張 巖

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

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新型化學(xué)防塵控制技術(shù)試驗(yàn)及應(yīng)用

張 巖

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

摘要：指出了為有效抑制粉塵飛揚(yáng)，研制了兩種新型的抑塵劑。運(yùn)用正交試驗(yàn)方法，對兩種新型抑塵劑的配方進(jìn)行了優(yōu)化，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)定性為指標(biāo)初步確定了兩種新型抑塵劑的最佳配比。同時將得到的最優(yōu)配比的抑塵劑應(yīng)用到實(shí)際中，并通過電鏡進(jìn)行了微觀分析,結(jié)果表明：兩種新型抑塵劑的抑塵效果明顯高于純水，尤其是抑塵劑-1的效果最佳。

關(guān)鍵詞：粉塵；防塵控制技術(shù)；抑塵劑

1引言

粉塵污染在空氣污染中占有很大的比例，很多工作活動都會產(chǎn)生細(xì)顆粒粉塵，威脅到人體的健康[1]。由于粉塵顆粒大多非常細(xì)小，遇風(fēng)易飛揚(yáng)，對周圍附近人員的健康和安全造成不良影響。例如造成毒害和刺激，降低能見度，引起設(shè)備磨損腐蝕等。為此國內(nèi)外在粉塵控制技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究，使得防塵技術(shù)水平不斷地完善和提高。近年來國內(nèi)外研究出了許多的新型除塵方法及除塵設(shè)備。其中化學(xué)抑塵[2]是近年來我國發(fā)展起來的一項(xiàng)防塵新技術(shù)，實(shí)踐證明其防塵效果很好，特別是降低對人體有害的呼吸性粉塵效果更加明顯，但針對化學(xué)抑塵的研究還比較薄弱，現(xiàn)有的各種抑塵劑存在性能單一、工藝復(fù)雜、成本高、污染環(huán)境及應(yīng)用推廣度不夠等問題。因此，研究開發(fā)適用范圍更廣、性能更穩(wěn)定、效果更明顯、價格更低廉、污染更小的抑塵劑具有明顯的經(jīng)濟(jì)及社會效益。筆者在論述化學(xué)抑塵技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了抑塵效果好、穩(wěn)固周期長、成本低廉及污染小的新型抑塵劑。

2新型化學(xué)抑塵劑的組成及性能

抑塵劑-1：由海藻酸鈉和氯化鈣組成。

成膜劑、粘結(jié)劑——海藻酸鈉：具有成凝膠和成膜的能力，其含有大量游離的羧基，性質(zhì)活潑，具有很高的離子交換功能，極易與Ca2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+等離子發(fā)生交換，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠來抑制粉塵飛揚(yáng)。

保濕劑、助劑——無水氯化鈣：吸濕能力極強(qiáng)，能吸收大氣中的水分，增加粉塵顆粒的單重，并能與海藻酸鈉發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀的海藻酸鈣聚合物。

抑塵劑-2：由羧甲基纖維素鈉、硅酸鈉組成。

成膜劑、粘結(jié)劑——羧甲基纖維素鈉：具有粘合、增稠、增強(qiáng)、保水作用，粘度在pH值為6～9時最佳。因此常作為絮凝劑、螯合劑、增稠劑、保水劑、成膜材料。

保濕劑、粘結(jié)劑——硅酸鈉：溶于水成粘稠溶液，是一種無機(jī)粘合劑，可作為粉塵粘結(jié)劑。

3化學(xué)抑塵穩(wěn)固性的測定

3.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

基于《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057—94)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

將養(yǎng)護(hù)后的圓柱形試件置于強(qiáng)度測力儀的升降臺上，調(diào)節(jié)升降旋鈕和速度控制旋桿，保持mm/min的恒定速率增加?？箟簭?qiáng)度Rc按下式計(jì)算，試驗(yàn)原理如圖1所示。

Rc=P/A

(1)

式中：P為試件破壞時的最大壓力(N)；A為試件的截面積，A=πd2/4，d為試件的直徑(mm)。

圖1　無側(cè)限抗壓強(qiáng)度原理

對圓柱形試件不加墊條直接施加徑向壓力[3]，直至試件被壓裂，如圖2。劈裂強(qiáng)度Ri按下式計(jì)算：

Ri= 2P/ (πdL)

(2)

式中：P為試件破壞時的最大壓力(N)；L為試件的長度(mm)；d為試件的直徑(mm)。

3.2水穩(wěn)定試驗(yàn)

將試件浸泡于水中(保持試樣不被破壞且體積恒定)，10 min后取出并擦干試件表面的水分，然后測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。在此用水穩(wěn)定系數(shù)Kr來衡量其水穩(wěn)定性。水穩(wěn)定系數(shù)Kr按下式計(jì)算：

Kr=R浸水/R標(biāo)準(zhǔn)

(3)

圖2　劈裂法(巴西圓盤試驗(yàn))原理

式中：R標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa；R浸水為浸水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，MPa。

4抑塵劑最佳配比的確定

4.1抑塵劑的選擇配比

利用蒸發(fā)率(SVR)的變化情況評價保濕劑對粉塵的作用能力[4]，以確定試劑的百分比范圍。在此研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吸濕保水材料(硅酸鈉和無水氯化鈣)的抗蒸發(fā)特性。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到無水氯化鈣和硅酸鈉對粉塵的吸濕保水能力，如圖3，4。綜合考慮氯化鈣、硅酸鈉的成本及濕潤能力，試驗(yàn)最終選擇5 %～10 %這一適宜的濃度范圍作為正交試驗(yàn)因素水平的選擇依據(jù)。

圖3　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2對粉塵水分蒸發(fā)率的影響

圖4　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硅酸鈉對粉塵水分蒸發(fā)率的影響

其他試劑的劑量范圍主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室配制結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中的要求來確定，達(dá)到效果顯著且節(jié)省成本的目的。為確定粉塵中抑塵劑的最佳摻量配比，試驗(yàn)選用L9(34)正交表，各成分均取3個水平，并以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和水穩(wěn)定性3個指標(biāo)作為抑塵效果的考核指標(biāo)。

4.2試件的制備和養(yǎng)護(hù)

按既定的各種配比制備抑塵劑，將其與普通粉塵拌和均勻，對照組試件按最佳含水量拌和，然后將配好的粉料分3次壓入試模中，最后將試件脫模即得Φ50 mm×50 mm圓柱形試件。將成型的試件在自然條件下養(yǎng)護(hù)，完成抑塵劑與粉塵顆粒之間的各種物化反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)齡期為14 d。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用極差分析法對表1正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到：①無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到最優(yōu)配方方案0.5 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣；重要順序：氯化鈣>海藻酸鈉。②水穩(wěn)定試驗(yàn)得到最優(yōu)配方方案2 %海藻酸鈉+0 %氯化鈣；重要順序：海藻酸鈉>氯化鈣。③間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)得到最優(yōu)配方方案1 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣；重要順序：海藻酸鈉>氯化鈣。④綜合考慮實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性最終選得抑塵劑-1的最佳配比為：1 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣。

表1　抑塵劑-1的正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析法對表2正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到：①無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到最優(yōu)配方方案0.2 %羧甲基纖維素鈉+10 %硅酸鈉；重要順序：硅酸鈉>羧甲基纖維素鈉。②水穩(wěn)定試驗(yàn)得到最優(yōu)配方方案0.2 %羧甲基纖維素鈉+0 %硅酸鈉；重要順序：硅酸鈉>羧甲基纖維素鈉。③間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)得到最優(yōu)配方方案0.2 %羧甲基纖維素鈉+10 %硅酸鈉；重要順序：硅酸鈉>羧甲基纖維素鈉。④綜合考慮實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性最終選得抑塵劑-2的最佳配比為：0.2 %羧甲基纖維素鈉+10 %硅酸鈉。

表2　抑塵劑-2的正交試驗(yàn)結(jié)果

表3　對照組(只加純水)試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：抑塵穩(wěn)固效果不是隨抑塵劑摻量的增加而增大，避免了盲目加大試劑用量而帶來的成本浪費(fèi)；只加純水的試件培養(yǎng)一段時間后浸泡于水中，試驗(yàn)結(jié)果見表3，由于粉塵顆粒之間沒有形成網(wǎng)狀膜，粉塵顆粒之間的粘結(jié)力不及添加抑塵劑的試件；在粉塵中添加海藻酸鈉和氯化鈣，加入羧甲基纖維素鈉及硅酸鈉都可明顯提高粉體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，相對于在粉塵中添加單一的海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉的抑塵效果較好。

5抑塵劑實(shí)際應(yīng)用研究

將粉塵按照表4添加最佳配方抑塵劑-1、抑塵劑-2及水，制成圓柱形試件。將成型的試件置于自然狀態(tài)下分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d、28 d，之后取出進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表4　試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表4可知，在粉塵中噴水的抑塵效果不及2種抑塵劑的作用效果，其中抑塵劑-1的效果較抑塵劑-2的效果顯著。

通過掃描電鏡[5]定性分析養(yǎng)護(hù)好的粉塵樣本，觀察其微觀形貌，見圖5～8。

圖5　原狀粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

圖6　加水粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

由圖5～8可以觀察到粉塵的微觀結(jié)構(gòu)中顆粒與顆粒之間的關(guān)系，添加水及抑塵劑的粉塵的團(tuán)聚程度明顯高于未經(jīng)處理的原狀試樣。相比與加水和抑塵劑-2，抑塵劑-1的抑塵固結(jié)程度更好，粉塵的團(tuán)聚體的粒徑較大。

圖7　加抑塵劑-1的粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

圖8　加抑塵劑-2的粉塵×500、×2000倍的電鏡下微觀形貌

將處理后的粉塵放大至20000倍，見圖9?？梢钥闯鲈诜蹓m顆粒之間充滿著凝膠狀和纖維狀水化物物質(zhì)，這些水化物與粉塵顆粒牢固地膠結(jié)在一起，形成了很高的強(qiáng)度。它是抑塵劑與粉塵顆粒及自身相互反應(yīng)產(chǎn)生的。這些凝膠物質(zhì)覆蓋在粉塵顆粒表面并將顆粒包裹成較大的團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，這些團(tuán)粒狀結(jié)晶體排列非常緊密，從而使粉塵具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，這些微觀形貌照片恰恰充分證實(shí)抑塵劑對粉塵顆粒的包裹、網(wǎng)狀連接和孔隙填充作用。

圖9　處理后的粉塵×20000倍的電鏡下微觀形貌

6結(jié)論

(1)基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及水穩(wěn)定試驗(yàn)，研究了有效測定化學(xué)抑塵劑抑塵效果的測量方法。

(2)基于吸水、保濕、凝結(jié)原則，充分考慮各試劑的性價比、污染等問題確定了2種抑塵劑的組分。通過對2種新型的抑塵劑的正交試驗(yàn)，對其配方進(jìn)行了優(yōu)化，其最優(yōu)配比分別為1 %海藻酸鈉+5 %氯化鈣，0.2 %羧甲基纖維素鈉 + 10 %硅酸鈉。

(3)基于2種新型抑塵劑的最優(yōu)配比，研究了應(yīng)用在實(shí)際的抑塵效果，可顯著增強(qiáng)粉塵顆粒間的相互作用，提高抑塵、除塵效果。

通過實(shí)驗(yàn)，研究出了抑塵效果好、穩(wěn)固周期長、成本低廉及污染小的新型化學(xué)抑塵劑，并運(yùn)用科學(xué)合理的劑量來改善和提高粉體物理力學(xué)性質(zhì)及工程性質(zhì)(如抗壓、抗剪、抗沖刷和抗?jié)B能力)，從而使粉塵顆粒相互積聚穩(wěn)固，達(dá)到防塵、抑塵目的。

參考文獻(xiàn)：

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Experimental Study and Application on Neotype Chemical Dust Control Technology

Zhang Yan

(The40thInstituteofChinaElectronicsTechnologyCorporation,Bengbu233010)

Abstract:To effectively suppress dust floatfrom flying about, two new types of dust suppression agents were developed. With orthogonal test method, the formula of two new dust suppression agents was optimized, and with three indexes of unconfined compressive strength, water stability and indirect tensile strength, the best proportions of dust suppression agents was determined primarily. Meanwhile, the optimal proportions of dust suppression agents was applied to the practice.By electron microscopic analysis, the results showed that the dust suppression agent is better than water, and especially dust suppression agent-1 is the best.

Key words:dust; dust control technology; dust suppression agent

收稿日期：2016-05-09

作者簡介：張巖(1987—)，女，助理工程師，主要從事安全技術(shù)及安全、職業(yè)衛(wèi)生與環(huán)境管理工作。

中圖分類號：TU834.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1674-9944(2016)10-0068-04