【抑塵降霾】抑塵劑開發(fā)現(xiàn)狀及其存在的主要問題探討

 “十三五”針對PM2.5提出了控制及監(jiān)測技術(shù)的要求，作為PM2.5重要控制手段之一的化學(xué)抑塵，抑塵劑的開發(fā)及改良顯得迫在眉睫。多數(shù)研究表明，顆粒物的來源無外乎工業(yè)過程、機(jī)動車尾氣排放、裸露地面以及建筑工地?fù)P塵。進(jìn)行粉塵排放控制，對于遏制灰霾天氣產(chǎn)生，改善我國大氣環(huán)境狀況，抑制呼吸系統(tǒng)疾病尤其是塵肺疾病的發(fā)生，都具有十分重要的意義。

　　經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用，除塵技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，降塵效率逐步提高。但是，關(guān)于細(xì)顆粒物的脫除仍然是國內(nèi)外面臨的一個(gè)難題，仍然缺乏有效的手段加以解決。目前細(xì)顆粒物脫除采取的措施主要有電除塵、濾料除塵、機(jī)械除塵、濕式除塵、噴霧降塵等。其中特別是噴霧降塵，由于使用方便、降塵效率較高，因此是使用比較普遍的降塵方法。但是，由于粉塵顆粒的疏水性，噴霧只能起到碰撞、攔截、部分粘附的等作用降塵。稍大顆粒的粉塵與水霧碰撞后會由于慣性力和重力作用而沉降。細(xì)粒粉塵由于難以克服重力作用，降塵效果相對較差。顯然，為了提高噴霧降塵效率，有必要開發(fā)和使用抑塵劑，通過改善粉塵的潤濕效果，促使細(xì)粒粉塵凝聚結(jié)團(tuán)而沉降，以提高降塵效率。
從目前的使用情況看，抑塵劑的使用范圍還有待拓寬、抑塵劑的使用量還有待提高、抑塵劑的作用機(jī)理還有待認(rèn)識。為了促進(jìn)抑塵劑的廣泛使用，本文評述了抑塵劑開發(fā)技術(shù)進(jìn)展，希望能對抑塵劑的開發(fā)和應(yīng)用提供某些借鑒。

　　抑塵劑按作用機(jī)理可以分為潤濕型、粘結(jié)型、凝聚型、復(fù)合型四類。

　　潤濕型抑塵劑主要由表面活性劑和某些無機(jī)鹽組成。表面活性劑依據(jù)其自身的性質(zhì)，主要是降低溶液體系的表面張力，起到滲透、潤濕、乳化、發(fā)泡等作用，無機(jī)鹽的作用則是彌補(bǔ)表面活性劑的吸濕保水方面的不足，促進(jìn)表面活性劑的作用發(fā)揮。這類抑塵劑在煤塵抑制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍。早期缺乏對表面活性劑與高分子材料耦合作用機(jī)理的認(rèn)識，很大程度限制了該類抑塵劑走向多功能高效率的復(fù)合抑塵劑的研發(fā)方向。楊靜等以聚乙烯醇(PVA)、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)和少量成膜助劑，開發(fā)出一種適于煤炭儲運(yùn)過程中降塵用的抑塵劑。施春紅等利用MgCl2、CaCl2及少量輔助劑研制出新型煤礦防火抑塵劑，通過在煤表面形成含水液膜，阻隔煤表面活性自由基團(tuán)與氧氣直接接觸和反應(yīng)，同時(shí)起到防火目的。Talamoni等以聚乙烯醇、丙烯酸乳膠為粘結(jié)劑、甘油為吸濕劑，聚硅氧烷樹脂為表面活性劑制成一種新型潤濕抑塵劑。

　　該類型抑塵劑在大氣降塵及煤礦綜掘面等一線高密度粉塵作業(yè)場應(yīng)用較多，未來的開發(fā)方向主要集中在保證抑塵效率的前提下開發(fā)更為廉價(jià)的潤濕性抑塵劑。另外，將該類抑塵劑與現(xiàn)有除塵裝置結(jié)合以提高PM2.5脫除效率的研究思路在近年出現(xiàn)較多。

　　粘結(jié)型抑塵劑在道路揚(yáng)塵、建筑工地、露天堆料場揚(yáng)塵、裸露地面揚(yáng)塵方面的應(yīng)用較多，根據(jù)原料的不同又可分進(jìn)一步分為粘結(jié)型有機(jī)化學(xué)抑塵劑和粘結(jié)型無機(jī)化學(xué)抑塵劑。

>>>>1.2.1 粘結(jié)型有機(jī)化學(xué)抑塵劑

　　粘結(jié)型有機(jī)粘結(jié)劑一般由原油、石油渣油、石蠟、石蠟油、煤渣油、瀝青、橄欖油廢渣、生物油渣、木質(zhì)素衍生物、纖維素濾料、樹脂、聚合物等等組分復(fù)合進(jìn)一步復(fù)配其他有機(jī)化合物形成。主要有淀粉系、纖維素系、木質(zhì)素系、合成樹脂系四類。淀粉系通過淀粉接枝丙烯晴、丙烯酸鹽、丙烯酰胺；淀粉羧甲基化；淀粉黃原酸化接枝丙烯酸鹽；淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、順丁烯二酸酐接枝共聚等方法制成。接枝引發(fā)劑為本類抑塵劑的重要組成，常用的引發(fā)劑包括過氧化苯酰、過硫酸鉀、H2O2-Fe2+、Mn3+鹽類等。纖維素系主要基于纖維素分子中的活性羥基通過酯化、醚化、接枝共聚形成，如纖維素的羧甲基化以及纖維素接枝丙烯晴、丙烯酸鹽、丙烯酰胺，纖維素黃原酸化接枝丙烯酸鹽形成。木質(zhì)素系通過接枝共聚丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯晴、甲基丙烯氨酰胺通過交聯(lián)反應(yīng)、曼尼希反應(yīng)制備。合成樹脂系抑塵劑主要包括聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧撐系等。

　　該類抑塵劑的優(yōu)勢在于骨價(jià)原料廉價(jià)易得、制備技術(shù)相對成熟。多數(shù)粘結(jié)性有機(jī)化學(xué)抑塵劑的開發(fā)結(jié)果表明，多數(shù)木質(zhì)素類和纖維素類抑塵劑有良好的親水性和生物親和力，對于重金屬粉塵控制及工業(yè)廢氣預(yù)處理有很好的應(yīng)用前景，且該類產(chǎn)品在抗寒、抗壓、可生物降解方面比其他類型抑塵劑更有優(yōu)勢，目前研究方向多傾向于木質(zhì)素系抑塵劑的研發(fā)。

　　粘結(jié)型有機(jī)化學(xué)抑塵劑增溶物的碳?xì)滏滈L與表面活性劑的碳?xì)滏滈L導(dǎo)致其實(shí)際生產(chǎn)過程中難以控制，如果他們的鏈長接近時(shí)，增溶作用小，溶解度低，難以提高抑塵效率。目前主要使用聚氧乙烯型增溶劑，有待于開發(fā)新型添加劑以擴(kuò)寬研究方向。

>>>>1.2.2  粘結(jié)型無機(jī)化學(xué)抑塵劑

　　無機(jī)型粉塵粘結(jié)劑主要包括鹵化物、氧化鈣、粉煤灰、粘土、石膏、高嶺土、酸等。Barlow等將CaCO3、高嶺土、石膏按一定比例混合制成粘結(jié)性粉塵。劉順妮等研究了改性石灰粘土固化劑外加其他助劑，得出生石灰84%、石膏3%、硫酸鈉5%、硫酸鋁8%的配方。

　　該類抑塵劑的開發(fā)試驗(yàn)表明，道路固塵效果較好，但是其乳化性能較差。為了更好的實(shí)現(xiàn)原材料的有效利用，有待于尋找更好的添加劑來實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)合抑塵劑。

>>>>1.3.1 吸濕型無機(jī)鹽凝聚劑

　　國內(nèi)外學(xué)者在吸濕性無機(jī)鹽凝聚劑方面的研究主要集中在NaCl、MgCl2、CaCl2、CaO等高吸水性無機(jī)鹽，前蘇聯(lián)于1963年首次報(bào)道，用吸濕性較強(qiáng)的氯化鈣（0.6kg/m）均勻?yàn)⒃诳諝庀鄬穸容^高的礦山路面可以有效的防止路面揚(yáng)塵，防塵有效期可達(dá)45-90天。吳超等學(xué)者研究了固體NaCl、MgCl2、CaCl2在自然環(huán)境條件中晝夜周期吸濕、放濕行為，結(jié)果表明，MgCl2、CaCl2的吸濕性能較好，NaCl需要在濕度很大的情況下才能發(fā)揮吸濕抑塵作用。

　　較好吸濕抗蒸發(fā)性使得該類抑塵劑在早期應(yīng)用于路面控塵較多，但是，土地鹽堿化及受溫度影響較大缺點(diǎn)讓產(chǎn)品單一的吸濕型無機(jī)鹽凝聚劑慢慢淡出了抑塵劑市場，目前更多以融雪劑等產(chǎn)品應(yīng)用于道路。

>>>>1.3.2 高倍樹脂凝聚劑

　　高倍吸水樹脂是近30年來開發(fā)的一種性能優(yōu)良、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的水溶性高分子材料，具有吸水倍率高、保水性能好、粘結(jié)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前使用的高倍樹脂凝聚劑合成方式主要分為抑塵劑SAP(Su-per Absorbent Polymer，高倍吸水抑塵劑)；抑塵劑LAS(由高倍吸水抑塵劑和表面活性劑配制而成)；LSP(由LAS&SAP復(fù)配而成)。李云濤選取四種類型的高倍吸水樹脂抑塵劑通過模擬公路工程施工現(xiàn)場環(huán)境分別測試其抗蒸發(fā)能力以確定抑塵效果，得到濃度為0.2%的抑塵劑SAP的成膜狀態(tài)最好。祁曉華通過研究聚丙烯酸/硅藻土復(fù)合、聚（丙烯酸-co-異丙烯磷酸）/改性高嶺土復(fù)合、多孔聚（丙烯酸-co-2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸）/凹凸棒土復(fù)合的高倍吸水樹脂。

　　該類抑塵劑的保水、抗壓性能突出，但其制備成本相對較高，應(yīng)用面僅限于道路及堆料場，且多數(shù)產(chǎn)品因?qū)Νh(huán)境適應(yīng)性差而無法走出實(shí)驗(yàn)室中試成功。如果能開發(fā)更為廉價(jià)的原材料或新型合成方法，則其在抑塵領(lǐng)域具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

　　近年來，隨著新材料的不斷開發(fā)以及除塵要求提高，復(fù)合型抑塵劑得到了較快的發(fā)展。王威等研究了高分子復(fù)合材料與乳化劑在不同條件下復(fù)合制成了復(fù)合抑塵劑。肖紅霞等采用預(yù)乳化法合成出甲基丙烯酸甲酯－丙烯酸丁酯共聚物乳液。蔣富強(qiáng)等將將木質(zhì)素磺酸鈉、丙烯酸、雙氧水、氯化鈣、四硼酸鈉、甲基硅酸鈉按一定比例復(fù)合制成對煤塵具有良好效果的抑塵劑。

　　抑塵劑多在惡劣、復(fù)雜多變的環(huán)境下使用，為避免更多的中試試驗(yàn)失敗，因地制宜的研究復(fù)合型抑塵劑是極其必要的。目前，更多報(bào)道表明：將各種合成技術(shù)耦合開發(fā)復(fù)合型抑塵劑是行之有效的一種方法，這也將成為未來的主要研究方向。

　　該類型抑塵劑的接枝共聚、配位、離子螯合、乳化、增溶、潤濕等耦合制備技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，其耦合作用機(jī)理尚不成熟增加了復(fù)合型抑塵劑的開發(fā)難度，因此探索復(fù)合型抑塵劑的耦合作用機(jī)理成為該類抑塵劑開發(fā)的首要難題。

       20世紀(jì)20年代，英國學(xué)者就研究了潤濕劑用于潤濕巷道積塵防止揚(yáng)塵。相繼出現(xiàn)了美國的Coherex和柏樂柯爾、前蘇聯(lián)的mCnK抑塵劑、英國的Lessapoly和Wesling-120抑塵劑等等。李偉以木質(zhì)素磺酸鹽為原料，通過與聚合物單體接枝改性制備鐵路輸煤用抑塵劑，并進(jìn)行了示范試驗(yàn)。譚卓英等 開發(fā)了新型抑塵劑進(jìn)行露天礦運(yùn)輸揚(yáng)塵治理，表明新型抑塵劑具有粘結(jié)、凝并、吸濕和保水等綜合抑塵性能。

　　近年來，大量新型高效抑塵劑的開發(fā)使用，使得煤場大氣環(huán)境得到極大改善。杜翠鳳等開發(fā)了新型粘結(jié)劑抑塵劑，并在武鋼焦作礦原煤場進(jìn)行了工業(yè)試。李翔等利用淀粉接枝丙烯酸和丙烯酰胺，合成了新型煤塵抑塵劑，并測試了保濕凝聚和固結(jié)性能。李錦等選取MPS-A型抑塵劑和GPS-B型抑塵劑配成不同濃度的噴灑液，進(jìn)行了露天料堆噴灑試驗(yàn)并取得良好效果。

但是，復(fù)雜的礦山環(huán)境對抑塵劑的及時(shí)除塵效果和除塵后的穩(wěn)定效果等都提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。礦山環(huán)境是處于時(shí)刻變化中，如何開發(fā)出礦山各種惡劣環(huán)境中均能適應(yīng)的抑塵劑是今后抑塵劑研究發(fā)展的主要方向。

　　通過分析可以看出來，為使抑塵劑取得做好的抑塵效果，其配方及制備工藝日趨復(fù)雜多樣，多功能復(fù)合抑塵劑和專用型抑塵劑已成為目前研究的主要方向。對于多功能復(fù)合抑塵劑的機(jī)理研究還處于起步階段，在未來的研究中建立一套完整的性能表征方法和分析方法，以便更準(zhǔn)確的預(yù)測評估實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品現(xiàn)場應(yīng)用效果。在對現(xiàn)有制備技術(shù)原理的了解的基礎(chǔ)上，選用合適材料對復(fù)合型抑塵劑耦合制備技術(shù)的機(jī)理進(jìn)行探討，建立準(zhǔn)確的機(jī)理分析方法，便于更多優(yōu)異的抑塵劑走向市場。

（作者單位為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院）