蔣耀東 張雪 張雷 黃娟
(東南大學土木工程學院市政工程系, 江蘇 南京 210096)
抑塵劑的研究應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
蔣耀東 張雪 張雷 黃娟
(東南大學土木工程學院市政工程系, 江蘇 南京 210096)
揚塵污染日益嚴重,危害人類健康、破壞大氣環(huán)境,抑塵劑是揚塵防治的重要措施。傳統(tǒng)的化學抑塵劑按照抑塵機理分為潤濕型、粘結(jié)型、凝聚型、復合型四類,從作用原理、應用現(xiàn)狀、使用效果、主要缺點上,分別對這四類抑化學塵劑進行了詳細闡述;并總結(jié)了國內(nèi)外近年來新型抑塵劑的研究進展,為今后抑塵劑的研究方向與研制提供指導。
揚塵污染;化學抑塵;抑塵機理;應用;發(fā)展趨勢
揚塵是由于地面上的塵土在風力、人為帶動及其他帶動飛揚而進入大氣的開放性污染源,是環(huán)境空氣中總懸浮顆粒物的重要組成部分,亦是我國各地空氣質(zhì)量不佳的主要原因[1]。泥地裸露,以及在房屋建設(shè)施工、道路與管線施工、房屋拆除、物料運輸、物料堆放、道路保潔、植物栽種和養(yǎng)護等人為活動中產(chǎn)生粉塵顆粒物,都會對大氣造成揚塵污染[2-3]。揚塵對空氣中總懸浮微粒(TSP)的貢獻率超過50%[4],而TSP與人口死亡率存在較為顯著的相關(guān)性,當1m3空氣中含有100μg TSP時,人口死亡率增長6%,患有呼吸疾病的人口死亡率增長32%,氣喘的死亡率會增加12%,心血管疾病死亡率也會增加9%[5]。我國較大的500個城市中能達到世界衛(wèi)生組織推薦空氣質(zhì)量標準的不到1%[6]。揚塵污染的形勢不容樂觀,揚塵防治的重要性也越來越突出。
揚塵的防治方法一般有擋風墻抑塵、灑水抑塵、封閉結(jié)構(gòu)抑塵、防塵網(wǎng)覆蓋法、化學抑塵等[7]。擋風墻抑塵建設(shè)成本巨大,作業(yè)區(qū)也不斷會有新?lián)P塵出現(xiàn),抑塵能力有限;灑水抑塵浪費了大量的水資源,夏季持續(xù)時間較短,冬季容易結(jié)冰,影響城市交通;封閉結(jié)構(gòu)抑塵成本較高,無法捕獲空氣中的揚塵,抑塵效果較差;防塵網(wǎng)覆蓋法即加蓋防塵網(wǎng)或塑料布來抑制揚塵,但是成本較高、易兜風,而且安裝、拆除的時間較長;20世紀30年代,化學抑塵的出現(xiàn)受到人們的高度重視[8],因為化學抑塵的有效和新穎性,該方法被世界各國廣泛采用并不斷創(chuàng)新發(fā)展、沿用至今,在科研和工業(yè)運行中被認為是解決揚塵污染的最佳方法[9]。雖然化學抑塵劑的研究和應用越來越廣泛,但還是存在很多問題和缺點,有待進一步完善。
粉塵沉降速度的表達式[10]為:
式中,vt為粉塵沉降速度,m·s-1;r為顆粒粒徑,m;ρ粒為顆粒密度,kg·m-3;ρ流為氣流密度,kg·m-3;μ為運動黏性系數(shù);θr為外摩擦系數(shù);g為重力系數(shù),m·s-2。
從粉塵沉降速度公式可以看出,要使揚塵快速沉降,增大揚塵粒徑或增大揚塵顆粒密度是兩種行之有效的可控方法?;瘜W抑塵劑稀釋均勻后噴灑于物料表面或揚塵區(qū)間,可以使揚塵顆粒表面保持一定的濕度,從而增大了揚塵顆粒密度;有的抑塵劑會使小顆粒揚塵凝聚成大顆粒,增大揚塵粒徑,進而快速沉降[11]。
傳統(tǒng)的化學抑塵劑按照抑塵機理可以分為四大類:潤濕型化學抑塵劑、粘結(jié)型化學抑塵劑、凝聚型化學抑塵劑、復合型化學抑塵劑。
2.1 潤濕型化學抑塵劑
潤濕型化學抑塵劑其主要成分為表面活性劑和某些無機鹽。表面活性劑是一種疏水基和親水基組成的化合物,當潤濕型抑塵劑溶于水時,疏水基團彼此靠近、聚集以避開水,朝向空氣中,產(chǎn)生疏水效應;而親水基與水親和,被水分吸引,使得潤濕型抑塵劑的分子在水溶液表面形成緊密的界面吸附層,水與空氣的接觸面積減小,水的表面張力從而下降,與空氣接觸的疏水基團和揚塵之間的吸附作用,把揚塵吸入水溶液中潤濕[12]。潤濕型抑塵劑中的無機鹽通常為吸濕性無機鹽,其克服了表面活性劑保水吸濕能力上的缺點,更有利于表面活性劑發(fā)揮作用[13]。
施春紅等[14]開發(fā)了一種煤礦防火抑塵劑,利用氯化鈣、氯化鎂和少許成膜助劑,可以在煤礦表面形成液膜,阻斷了與氧氣的接觸反應,達到防火的效果。程淑艷等[15]利用C9脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸鈉研制出一種用于抑制煤塵的潤濕抑塵劑。Talamoni等[16]以甘油為吸濕劑,聚乙烯醇、丙烯酸乳膠為粘結(jié)劑,聚硅氧烷樹脂為表面活性劑,開發(fā)出新型潤濕型化學抑塵劑。Ding Cui等[17]將潤濕型抑塵劑中的表面活性劑磁化,增強了對煤塵的潤濕能力,抑塵效果更好。黃維剛等[18]發(fā)現(xiàn)多數(shù)非離子及陰離子表面活性劑能夠有效地潤濕揚塵。葉學海等[19]研發(fā)出一種抑塵效率超過90%、5天內(nèi)可以有效抑制揚塵的潤濕型抑塵劑。金龍哲等[20]選用氯化鈣和氯化鎂為基料研制的抑塵劑,可以顯著降低路面平均粉塵質(zhì)量濃度,有效抑塵期為6天。
水對2μm揚塵的捕獲率只有1%~28%[21],潤濕型化學抑塵劑通過增大對揚塵的潤濕作用,從而提高了水的抑塵效率。實踐表明,在抑制硅塵的能力上,5%~10%的氯化鈣溶液比水要高出30%,0.2%的十二烷基苯磺酸鈉比水高出40%左右[22]。潤濕型化學抑塵劑能夠有效的抑制疏水揚塵,因此大多應用在抑制煤塵上。潤濕型化學抑塵劑的有效期比較短,一般為5~10天,如果不重復噴灑,會出現(xiàn)二次揚塵[23]。
2.2 粘結(jié)型化學抑塵劑
粘結(jié)型化學抑塵劑的水溶液呈乳液狀,并具有一定的粘性。當其噴灑到料堆、路面上時,首先外相水會潤濕揚塵,乳液中的表面活性劑同時增強水對揚塵的潤濕能力;乳液接觸揚塵后,由于范德華力的作用,使得乳液與揚塵顆粒之間粘結(jié)良好[24];隨后發(fā)生反乳化作用,在揚塵表面形成高強度油膜,減緩了底層水分的蒸發(fā),從而長時間潤濕揚塵顆粒。
粘結(jié)型化學抑塵劑應用領(lǐng)域比較廣泛,比如道路固塵、物料運輸、堤壩地基路基等方面[25]。粘結(jié)型化學抑塵劑按照原料一般分為兩類:粘結(jié)型無機化學抑塵劑和粘結(jié)型有機化學抑塵劑。
(1)粘結(jié)型無機化學抑塵劑 粘結(jié)型無機化學抑塵劑一般包括粉煤灰、酸、鹵化物、石膏、氯化鈣、黏土、高嶺土等。鹵化物與無機鹽(如NaHCO3、(NH4)2SO4等)并加入表面活性劑,如不遇到雨天流失的情況,在路面上的抑塵有效期可達數(shù)月,此外在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很好的抑塵作用[26]。潘海霞等[27]利用鹵化物與表面活性劑(脂肪醇聚氧乙烯醚類)制成的抑塵劑,可以快速滲透到塵粒間隙,在其表面形成一定強度的防護殼并粘結(jié)成片,避免了氣流對松散沙土層的直接作用,取得了良好的固沙防塵效果。
粘結(jié)型無機化學抑塵劑道路固塵效果較好,抑塵有效期相比潤濕型抑塵劑較長,但是組分中的多數(shù)表面活性劑難以自然降解,固體鹵化物易被雨水沖走、存在二次污染,還會腐蝕金屬部件和車胎[11]。粘結(jié)型無機化學抑塵劑對環(huán)境有一定的污染,且乳化性能較差。
(2)粘結(jié)型有機化學抑塵劑 粘結(jié)型有機化學抑塵劑一般由原油、煤渣油、渣油、石油、石蠟油、石蠟、生物油渣、橄欖油廢渣、纖維素濾料、木質(zhì)素衍生物、樹脂、瀝青、聚合物等組分復合,進一步復配其他有機化合物形成[28]。李凱崇等[29]使用木質(zhì)素磺酸鹽與丙烯酸單體接枝共聚加入甲基硅酸鈉、四硼酸鈉、氯化鈣,制成粘結(jié)型有機抑塵劑,制作過程快速、無毒、簡易,成本低,并具有較好的防水、抑塵效果,主要用于鐵路煤炭運輸過程。楊明坤等[30]利用羧甲基纖維素鈉接枝丙烯酰胺,研制出粘結(jié)型固沙劑,可以牢固松散的沙體,固化層厚度可以達到1cm左右。
粘結(jié)型有機化學抑塵劑具有廉價的原料來源,纖維素類、木質(zhì)素類粘結(jié)型抑塵劑一般具有良好的抗壓性能、耐寒能力,并可以生物降解[31-34]。但是粘結(jié)型有機化學抑塵劑在實際生產(chǎn)過程中難以控制,而且滲透能力不強,對周圍環(huán)境也有一定影響。
2.3 凝聚型化學抑塵劑
吸水劑是凝聚型化學抑塵劑的主要成分,它能夠吸收大量的水分,持續(xù)潤濕揚塵或者泥土,同時利用凝并作用,將顆粒較小的揚塵凝聚成大顆粒,從而使其快速沉降,有效抑制揚塵。這類抑塵劑在物料運輸、控制道路揚塵、物料倉庫產(chǎn)塵等方面都有廣泛的應用。根據(jù)材料的不同,凝聚型化學抑塵劑可分為吸濕型無機鹽凝聚劑和高倍吸水樹脂凝聚劑。
(1)吸濕型無機鹽凝聚劑 吸濕型無機鹽凝聚劑常用的吸濕性無機鹽材料包括:氯化鋁、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、氧化鈣、硅酸鈉、硅膠、以及活性氧化鋁等。前蘇聯(lián)使用氯化鈣噴灑在濕度較高的礦山道路上,氯化鈣的用量為0.6kg/m,有效的抑制了揚塵,有效抑塵期為45~90天[35]。吳超等[36-37]在氯化鎂、氯化鈣中添加了氧化鈣和氧化鎂,又將鹵化物與水玻璃復合,緩解了鹵化物使用后偏酸性的情況,并取得了理想的抑塵效果。
吸濕型無機鹽凝聚劑吸濕性很強,不僅在道路抑塵上有很好的效果,還具有融雪能力。但是吸濕性無機鹽的腐蝕性較強,會損害金屬部件以及汽車輪胎,不僅對路邊的植物和土壤有危害作用[38],還會對水泥、石灰等材料有一定的改性甚至危害[39]。
(2)高倍吸水樹脂凝聚劑 高倍吸水樹脂凝聚劑可以使揚塵保持較高的含濕量,達到抑制揚塵的目的。高倍吸水樹脂是近30多年來研發(fā)并廣泛應用的一種高分子材料,它能夠吸收相當于幾千倍自身重量的水,而且具有很強的保水能力,即使面對壓力大的情況也不會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象。李云濤等[40]測試了高倍吸水樹脂凝聚劑的抗蒸發(fā)能力,取得了較好的抑塵效果,確定0.2%的抑塵劑成膜狀態(tài)最好。He E等[41]公開一種用于堆放粉塵的高倍吸水樹脂凝聚劑專利,其保水性能較好,均勻噴灑后能夠形成一種類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu),粘結(jié)粉塵的能力很強。
高倍吸水樹脂凝聚劑具有吸水性高、保水性強、抗壓性好等優(yōu)勢,在抑制堆料和道路揚塵都有很好的效果。但是其較高的制備成本、極大的制備難度,限制了高倍吸水樹脂凝聚劑的廣泛使用。
2.4 復合型化學抑塵劑
復合型化學抑塵劑由兩種或兩種以上抑塵劑在一定的化學或物理條件下復合而成,綜合了潤濕、粘結(jié)、凝聚等功能,統(tǒng)一了上述各類型的化學抑塵劑,因此其抑塵效果更好。
董波等[42]研制了一種抗寒的復合型抑塵劑,正常使用的溫度范圍偉-5~40℃,起效快、抑塵效果好。蔣富強等[43]把丙烯酸、氯化鈣、木質(zhì)素磺酸鈉、甲基硅酸鈉、雙氧水、四硼酸鈉復合,制成復合型化學抑塵劑,在控制煤塵方面具有很好的抑塵效果。肖紅霞等[44]將丙烯酸正丁酯和甲基丙烯酸甲酯利用預乳化法,合成復合型化學抑塵劑,均勻噴灑后,可以在料堆、路面上形成一層黏性油膜,具有吸水性好、抗蒸發(fā)性強、保水性能優(yōu)、制備成本低的優(yōu)點。俄羅斯利用甲基苯乙烯乳液、PO-1型陰離子表面活性劑和水玻璃制成一種復合型抑塵劑,抑塵效果較好[45]。
復合型化學抑塵劑應用范圍較廣,多數(shù)應用在復雜多變和惡劣的環(huán)境中,比如煤料場、施工地、廠區(qū)、礦山等領(lǐng)域的揚塵防治,具有較好的經(jīng)濟、環(huán)境效益。但是復合型化學抑塵劑的研究起步較晚,由于乳化、增溶、配位、潤濕、離子螯合、接枝共聚等耦合制備技術(shù)機理尚不成熟、發(fā)展時間較短[28],導致研發(fā)難度較大,試驗極易失敗。
以粘結(jié)型和潤濕型化學抑塵劑為典型代表的早期化學抑塵劑,在抑制揚塵污染方面發(fā)揮了重要作用,雖然傳統(tǒng)化學抑塵劑也在不斷的發(fā)展完善,但仍然存在一些缺點,性能上還有待完善。21世紀以來,化學抑塵劑逐漸向環(huán)保廉價、功能更多的方向發(fā)展,抑塵效果也得以提升。
3.1 環(huán)保型抑塵劑
環(huán)保型抑塵劑主要以生活垃圾、生產(chǎn)副產(chǎn)品、工業(yè)廢品等為原料。Usher J[46]公開了一種以糖漿、甘蔗渣、消泡劑、表面活性劑等為原料的環(huán)保型抑塵劑專利,特別適用于缺水地區(qū),具有節(jié)能、可持續(xù)的特點。Grogan[47]通過對生物柴油的生產(chǎn)副產(chǎn)品——丙三醇,與表面活性劑、多羥基酯類、丙烯酸化合物等聯(lián)合使用進行抑制揚塵的性能研究,研制出具有良好抑塵效果的環(huán)保型抑塵劑。曹麗瓊等[48]從廢棄的可樂瓶中成功提取乙二醇,研制出用于控制煤塵的環(huán)保型抑塵劑。李凱崇等[49]以造紙的副產(chǎn)品——木質(zhì)素磺酸鹽為原料,與甲基硅酸鈉、氯化鈣、丙烯酸、四硼酸鈉等復合,并且無毒無副作用,研制出用于鐵路煤炭運輸抑塵劑,避免了運輸中的煤炭損失和揚塵污染。
環(huán)保型抑塵劑在礦區(qū)、施工地、城市道路、車站碼頭等處都有廣泛的應用[50]。環(huán)保型抑塵劑的制備成本較低,無腐蝕性、可生物降解,減少了對環(huán)境的污染;能夠緩解揚塵水分的蒸發(fā),延長了有效抑塵期。
3.2 高分子抑塵劑
高分子抑塵劑是指以聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、淀粉接枝共聚物、木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚物等高分子材料為原料的抑塵劑。高分子抑塵劑可以將揚塵顆粒牢固的粘結(jié)在一起,使得揚塵表面成團、物料表層結(jié)殼,有效抑制揚塵。
楊靜等[51]采用膜助劑、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯醇為原料。研制出抗雨淋、抗風的抑塵劑,主要用于煤炭儲運過程,噴灑后可以形成2mm厚的固化層,抑塵有效期較長。李萬捷等[52]向聚乙烯醇、丙烯酸接枝共聚共混物中加入滲透劑和表面活性劑,研制出一種耐酸堿、抗雨淋高分子抑塵劑,主要用于控制鐵路運輸過程產(chǎn)塵,噴灑后可形成一定強度的固化層,防止運輸中的振動破壞。羅彤彤[53]用天然植物膠復配水溶性高分子制成無不會腐蝕車體并具有抗風性能的高分子抑塵劑,噴灑在煤炭表面能夠形成固化層,可以防止運輸過程的顛簸破壞作用。
高分子材料的快速發(fā)展使得高分子抑塵劑的制備成本越來越低,從而推廣了高分子抑塵劑使用,在不同領(lǐng)域都取得了較好的抑塵效果。
3.3 功能型抑塵劑
功能型抑塵劑是在特殊的使用環(huán)境下具有特殊的抑制揚塵效果的專用抑塵劑。程愛華等[54]利用1.0%~3.0%的氯化鈣、1.0%~2.0%的丙三醇、0.2%~0.3%的水溶性高分子,研制出了一種抗凍融的抑塵劑。施春紅等[55]研制出一種新型防火抑塵劑,在抑制采空區(qū)二次揚塵的同時,避免了煤層的自燃。Jin等[56]利用Triton X-100、丙烯腈、果綠定 KS-1、鏈烷基胺、acid picking SX-1、脂肪醇胺704等添加劑研發(fā)出能夠顯著減少吸濕型無機鹽凝聚劑對金屬的腐蝕。劉雨忠等[57]研制出一種環(huán)境友好、高效防火、低腐蝕性抑塵劑,能夠有效地抑塵和防塵。
3.4 微生物抑塵劑
Whiffin等[58]在2004年利用微生物產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀來制作生物粘接劑,自此掀起一股利用微生物礦化來固化松散砂、土顆粒研究的熱潮。錢春香等[59]利用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術(shù),成功使松散的土壤顆粒粘結(jié)為具有一定剛度和強度的土體,并且能夠抗凍、抗侵蝕。微生物誘導產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀具有強烈的粘結(jié)性能[60],能夠?qū)⑸⒙涞膿P塵顆粒粘結(jié)成大顆粒,抑制揚塵的泛起,并具有抗風、抗雨淋等性能;粘結(jié)后的揚塵、碳酸鈣混合物具有一定的固結(jié)強度,在土質(zhì)或水泥路面上能夠抗輾壓,從而減少粉塵的揚起率,有效抑塵了二次揚塵,無需重復噴灑。
因為微生物礦化產(chǎn)物具有無毒、易降解、粘結(jié)性能優(yōu)良、生態(tài)相容性好等特點[61],所以研究基于微生物誘導碳酸鈣沉淀的揚塵抑制劑,具有極其重要的理論和應用價值,微生物抑塵劑將會是真正意義上的綠色環(huán)保型抑塵劑。將微生物抑塵劑與其他綠色環(huán)保抑塵劑聯(lián)合使用,會取得更佳的抑制效果。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步,人們的環(huán)境保護意識也逐漸增強,性能不完善、存在環(huán)境污染隱患的傳統(tǒng)化學抑塵劑正在逐漸淡出揚塵防治的舞臺。近年來在低碳經(jīng)濟發(fā)展模式的影響下,抑塵劑正朝著環(huán)境友好、節(jié)能廉價、工藝簡單、長效抑塵、功能豐富的研究方向發(fā)展。化學抑塵劑的原料由無機鹽和重油類逐漸向高分子材料過渡,迅猛發(fā)展的高分子化學專業(yè)使得高分子材料的制備成本越來越低,高分子抑塵劑的應用會越來越普遍。生態(tài)環(huán)保的抑塵劑也漸漸成為科研的熱點,但是能夠成功在實際中運用的環(huán)保抑塵劑還比較少,可生物降解、環(huán)境友好的微生物抑塵劑具有極大的應用前景,其研發(fā)也是今后的主要任務(wù)。
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*江蘇省政策引導類計劃(產(chǎn)學研合作)-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015070-03)
Research application status and development of dust suppression agent
Jiang Yaodong Zhang Xue Zhang Lei Huang Juan
( Dept.of Municipal Engineering,School of Civil Engineering,Southeast University, Nanjing 210096, China)
The dust pollution is grim,which causes human health risk and air environmental pollution.Dust suppression agent is a key measure of dust prevention and control.Traditional chemical dust suppressants are classified as wetting,cohesive,agglomerate,compound chemical dust depressors by dust suppression mechanism.Action principle,application status,usage results and drawbacks are introduced in detail.In order to guide future research direction and developing,the research progress of new type of dust suppression agent in domestic and overseas is summarized.
dust pollution; chemical dust suppressant; mechanism of dustproof; application; development tendency
蔣耀東(1994- ),男,東南大學碩士研究生,安徽蚌埠,主要研究方向為水生態(tài)修復理論與技術(shù)。