。但国内外泡沫抑尘技术主要应用于煤矿除尘和灭火方面，目前尚缺乏将泡沫抑尘技术应用于治理建筑扬尘的相关研究。因此，本文在前期预实验的基础上，对建筑扬尘泡沫抑尘技术开展了以下两个方面的研究：

(1) 泡沫抑尘剂的配制和性能研究。以十二烷基硫酸铵(K12A)为发泡剂、氯化钠(NaCl)为稳泡剂、甘油为保水剂的药品为原料，以发泡性和稳泡性为衡量指标，通过正交实验配置出具有良好的发泡性、稳泡性，且价格低、无污染等优点的复合泡沫抑尘剂，再对其黏度以及对建筑扬尘的渗透性、保水性和固化效果等性能进行研究。

(2) 泡沫抑尘剂的抑尘效果应用研究。通过喷射的泡沫抑尘剂覆盖在尘样后，研究其泡沫的稳定性、抗风侵蚀、雨水侵蚀和高温蒸发性等指标来考察其抑尘效果。

1 泡沫抑尘技术原理

泡沫抑尘技术的原理如图1所示，整个泡沫抑尘过程包括截留效应、润湿、沉降、覆盖等[17]。泡沫抑尘技术的具体作用可分为捕获扬尘、覆盖地面粉尘、捕获落尘三个部分:①喷洒出的泡沫能捕捉空气中的扬尘；②泡沫随同捕捉的扬尘落至地面，地面的泡沫聚集增多，会形成较厚的泡沫层覆盖地面的粉尘，从而减少了尘源；③扬尘落地后，又被地面的泡沫捕获、润湿，进而失去飞扬能力。此外，泡沫破灭后形成的液体还能渗透、湿润地面的粉尘，从而达到抑尘效果。

图1 泡沫抑尘技术原理图

2 材料与方法

2.1 试验材料、药品与设备

本试验模拟的建筑扬尘选自某建筑施工现场地面粉尘混合物。据赵普生等[18]的研究，建筑工地的扬尘过 200目标准筛筛分后得到的质量占比最大。因此，将粉尘混合物样品经恒温干燥箱100℃完全烘干后，通过200目标准筛筛分后作为模拟的建筑扬尘尘样。

表面活性剂材料组分有十二烷基硫酸铵(K12A)、氯化钠(NaCl)、甘油等。

试验仪器主要有DZF型真空干燥箱、罗氏泡沫仪、90-2数显恒温磁力搅拌器、NDJ-1S数字式黏度计、YP-15T粉末压片机等；其他仪器有碾碎机、玻璃培养皿、200目标准筛、鼓风机、量尺、毛细管(内径20 mm)、烧杯、瓷盘(35 mm×25 mm×20 mm)、防尘网(3密目)等。

2.2 泡沫抑尘剂配制正交实验设计

根据所选药剂组分为十二烷基硫酸铵(K12A)、氯化钠(NaCl)、甘油等，为了确定所选试剂的主次影响顺序及最佳配方，将所选的试剂进行了三因素三水平共9组L9(34)正交实验。在前期预实验的基础上，以发泡剂K12A质量浓度为0.8%、0.9%、1.0%，稳泡剂NaCl质量浓度为0.8%、0.9%、1.0%，保水剂甘油质量浓度为0.6%、0.7%、0.8%，配制了不同配方的泡沫抑尘剂，并通过正交实验分析其发泡性和稳泡性，综合选出相对较优配方；再对其黏度以及对建筑扬尘的渗透性、保水性、固化效果性能进行分析。其正交实验方案如表1所示。

表1 正交实验方案

由正交实验方案(1)～(9)，利用罗氏泡沫仪对以上9种复配溶液(即泡沫抑尘剂)的发泡性和稳泡性进行静态分析，由于受环境及温度的影响，同种溶液需做3次平行试验，且控制误差在15 mL以内，并计算其平均值。依据发泡量大、消泡率低、极差分析来确定泡沫抑尘剂的最优配方。泡沫抑尘剂的稳泡性以消泡率来表征，其消泡率的计算公式为

(1)

式中:σ为泡沫抑尘剂的消泡率(%);w0为泡沫抑尘剂的初始发泡量(mL);w1为泡沫抑尘剂的5 min后发泡量(mL)。

2.3 参数测试

根据相关文献及借助相应的仪器设备，分别对泡沫抑尘剂的黏度以及对建筑扬尘的润湿性[19]、室内环境的保水性[20]和抗压强度[21]进行了测试,并将泡沫喷洒在尘样后研究其泡沫的稳定性、抗风侵蚀性[22]、抗雨水侵蚀性[23]和高温抗蒸发性[24]，进一步检验泡沫抑尘剂的抑尘效果。

2.4 泡沫抑尘剂的使用方式

为了治理建筑施工中的扬尘和地面粉尘，提出了泡沫抑尘技术。其具体的使用方式如下：首先，基于本课题自主设计研发、加工成品的网式泡沫喷洒设备，该设备主要包括发泡管、发泡网、供风系统、供液系统、升降系统等部分，其发泡原理为通过供液系统将泡沫抑尘剂输送至发泡管中，在供风系统的风压作用下，泡沫抑尘剂首先被吹至发泡网上形成液膜，然后液膜在风压下通过细密的发泡网被吹起、拉伸、脱落、聚并成泡沫，从而喷洒出大量的泡沫；其次，将所需的泡沫抑尘剂按照一定浓度比例配置好，并装于泡沫喷洒设备中，同时调试好设备；最后，可根据现场的扬尘浓度合理地调节其供液速率及供风量，以达到最佳的泡沫发泡量，提高其抑尘效率，还可以根据现场需要合理地调节设备的升降系统来控制其泡沫喷洒高度及角度范围。

3 结果与讨论

3.1 泡沫抑尘剂配制正交实验

由泡沫抑尘剂配制正交实验静态性能分析，即通过计算各因素各水平下每种实验方案的发泡量、消泡率的总和及平均值，并进行极差R分析，得到的试验结果见表2、表3和图2。

图2 正交实验发泡量和消泡率结果图

鉴于主要考虑所喷洒覆盖式泡沫的发泡效果及稳定性好，即发泡量分析中K值越大越好，消泡率分析中K值越小越好。由表2可知：发泡量K值最大分别为3水平、1水平、3水平，即为K3、K1、K3，由极差R大小可得，影响主次顺序为K12A、甘油、NaCl。同理，由表3可知：消泡率K值最小分别为3水平、1水平、2水平。经综合考虑，甘油的质量浓度影响其发泡量，因此以发泡量较大、消泡率较小为衡量指标，综合选出相对较优的泡沫抑尘剂配方为(7)，即质量浓度1%的K12A、0.8%的NaCl、0.8%的甘油，此配方泡沫抑尘剂的发泡量为550 mL、消泡率为7.20%。

表2 正交实验发泡量极差分析结果

表3 正交实验消泡率极差分析结果

3.2 泡沫抑尘剂性能分析

3.2.1 黏度

在室内温度为13～15℃、泡沫抑尘剂温度为18～20℃、自来水温度为12～13℃环境下，使用NDJ-1S数字式黏度计分别对泡沫抑尘剂和生活中自来水的黏度进行测试，5次取平均值，其黏度分别为2.841 mPa·s、1.592 mPa·s。可见，泡沫抑尘剂的黏度约为自来水的2倍，这是因为一方面泡沫抑尘剂的黏度主要由分子间的内摩擦力产生，且分子间存在吸引力和不规则运动；另一方面该泡沫抑尘剂中含有K12A和甘油，它们本身具有一定的黏稠性，而甘油含有3个羟基，分子间的作用力大，具有很长的分子链，分子间形成大量的氢键，因此经水与K12A、甘油按比例混合后，使得水中的氢键增多，黏度增大。说明喷洒本泡沫抑尘剂后扬尘的黏结性更强，有利于黏结聚集成较大颗粒，不易受风流等影响而飞扬。

3.2.2 渗透性

本文利用毛细管反渗透原理对泡沫抑尘剂和生活自来水处理后的尘样进行渗透性试验，其试验结果见图3。

图3 泡沫抑尘剂与水处理后尘样的渗透体积量和渗透速率对比图

由图3可知：水和泡沫抑尘剂在尘样堆内渗透深度随时间而增加，但其渗透速率随时间的增加而减小；当渗透时间为1 min时，泡沫抑尘剂和水处理后尘样的渗透速率分别为3 mm/(mL·min)和2.75 mm/(mL·min)，两者无明显差异，这是由于泡沫抑尘剂中添加表面活性剂后其水的表面张力减小、黏度增大，所以短时间内两者差距不明显；而当渗透时间为5 min时，泡沫抑尘剂处理后尘样的渗透速率为0.66 mm/(mL·min)，约为水的2倍，其原因是泡沫抑尘剂的表面张力减小后，改善了在尘样上的渗透性，随着时间的增加其效果明显，尘样容易被润湿，而水在短时间内就达到渗透饱和度，随着时间的增加，其渗透缓慢，渗透速率降低。因此，该泡沫抑尘剂在相对较短时间内在尘样中的渗透性优于水，更有利于润湿扬尘。

3.2.3 保水性

泡沫抑尘剂与水处理后尘样的含水率对比，见图4。

图4 泡沫抑尘剂与水处理后尘样的含水率对比图

由图4可知：随着时间的增加，用水和泡沫抑尘剂处理后尘样的含水率下降趋势一致，近似呈指数关系递减；24 h以后，喷洒泡沫抑尘剂尘样的含水率高于其喷洒水尘样的含水率，两者相差在10%以上。这是因为随着时间的增加，喷洒泡沫抑尘剂后其尘样表面开始产生一层白色的薄膜覆盖在表面，减少了水分蒸发，因此其含水率保持较高；而喷洒水的尘样因在较高温环境下，水分蒸发较快，因此其含水率较低；但在180 h后喷洒水和泡沫抑尘剂尘样的含水率均下降缓慢，此时喷洒泡沫抑尘剂尘样的含水率为4.07%。有研究表明，当尘样含水率高于4%时，不易造成扬尘污染[25]。即在温度为23～32℃的环境下，喷洒泡沫抑尘剂后尘样能保持180 h以上不易造成扬尘污染，表明该泡沫抑尘剂具有良好的保水性；而此时洒水的尘样在120 h时含水率已经达到了4%限值，在180 h时其含水率为-1.04%，表明尘样已干燥，且表面开裂成众多小块，极易受到风流等影响而产生扬尘。

3.2.4 固化效果

经抗压强度测试，当压力达到0.313 MPa时，所喷洒泡沫抑尘剂的尘样局部有开裂现象，在压力为0.501 MPa时，土体完全破坏；而喷洒水的尘样在压力为0.068 MPa时开裂现象明显，在压力为0.104 MPa时，土体完全破坏成若干碎块。其原因是泡沫抑尘剂的黏度高，使土颗粒间凝聚性增强，更加稳固而不易被破坏；但水的黏结性弱，经喷水处理后土颗粒间的黏聚力较低，其整体抗压强度小，致使其稳固性减弱。而晋虎等[21]的研究表明经泡沫抑尘剂处理后的煤尘抗压强度约为0.48 MPa，这表明喷洒该泡沫抑尘剂后其固结层具有一定的抗破坏能力。

综上，通过对泡沫抑尘剂的黏度，以及经泡沫抑尘剂处理后尘样的渗透性、保水性和固化效果等参数进行测试，可以发现：泡沫抑尘剂的黏度远高于水，而经过泡沫抑尘剂处理后尘样的渗透性、保水性和固化效果远优于水。分析其综合原因是：泡沫抑尘剂中添加表面活性剂后其表面张力降低，改善了其渗透性，扬尘容易被润湿；泡沫抑尘剂的黏度高，使土颗粒间的凝聚性增强，从而使其稳固性增强，抗压性强；且泡沫抑尘剂中添加有保水剂甘油，减少了水分的蒸发，起到了吸湿保水的作用，使其保水效果远优于水。

3.3 泡沫抑尘剂抑尘效果的应用研究

为了检验泡沫抑尘剂的抑尘效果，需考虑在实际应用场景中，如在不同风速、雨水侵蚀、温度条件下经泡沫抑尘剂处理后尘样的各项指标，即泡沫的稳定性、抗风蚀性、抗雨水侵蚀性和抗蒸发性，以此来进一步验证泡沫抑尘剂对扬尘的治理效果。

3.3.1 泡沫的稳定性

从发泡设备喷射出的泡沫，在空中飞行一段距离并捕捉扬尘后落在地面上，会在地面粉尘上堆积成厚厚的泡沫层，从而将地面粉尘严密覆盖。在室温和风速为v=8 m/s环境下泡沫覆盖层厚度随时间的变化规律，见图5。

由图5可知：喷洒的泡沫覆盖层的起始厚度约为125 mm，约105 min后其厚度仍高于30 mm[见图5(a)]，这说明喷洒该泡沫后在室温、近似无风的环境下，泡沫的覆盖时效久、稳定性好[见图5(a)]；在8 m/s风速吹蚀下，泡沫覆盖层厚度随时间呈现线性递减变化，15 min后其厚度仍大于30 mm[见图5(b)]，这说明在五级风的环境下泡沫仍具有一定的抗风性能。这是由于泡沫抑尘剂中添加有无机盐氯化钠，而无机盐可以增加泡沫的稳定性，因此喷射的泡沫在外界环境影响下仍具有一定的稳定性。泡沫不仅能够捕捉落在其上的扬尘而使其失去再次飞扬能力，待其完全破灭后还能够润湿地面粉尘，这便大大提高了其抑尘效果和抑尘效率。

图5 在室温和风速为v=8 m/s环境下泡沫覆盖层厚度随时间的变化图

3.3.2 抗风侵蚀性

待泡沫完全破灭后，模拟了一定风速下不同处理方式后尘样的抗风蚀性能。采用鼓风机模拟不同风速(11 m/s、15 m/s、20 m/s，分别对应六、七、八级风)下3种处理方式后尘样经历5 min的抗风蚀性能试验，其试验结果见表4。

表4 不同风速下3种处理方式后尘样的抗风侵蚀性试验结果

由表4可知：对于采用防尘网、泡沫抑尘剂、干燥3种处理方式，每个尘样样品的质量差、平均质量损失率均随着风速的增大而增大，其抑尘效率随风速的增大而减小。这其中，铺设防尘网的尘样的平均质量损失率远远大于喷洒泡沫抑尘剂后尘样，如在高达20 m/s的风速环境下，喷洒泡沫抑尘剂的抑尘效率仍高于97%；喷洒该泡沫抑尘剂后尘样5 min风蚀后的质量差仍较小(低于0.3 g)，而其平均质量损失率只为其铺设防尘网的1/40;将喷洒泡沫抑尘剂后尘样经50℃恒温干燥箱干燥4 h后，在20 m/s的风蚀下其抑尘效率仍高于94%，这是由于泡沫在破灭后形成的液体渗透并润湿了扬尘，且泡沫抑尘剂的黏度高，使扬尘间的黏结性变强，颗粒增大，不易被风吹走；而防尘网本身具有一定的空隙，对于粒径细小的扬尘在强风的吹蚀下极易被吹走，且随着风速的增大其质量差越来越大，故平均质量损失率高、抑尘效率低。

3.3.3 抗雨水侵蚀性

喷洒泡沫剂与水的尘样抗雨水侵蚀性试验效果，如图6所示。

图6 喷洒泡沫抑尘剂与水的尘样抗雨水侵蚀性试验效果图

经试验测试可知，喷洒泡沫抑尘剂尘样的质量损失率为1.38%，喷洒水尘样的质量损失率为29.48%，表明喷洒泡沫抑尘剂比喷洒水的尘样抗冲刷性强、粉尘颗粒间的黏结性强，这是由于：一方面，该泡沫抑尘剂成分中的物质本身具有一定的黏性，且甘油分子间有大量的氢键，经水混合后氢键增多，其黏度增大，而喷洒泡沫抑尘剂的尘样经干燥后，粉尘颗粒间的聚结性增强，黏结成团；另一方面，泡沫抑尘剂与尘样混合干燥后，其具有一定的凝固性，在雨水冲刷状态下，需要一定的冲刷力才能使其降解融化；且由抗压强度试验表明，经泡沫抑尘剂处理后的尘样稳固性强，从而不易被雨水冲刷而流失。从图6中表面径流现象来看，喷洒泡沫抑尘剂的尘样其整体较完整，仅部分出现沟壑现象；而喷洒水的尘样大部分发生了迁移，且随着喷淋时间的增加，其被冲刷的流失量逐渐增加。因此，该试验结果表明：在喷洒泡沫抑尘剂后，其扬尘在干燥状态下具有较强的固结性，且在模拟降雨环境下，其抗雨水冲刷性也明显增强。

3.3.4 抗高温蒸发性

50℃高温环境下喷洒泡沫抑尘剂与水后尘样的失水率对比，见图7。

图7 50℃高温环境下喷洒泡沫抑尘剂与水后尘样的失水率对比图

由图7可见：喷洒泡沫抑尘剂和水处理后尘样的失水率均随着时间的增加而快速增大，其中经水处理后尘样的失水率在前5 h内近似呈线性增加，完全失水后保持水平直线不变；而经泡沫抑尘剂处理后尘样的失水率则随时间呈缓慢增加趋势，具有“Z”形上下波动性，说明该泡沫抑尘剂具有一定的吸湿保湿性；在相同时间，喷洒水处理后尘样的失水率高于喷洒泡沫抑尘剂尘样的失水率；在5 h后，喷洒水处理后尘样的失水率保持稳定，失水率为100%，表明扬尘已成干燥状态；而喷洒泡沫抑尘剂处理后尘样的失水率在8 h后趋于稳定，其失水率为93.85%，而此时尘样的含水率为6.15%。这是因为泡沫抑尘剂中添加有保水剂，可在粉尘表面形成了一层薄膜，减少了水分的蒸发，所以其失水率较低。由此可见，在50℃高温环境下，喷洒该泡沫抑尘剂后尘样对水分的抗蒸发性具有一定的抑制作用，能保持尘样含水率大于4%的时间达到了8 h以上。

4 结 论

针对建筑扬尘的治理，提出了泡沫抑尘新技术，介绍了其抑尘原理，并以发泡剂、稳泡剂、保水剂为原料，配制出具有良好性能的泡沫抑尘剂，经试验得到如下结论：

(1) 以发泡性和稳泡性为指标，通过正交实验选出性能相对较优的泡沫抑尘剂配方，即质量浓度1%的K12A、0.8%的NaCl、0.8%的甘油，该配方的泡沫抑尘剂发泡量大、消泡率低。

(2) 所制备的泡沫抑尘剂相比自来水而言，其黏度更大，约为水的2倍；在短时间内该泡沫抑尘剂的渗透性优于水，润湿性强；在温度为23～32℃环境下，该泡沫抑尘剂能保持180 h以上不易造成扬尘污染，保水性强;该泡沫抑尘剂固化效果好，经该泡沫抑尘剂处理后尘样的抗压强度约为0.501 MPa，是水处理后尘样抗压强度的5倍左右。

(3) 对喷洒在粉尘上堆积的泡沫进行稳定性分析，结果表明：在室温环境下，泡沫的初始覆盖层厚度约为125 mm，约2 h左右才完全破灭，覆盖时效长；在模拟五级风吹蚀下，泡沫覆盖层的平均厚度在18 min后减小至20 mm左右，但仍对粉尘起到覆盖抑尘作用。

(4) 通过抗风侵蚀性、抗雨水侵蚀和抗高温蒸发性等模拟试验对该泡沫抑尘剂的抑尘效果进行了应用研究，结果表明：在20 m/s的风速环境下，其抑尘效率仍高于97%，经泡沫抑尘剂处理后尘样的平均质量损失率为铺设防尘网的1/40，其抗风蚀性强；经50℃恒温干燥箱干燥4 h后，其抑尘效率仍高于94%；经泡沫抑尘剂处理后尘样的质量损失率约为1.38%，而经洒水处理后尘样的质量损失率约为29.48%，前者抗雨水侵蚀性远好于后者；在模拟50℃高温环境下，喷洒该泡沫抑尘剂后尘样对水分的抗蒸发性具有一定的抑制作用，能保持尘样含水率大于4%的时间达到了8 h以上。