我國煤礦抑塵劑研究現(xiàn)狀及展望*

王鵬飛，王新喆，劉 巖

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411100；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411100)

0 引言

我國煤炭資源開采量和消耗量居世界前列，國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年我國共生產(chǎn)38.4億t原煤。煤炭在開采、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中都會(huì)產(chǎn)生煤塵，高濃度煤塵會(huì)對(duì)人體造成不可逆的危害，主要包括兩個(gè)方面：①導(dǎo)致塵肺病等疾病[1]。井下煤礦開采時(shí)，一部分煤塵被通風(fēng)除塵與噴霧降塵等措施消除，還有一部分漂浮于空氣中；井下作業(yè)人員長(zhǎng)期接觸粉塵，生理上會(huì)產(chǎn)生一系列變化，如粉塵沉積于細(xì)小支管或肺泡內(nèi)，導(dǎo)致肺組織纖維化疾病，即塵肺病[2]；國家衛(wèi)生健康委調(diào)查報(bào)告顯示，截至2020年，我國累計(jì)報(bào)告職業(yè)病約101.1萬例，職業(yè)性塵肺病數(shù)量達(dá)到90.3萬例，占比近90%；2017-2020年，全國新增塵肺病72 669例，其中煤礦新增塵肺病占比50%左右，目前塵肺病尚無有效的治療方法。②煤塵自燃和爆炸。煤塵爆炸是煤礦中傷害性、災(zāi)難性最重的災(zāi)害，相比于瓦斯爆炸，煤塵爆炸破壞力更強(qiáng)、傷害范圍更廣、造成的災(zāi)難更嚴(yán)重；2000-2020年，全國共發(fā)生煤塵爆炸事故17起，導(dǎo)致500多人死亡。

20世紀(jì)末，我國在礦井煤塵性質(zhì)和煤塵防治方面開展了深入研究。目前，常用除塵措施有水力除塵、凈化風(fēng)流、通風(fēng)除塵等[3]。水力除塵是應(yīng)用范圍最廣、最方便有效的除塵方法之一。但是，水的表面張力較大，潤濕煤塵效果較差，井下噴灑清水的除塵效率僅有30%左右[4]，如何提高礦井除塵效率已經(jīng)成為粉塵防治的熱點(diǎn)問題。隨著科技的進(jìn)步，化學(xué)抑塵成為提高除塵效率的一種有效手段。近年來，我國科研人員對(duì)化學(xué)抑塵劑進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出了多種化學(xué)抑塵劑，井下除塵效率得到了有效提高。

本文綜述了我國煤礦抑塵劑的研究進(jìn)展，總結(jié)了幾種基礎(chǔ)的抑塵劑降塵理論，歸納了我國煤礦抑塵劑研究取得的最新成果，并對(duì)其未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 煤礦抑塵劑理論

1.1 煤塵濕潤理論

抑塵劑抑制粉塵的過程就是煤塵濕潤的過程。噴霧除塵是井下粉塵治理的主要措施，主要是通過高壓噴嘴噴灑水霧，使空氣中的煤塵濕潤并沉降，從而降低粉塵濃度。因此，煤塵潤濕性是影響降塵效果的重要因素之一。

欲了解煤塵的潤濕性，需要對(duì)煤塵與水之間的固-液關(guān)系進(jìn)行分析。從宏觀上看，潤濕可以看作是液體將其他液體從固體表面替換的一種過程，從微觀上看，液體在固體表面展開后，將原來的固體表面的分子替換掉。潤濕現(xiàn)象分為沾濕、浸濕和鋪展三種類型[5](見圖1)。

1)沾濕

液體與固體接觸，原來的氣固界面被液固界面取代，這一過程稱為沾濕，如圖1(a)所示。此過程的自由能變化表達(dá)式為

Wa=-ΔG=γsg+γlg-γsl，

(1)

式中：Wa表示向外做的功，即黏附功；ΔG表示系統(tǒng)自由能；γsg、γlg、γsl分別表示固氣之間、液氣之間和固液之間的體積自由能。

Wa越大，固液接觸面結(jié)合越牢固，體系越穩(wěn)定。

2)浸濕

將某一固體浸入液體中，固體表面的氣體被液體置換，形成了新的固液界面，如圖1(b)所示。此過程中的自由能變化表達(dá)式為

Wi=-ΔG=γsg-γsl，

(2)

式中，Wi表示浸濕功。

浸濕發(fā)生的條件為：恒溫恒壓下，Wi≥0。

3)鋪展

鋪展是指將液體滴在固體表面時(shí)，液體在固體表面鋪展開來，如圖1(c)所示。這一過程，不僅讓固液界面取代了固氣界面，而且還形成了新的液氣界面。此過程中自由能變化表達(dá)式為

S=-ΔG=γsg-γsl-γlg，

(3)

式中，S表示鋪展系數(shù)，當(dāng)S≥0時(shí)，鋪展現(xiàn)象才能發(fā)生。

增加煤塵潤濕性的有效方法是提高γsg，同時(shí)減小γlg和γsl，從而使S≥0。但提高γsg的難度較大，而改變?chǔ)胠g和γsl較為容易，因此最簡(jiǎn)便的方法是在液體中添加潤濕劑，其作用機(jī)理是使γlg和γsl下降。

圖1 液滴潤濕煤塵過程

將化學(xué)抑塵劑加入水中，可以提高水溶液對(duì)煤塵的潤濕性，如圖2所示。

圖2 表面活性劑溶液潤濕煤塵過程

XU等[6]分別研究了幾種不同表面活性劑對(duì)煤塵的潤濕能力，測(cè)試了不同濃度表面活性劑溶液對(duì)煤塵的接觸角與表面張力的影響，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)表面活性劑溶液濃度增加，煤塵表面的親水位點(diǎn)也隨之增加，對(duì)提高煤塵潤濕性產(chǎn)生了積極作用。趙迪[7]系統(tǒng)分析了煤塵濕潤特性，結(jié)果表明：隨著表面活性劑溶液濃度的增大，表面張力逐漸減小，達(dá)到臨界膠束濃度(CMC)后趨于平緩，大部分表面活性劑的CMC在0.06%左右；同時(shí)，以無機(jī)鹽為增效劑，可有效提高表面活性劑的潤濕能力。

1.2 水霧除塵理論

水霧除塵是綜合利用捕塵技術(shù)與凝并機(jī)理的過程。但由于水霧與煤塵粒徑都很小，捕集與凝并作用都不能將并合物質(zhì)從氣體中分離，因此要高效凈化含塵氣體，除了捕塵技術(shù)之外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)凝并與沉降分離措施。復(fù)合抑塵水霧主要包括水霧捕塵沉降階段和塵霧沉降后階段[8](見圖3)。

1)水霧捕塵沉降階段

該階段可劃分為塵霧直接接觸、塵霧相互耦合、塵霧有機(jī)結(jié)合等過程。粉塵、水霧顆粒在空氣中發(fā)生碰撞、沖擊，但因塵霧理化特性、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的差異，可能出現(xiàn)浸濕包裹、黏附或彈開等現(xiàn)象。在潮濕條件下，使粉塵顆粒維持一定的含水率，具有抑制粉塵飛揚(yáng)的效果。粉塵顆粒沉降的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，V表示顆粒沉降速度，r表示顆粒粒徑，ρ粒表示顆粒密度，ρ流表示氣流密度，μ表示運(yùn)動(dòng)黏度，θr表示外摩擦系數(shù)，g表示重力加速度。水霧捕捉空氣中粉塵，凝聚成團(tuán)后發(fā)生沉降，從而使空氣中粉塵濃度降低。

2)塵霧沉降后階段

當(dāng)塵霧的組合體沉降至地面后，為避免二次揚(yáng)塵，宜考慮延長(zhǎng)塵霧有機(jī)組合體保水特性、與地面的黏結(jié)力度和時(shí)間。抑塵劑的吸濕作用機(jī)理為：塵霧組合體部分水分揮發(fā)后，因過飽和而析出的抑塵劑產(chǎn)生了微孔隙，水蒸氣擴(kuò)散進(jìn)入其中，由于毛細(xì)凝聚作用而液化，最終實(shí)現(xiàn)抑塵劑的吸濕功能。

另外，還可從改善塵霧結(jié)合體黏結(jié)性能方面來考慮，抑塵劑滲入塵堆或沉降接觸面孔隙，可以提高抑塵劑與粉塵、接觸面間的黏結(jié)效果，從而達(dá)到抑制二次揚(yáng)塵的目的。

圖3 水霧除塵過程

根據(jù)上述2種基礎(chǔ)理論，在水溶液中能夠產(chǎn)生正吸附的溶質(zhì)可以使水的表面張力降低，而產(chǎn)生負(fù)吸附的溶質(zhì)則會(huì)使水的表面張力提高。由于煤塵表面含有大量的脂肪烴和芳香烴等疏水基團(tuán)，這些疏水基團(tuán)是非極性的。當(dāng)煤塵與水分子碰撞、接觸時(shí)，兩者之間的物理性質(zhì)差異較大，因?yàn)樗c煤塵之間的表面張力較大，導(dǎo)致煤塵難以被潤濕。根據(jù)這些特點(diǎn)，向水中添加產(chǎn)生正吸附從而使水的表面張力顯著降低的一類物質(zhì)稱為表面活性劑，如十二烷基硫酸鈉、十二烷基二甲基溴化銨等。化學(xué)抑塵劑已被廣泛用于建筑施工場(chǎng)所、土路面、堤壩、散料堆積場(chǎng)等領(lǐng)域。

2 我國煤礦抑塵劑技術(shù)研究現(xiàn)狀

化學(xué)抑塵是抑制粉塵傳播的有效途徑之一，隨著煤炭產(chǎn)量的增加，其對(duì)化學(xué)抑塵劑的需求越來越大。目前化學(xué)抑塵劑根據(jù)其應(yīng)用機(jī)理主要分為潤濕型、黏結(jié)型以及復(fù)合型三種(見表1)。

表1 抑塵劑分類與應(yīng)用范圍

2.1 復(fù)合型抑塵劑

復(fù)合型抑塵劑應(yīng)用廣泛，主要成分有潤濕劑、黏結(jié)劑及其他添加劑。其中：潤濕劑通過降低溶液表面張力提高潤濕效率；黏結(jié)劑利用架橋效應(yīng)提高礦塵團(tuán)聚率；添加劑指的是可以提高黏結(jié)性的添加劑，如丙三醇等。龐亞恒等[9]選用天然可降解的多糖類高分子殼聚糖為生物質(zhì)原料，制得羧甲基殼聚糖，利用羧甲基殼聚糖的成膜性和黏結(jié)性，將羧甲基殼聚糖與十二烷基硫酸鈉復(fù)配，測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合抑塵劑的降塵性能和抗風(fēng)蝕性能良好，能抵抗6級(jí)風(fēng)力。王振宇[10]將微波聚合法與傳統(tǒng)的溶液聚合法相結(jié)合，制備出了一種微波聚合復(fù)合型抑塵劑，在單體試驗(yàn)、正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了最佳配方，并確定了其最佳噴灑含量。張明軍[11]以天然糖類聚合物蘆薈提取液為基體，通過潤濕性、保水率、黏度等試驗(yàn)確定以十二烷基苯磺酸鈉為本試驗(yàn)的表面活性劑、聚丙烯酸鈉為吸水樹脂材料、羧甲基纖維素鈉為水溶性聚合物，通過不同配比的正交試驗(yàn)，得到抑塵劑的最佳配比，并制得復(fù)合型抑塵劑，測(cè)試結(jié)果表明，該抑塵劑具有良好的降塵效果。

根據(jù)煤礦開發(fā)方法可將抑塵劑分為兩類：一類是在地下開采的礦井，抑塵劑特性傾向于能高效潤濕或黏附煤塵；另一類是應(yīng)用于露天采礦、堆放及運(yùn)輸過程中的煤塵,抑塵劑特性傾向于凝結(jié)及固定煤塵[12-14]。

2.1.1 井下礦用抑塵劑

我國地下煤礦較多，煤塵污染嚴(yán)重，傳統(tǒng)的噴霧除塵能力有限。目前最有效的辦法是將抑塵劑加入噴霧系統(tǒng)中，捕捉并吸附空氣中的漂浮煤塵，以達(dá)到降塵的目的。井下抑塵劑原料主要由潤濕性強(qiáng)的表面活性劑組成[15]，表面活性劑的分類見表2。根據(jù)表面活性劑在水溶液中親水基的帶電性質(zhì)，可將其分為離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑；其中，離子型表面活性劑又可以進(jìn)一步分為陰離子型、陽離子型、兩性離子型表面活性劑。

表2 表面活性劑的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

井下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，煤塵主要來自綜采面開采時(shí)產(chǎn)生的碎屑，宋淑鄭等[16]使用FLUENT軟件對(duì)綜采面粉塵逸散行為進(jìn)行了模擬研究，針對(duì)綜采面產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)粉塵，將抑塵劑加入噴霧系統(tǒng)中，捕捉空氣中的粉塵，使之接觸潤濕并沉降。楊靜[17]對(duì)煤塵潤濕性機(jī)理進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，表面活性劑加入水中可以有效降低水的表面張力，提高煤塵的潤濕性。茍尚旭等[18]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同煤炭種類的結(jié)構(gòu)差異對(duì)潤濕性存在影響，潤濕效率不僅依賴于表面活性劑濃度，煤塵本身的表面性質(zhì)也是一個(gè)重要因素。王青松等[19]初步闡述了煤塵潤濕機(jī)理，利用界面化學(xué)理論總結(jié)出煤塵潤濕條件，分析了水潤濕煤塵的過程。裴葉[20]將表面活性劑復(fù)配應(yīng)用于噴霧降塵技術(shù)中，提升了霧滴對(duì)煤塵的濕潤性，有效減小了煤塵密度。郭王勇等[21]對(duì)不同抑塵劑的濕潤性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)電位較小的抑塵劑能夠有效改善較小粒徑煤塵的表面潤濕性。張江石等[22]從14種抑塵劑中優(yōu)選出非離子型PAM、SA、JFC、DTAB這4種化學(xué)抑塵單體，并以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行了復(fù)配試驗(yàn)，優(yōu)選出最佳抑塵劑配方，通過模擬動(dòng)力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該配方具有良好的安全性和耐腐蝕性。

2.1.2 露天開采抑塵劑

露天礦山開采、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)V石過程中受風(fēng)力擾動(dòng)產(chǎn)生的漂浮于空氣中的煤塵，不僅污染大氣環(huán)境，也有害于周邊居民的身體健康。噴灑固化抑塵劑可將浮于煤礦表面的煤塵黏結(jié)，從而減小污染。固化抑塵劑可分為無機(jī)類固化抑塵劑、有機(jī)類固化抑塵劑、有機(jī)無機(jī)混合抑塵劑、工業(yè)廢渣等(見表3)。有學(xué)者研發(fā)出了以黏結(jié)性為主、潤濕性為輔的復(fù)合型抑塵劑，該抑塵劑可以黏結(jié)粉塵或覆蓋于粉塵表面形成一層薄膜，能有效阻止粉塵飛揚(yáng)。

表3 固化抑塵劑分類

王林凱等[23]以滲透劑、成膜劑為原料，復(fù)配制作了新型抑塵劑，測(cè)試了其黏度、滲透性、抗壓強(qiáng)度、抑塵效率、表面張力等指標(biāo)，結(jié)果表明，該抑塵劑除塵效果明顯優(yōu)于清水。潘紅衛(wèi)等[24]以海藻酸鈉和膠原蛋白為基體、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、過硫化鉀為引發(fā)劑，制備出了新型高分子抑塵劑，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：新型抑塵劑具有良好的黏結(jié)性、耐水性和潤濕性；加入微量十二烷基苯磺酸鈉后，固化層厚度增加了約34.07%。

2.2 新型化學(xué)抑塵劑

新型化學(xué)抑塵劑主要包括4種類型：生態(tài)環(huán)保型抑塵劑、功能型抑塵劑、高分子抑塵劑、微生物抑塵劑。傳統(tǒng)的化學(xué)抑塵劑抑塵效果不是很理想，存在成本高、易造成二次污染等缺點(diǎn)，所以使用生物材料制備價(jià)格低廉且抑塵效果好的新型化學(xué)抑塵劑具有重要意義[25-26]。

2.2.1 環(huán)保型抑塵劑

生活廢棄物及生產(chǎn)中產(chǎn)生的垃圾是環(huán)保抑塵劑的主要原材料來源，包括生態(tài)有機(jī)高分子和可降解環(huán)境材料。這種抑塵劑不但可以發(fā)揮生態(tài)環(huán)境保護(hù)的功效，使用時(shí)持久性較強(qiáng)，而且原材料來源相對(duì)單一，產(chǎn)品成本低。如用海藻酸鈉和氯化鈣等原材料制成的抑塵劑，生成膜物質(zhì)快，不易溶于水，表層薄膜還可以抵擋較大的風(fēng)力。采用高鹽地堿蓬籽餅制作的抑塵劑，抑塵效果也十分突出。采用鈣鎂液晶聚合物制成的抑塵劑，對(duì)于灰塵具有良好的吸收功效，同時(shí)還對(duì)空氣中的氮氧化物具有一定的吸收作用。左文強(qiáng)[27]以煤礦井下采掘工作面高溫高濕的特殊作業(yè)環(huán)境為背景,以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化銨為基料、過硫酸銨和亞甲基雙丙烯酰胺為引發(fā)劑和交聯(lián)劑、甲基葡萄糖苷十二烷基酯為表面活性劑,研制出了可用于煤礦井下工作面的新型樹脂型抑塵劑。晉虎[28]以大豆分離蛋白為主要成分、羧甲基纖維素鈉為增稠劑、甲基硅酸鈉為防水輔助劑，利用陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行改性，制備出了一種復(fù)合型環(huán)保抑塵劑。

國外有利用生物柴油制造過程中生成的甘油制備環(huán)保型抑塵劑、利用動(dòng)物乳液聚合法制取環(huán)境友好型抑塵劑的報(bào)道，甚至還出現(xiàn)了可生物降解的抑塵劑。

2.2.2 高分子抑塵劑

高分子抑塵劑的主要原材料為聚丙烯酸酯和聚乙烯醇，主要原理是通過吸收、團(tuán)聚使塵粒黏附在一起，從而實(shí)現(xiàn)降塵的效果。新型高分子抑塵劑具備良好的抑塵力、防水度和抗風(fēng)力。利用接枝共聚法，增強(qiáng)了抑塵劑海藻酸鈉的潤濕力，抑塵功效很好。以聚丙烯酰胺為原材料，與甘油、海藻酸鈉等結(jié)合，成功制備了大分子抑塵劑，試驗(yàn)結(jié)果表明，其抑塵效果顯著。得益于高分子材料制備技術(shù)的快速發(fā)展，高分子抑塵劑的制造成本進(jìn)一步降低，有利于高分子抑塵劑的推廣使用。

2.2.3 特殊功能抑塵劑

特殊功能抑塵劑是具有特定功能的抑塵劑，面對(duì)不同環(huán)境發(fā)揮不同的作用。如吸濕劑具有吸濕作用，凝并劑具有黏性，還有防火、防寒、耐腐蝕等特定功能的抑塵劑。功能型抑塵劑不僅能降塵，還可在不同環(huán)境中加入其他化學(xué)材料來實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。張莉[29]研制出了一種冰點(diǎn)為-15 ℃的防凍型抑塵劑，抑塵效果可達(dá)半個(gè)月以上。

2.2.4 微生物抑塵劑

微生物抑塵劑是用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)制作生物黏結(jié)劑，使散落的粉塵凝結(jié)成大顆粒，以達(dá)到降塵的目的。其優(yōu)點(diǎn)是無毒無害、容易降解，一些經(jīng)特殊處理的微生物抑塵劑還能夠起到耐高溫、抗腐蝕的作用。王和堂等[30]研發(fā)了一種用枯草芽孢桿菌發(fā)酵合成生物抑塵劑BDS的工藝,并采用響應(yīng)面分析法和Design Expert軟件分析了菌株高產(chǎn)的最優(yōu)發(fā)酵條件[31]，采用X射線晶體衍射和紅外光譜技術(shù)探究了BDS的晶體結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，該研究成果有望破解傳統(tǒng)抑塵劑面臨的表面活性和潤濕能力較弱、生物降解性和環(huán)保性不足等難題。

我國研究人員開展了抑塵劑單體、基體的優(yōu)選性研究，明確了最終組分用量和最合適的反應(yīng)條件[32-36]。針對(duì)煤塵的潤濕性原理,基于水霧除塵理論和熱固化粉塵理論，研制了各種適合于不同場(chǎng)所的潤濕煤塵的化學(xué)抑塵劑[37-38]。近年來,學(xué)者們研發(fā)出了具有潤濕與凝聚等功效的復(fù)合抑塵劑，克服了傳統(tǒng)煤塵的潤濕功能與凝結(jié)功能二者之間配合性差的問題，提高了煤塵潤濕效率。

3 抑塵劑技術(shù)研究展望

現(xiàn)階段，煤礦仍是我國主要消耗能源。煤礦開采的粉塵污染問題日益嚴(yán)重，對(duì)工人的身體健康和周邊環(huán)境造成了巨大危害。我國學(xué)者對(duì)化學(xué)抑塵劑進(jìn)行了積極探索，取得了不少創(chuàng)新性成果。然而，我國煤礦分布不均，不同煤礦的開采方式不同，其抑塵劑使用效果也各不相同。針對(duì)我國煤礦抑塵技術(shù)提出以下建議：

a.抑塵材料研發(fā)階段。采用環(huán)保材料制備抑塵劑，如天然高分子抑塵劑、微生物抑塵劑，在提高抑塵效果的同時(shí)，盡可能降低抑塵劑可能帶來的環(huán)境問題，進(jìn)一步研發(fā)價(jià)格低廉、無污染的環(huán)保型抑塵劑。

b.抑塵劑測(cè)試階段。構(gòu)建一套科學(xué)的性能評(píng)價(jià)體系，借助現(xiàn)代化儀器分析抑塵劑性能。隨著細(xì)微觀研究的發(fā)展，紅外光譜、掃描電鏡及反滲透技術(shù)已被用于測(cè)試抑塵劑效果。

c.優(yōu)化抑塵劑使用。不同礦區(qū)的地理?xiàng)l件、天氣條件不同，抑塵劑效果也將不同。針對(duì)不同礦區(qū)的特性，使用更適合的抑塵劑。目前，化學(xué)抑塵是提高除塵效率的一種有效途徑，但大都處于試驗(yàn)研究階段，使用方法有待進(jìn)一步探索。