煤炭化學抑塵劑的應用進展

＊許飛健 陳維旭 王鋒 于英豪*

（1.華南理工大學化學與化工學院 廣東 510000 2.山東普越能源科技有限公司 山東 265599）

近年來，隨著煤炭開采機械化程度和生產強度的提高，煤礦開采、儲存和運輸產生的粉塵劇增，造成的環境污染和健康安全問題日益嚴重，因此，對于煤炭在開采和運輸過程中產生的粉塵的抑制是十分重要的。在眾多的抑塵方法中，化學抑塵劑因其選擇性好和實用性強引起了科研工作者的廣泛關注。國內外研究者對揚塵污染作了大量的研究，結果表明煤的芳香核主體結構使其具有強懸浮性和強疏水性，在煤炭表面噴淋化學抑塵劑后能夠有效防止煤炭在運輸過程中的損失和污染，該方法簡便易行。

但是目前大多數化學抑塵劑都存在局限性，例如功能單一、制備工藝繁雜、經濟效益低、環保安全問題等。因此，開展包括煤炭抑塵劑的作用機理和具體應用的研究進展，評估各自的優缺點，對于尋找高效、綠色、價格低廉以及多功能的煤炭抑塵劑尤為重要。

1.研究歷程與現狀

日本、歐美等國家在抑塵劑研究領域處于世界領先水平，早在20世紀前期，國外研究人員就研發出濕潤型化學抑塵劑應用在煤炭抑塵上。近40年來，隨著抑塵技術研究不斷深入，國外開始將表面活性劑應用在煤炭抑塵技術中。之后隨著人們環境保護意識的提高以及現代化學產業的發展，國外已經從原始的瀝青、原油和無機鹽物質轉向高分子聚合物等新型綠色化學抑塵劑，向多功能及環保的方向發展。

我國在化學抑塵劑方面的研究起步落后于其他先進國家。20世紀中葉，我國基本使用純水抑塵。隨著20世紀80年代國外抑塵方法的引進，我國才開始研究各類抑塵方法。21世紀以來，我國在化學抑塵劑領域的研究和應用不斷深入和拓寬。隨后表面活性劑和高分子聚合物類功能材料的開發研究更是促進了抑塵劑的迅猛發展，主要應用在道路和煤炭開采運輸過程的揚塵治理以及防風固沙等領域。

研究人員雖然在化學抑塵劑方面取得了一定的成果，但目前一些傳統的單一型抑塵劑還是難以滿足綠色可持續發展的要求。因此，綠色環保的復合型抑塵劑是目前的研究重點。

2.化學抑塵劑的作用原理

粉塵沉降速度的表達式見式（1）：

式中，νt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；θr為外摩擦系數；g為重力系數，m·s-2。

從式（1）得出，增大粉塵的粒徑或者密度可以加快煤粉沉降。

化學抑塵劑的作用機理有：（1）潤濕作用機理：抑塵劑通過濕潤滲透作用，使煤塵保持一定量的水分，增大煤塵的顆粒密度；（2）粘結作用機理：抑塵劑噴灑在煤塵表面后，煤粉會粘結成團或結殼，增大煤塵的粒徑；（3）凝固成膜機理：抑塵劑在煤塵表面形成一層致密的薄膜，減緩水分蒸發。

3.傳統化學抑塵劑

傳統的化學抑塵劑可以按照抑塵機理分為濕潤型、粘結型、凝聚型和復合型；按照不同的原料成分又可分為無機類和有機類。

(1)濕潤型化學抑塵劑

濕潤型化學抑塵劑主要成分是表面活性劑和某些無機鹽，無機鹽通常為吸濕性無機鹽，它克服了表面活性劑在保水吸濕上的缺點。該抑塵劑分子溶于水時完全被水分子包圍，表面活性劑中的親水基一端朝向水中，疏水基一端被排斥伸向空中，在水溶液表面形成界面吸附層阻斷水與空氣的接觸，從而降低水的表面張力。同時疏水基與粉塵之間有吸附作用，把粉塵帶入水中濕潤。

程淑艷等[1]利用十二烷基苯磺酸鈉和C9脂肪醇聚氧乙烯醚，研制出一種濕潤型煤炭抑塵劑，其能夠濕潤細小的煤粉，提高抑塵效率。Ding Cui等[2]將表面活性劑磁化后制備濕潤型表面活性劑，提高抑塵劑對煤塵的潤濕能力。金龍哲等[3]以氯化鈣和氯化鎂為基料制備濕潤型抑塵劑，顯著提高粉塵的保濕時間和降低路面平均粉塵質量濃度。

濕潤型抑塵劑主要用于噴霧系統抑制揚塵，提高潤濕粉塵效果，降低表面張力，但是其抑塵有效期較短，一般為5～10天，且腐蝕性強，會危害植物。

(2)粘結型化學抑塵劑

粘結型化學抑塵劑主要分為有機粘結材料和無機粘結材料，有機粘結材料如石油類產品、木質素衍生物、纖維素濾料等，而無機粘結材料如黏土、鹵化物和氯化鈣等。這些材料通常不溶于水，需要乳化后形成乳狀液后才具有粘性。當粘結型抑塵劑噴灑到粉塵表面時，外相水首先會潤濕粉塵，同時乳液中的表面活性劑也會增強水對粉塵的濕潤能力，使粉塵快速潤濕和凝結。最后發生反乳化作用在粉塵表面形成致密的油膜，從而有效抑制水分的蒸發。

潘海霞等[4]利用鹵化物與脂肪醇聚氧乙烯醚類表面活性劑復配制成粘結型抑塵劑，噴灑后抑塵劑滲透到土層中，固化后在表面形成一層強硬的防護殼，起到良好的防塵固沙作用。Stabnikov等[5]利用氯化鈣和尿素溶液等制備了無機化學抑塵劑，使用該抑塵劑后粉塵粒徑明顯增大，抑塵效果明顯。李凱崇等[6]利用木質素磺酸鹽與丙烯酸單體接枝共聚，再加入其他助劑制成鐵路煤炭運輸用的粘結型有機抑塵劑，耐水和抑塵效果較好，具有良好的經濟效益。

粘結型抑塵劑主要應用于路面、建筑工地以及露天堆場的揚塵，抑塵效果好，原料低廉易得，生產技術成熟，但是在實際應用過程中乳化性能較差。此外，一些無機化學抑塵劑難降解，易造成二次污染。

(3)凝聚型化學抑塵劑

凝聚型化學抑塵劑的主要成分是吸水劑，制備材料不同可分為吸濕型無機鹽類和高倍吸水樹脂類。吸濕型無機鹽抑塵劑的原材料主要是一些無機鹽，主要包括鹵化物、活性氧化鋁和硅膠等；而高倍吸水樹脂抑塵劑是一種高分子材料，其具有很強的吸水能力和保水能力。

吳超等[7]在氯化鎂、氯化鈣中添加了氧化鈣和氧化鎂，再與水玻璃復合制備吸濕型無機鹽抑塵劑，緩解了鹵化物使用后偏酸性的情況，抑塵效果良好。He等[8]研發一種高倍吸水樹脂凝聚劑，將其均勻噴灑在料堆后形成一種類似網狀的結構，具有良好的保水性能和粘結能力。

凝聚型抑塵劑能夠吸收水分，增大粒徑主要應用于防治在制料、搬運過程中所產生的揚塵。吸濕型無機鹽化學抑塵劑吸濕性很強，且有融雪能力，但是其腐蝕性較強，會損壞金屬零件和車胎，還會對環境造成污染；高倍吸水樹脂化學抑塵劑具有較強的吸水性、保水性和抗壓性，抑塵效果較好，但是其成本較高且難制備。

(4)復合型化學抑塵劑

復合型抑塵劑由兩種或兩種以上的抑塵劑通過物理或化學條件復合而成，是一種具有粘結、潤濕和凝聚等多功能的抑塵劑。

蔣富強等[9]復合木質素磺酸鈉和丙烯酸等助劑，制成了復合型化學抑塵劑，能夠有效抑制煤炭粉塵飛揚。馬云龍等[10]利用N,N-亞甲基雙丙烯酰胺和引發劑過硫酸銨制備了復合型抑塵劑，噴灑該抑塵劑后料堆表面形成的固化層具有良好的保水和粘結粉塵的能力。

復合型化學抑塵劑主要用于路面抑塵，其綜合了不同類型抑塵劑的優點，能夠改善路面質量，抑塵效果較好，但是其制備技術和作用機理比較復雜，且尚未成熟，研發難度較大。

4.新型化學抑塵劑

近年來，國內外研究者將研究重點由傳統化學抑塵劑逐漸轉向工藝簡易、綠色環保、多功能的新型抑塵劑。

（1）環保型抑塵劑。環保型抑塵劑實際是通過廢物的再利用或環保材料研發的，其具有優異的保水性能、環保低廉、制備簡單等優點。

王乃國等[11]通過化學自由基共聚理論制備了一種基于淀粉的環保型抑塵劑，結果表明該抑塵劑的潤濕性比水好，在煤粉表面形成致密的保護膜抵抗外界破壞，抑塵效果高達90%。龐亞恒等[12]以殼聚糖為原料改性后復配制得高效環保的復合型抑塵劑，該抑塵劑的降塵效果明顯，能夠在煤炭顆粒表面形成保護膜，能適用于強風天氣。Gotosa J等[13]以糖蜜酒精廢液為原料制備了環保型抑塵劑，該抑塵劑經濟環保，抑塵效果也遠高于純水抑塵。

（2）高分子抑塵劑。高分子抑塵劑的主要原料是一些有機高分子如聚丙烯酸酯、淀粉接枝共聚物、木質素磺酸鹽接枝共聚物和水溶性纖維素聚合物等。它通過高分子的粘著力將粉塵凝聚成團，然后在物料表層結殼，有效抑制揚塵。

馬倩等[14]通過聚醚二元醇和環氧樹脂的聚合反應制備高分子抑塵劑，該抑塵劑無毒無刺激，在煤粉表面形成的固化層韌性較好，具有一定的抗壓、抗風蝕和抗雨淋能力。馮建平等[15]以納米纖維素為原料研制一種新型可降解納米纖維素抑塵劑，該抑塵劑具有良好的潤濕性，黏結煤塵后有抗風蝕性和抗蒸發性。徐國俊等[16]以聚乙烯醇為主料，與其他助劑合成了一種水溶性高分子化學抑塵劑，該抑塵劑具有一定的粘度且吸濕、保水性較好，能夠增加粉塵的濕度和粘度，起到固土防塵的效果。

隨著環保和經濟效益的需求，高分子抑塵劑的原料成本越來越低，制備工藝也不斷簡化，應用領域廣且具有安全性。

（3）功能型抑塵劑。功能型抑塵劑是一類針對特定環境下研制的具有一定的特殊抑塵效果的抑塵劑，例如用于煤炭開采和運輸過程中的抑塵劑不僅要有良好的抑塵效果，還需具有抗自燃性以及不影響煤炭本身性質等作用。

程愛華等[17]以水溶性高分子、丙三醇和鹵鹽為原料制成功能型抑塵劑，噴灑該抑塵劑后凝并的表層煤粒具有優異的抗風蝕性能，抑塵效率高且抗凍融能力較強。施春紅等[18]利用鹵化物和成膜助劑制備煤礦防火型抑塵劑，噴灑該抑塵劑后在煤粉表面形成液膜，阻斷煤炭與氧氣的接觸，在避免煤層自燃的同時能夠抑制采空區二次揚塵。Longzhe等[19]利用Triton X-100和果綠定KS-1等助劑研發出一種功能型抑塵劑，該抑塵劑能夠顯著減少吸濕型無機鹽凝聚劑對金屬的腐蝕，具有較好的經濟效益。

（4）微生物抑塵劑。微生物抑塵劑是自然界中一些微生物產生的碳酸鈣沉淀來制作的生物粘結劑，其可以固化松散的散砂和顆粒，從而改善土體的性質。

王和堂等[20]研發了枯草芽孢桿菌發酵合成的生物抑塵劑（BDS），具有優異的表面活性，在潤濕性能和經濟性方面表現出顯著的優勢，還具有良好的環境耐受性。蔣耀東等[21]以微生物誘導碳酸鹽沉淀技術為基礎，研制出巴氏芽孢桿菌微生物抑塵劑和脲酶抑塵劑，結果表明，脲酶抑塵劑的抗蒸發性和保水性能較強，而兩者的抗風蝕、抗凍和抑塵效率都較其他抑塵劑好。

微生物誘導碳酸鈣沉淀制備的抑塵劑綠色無毒，具有優異的粘結性能，能夠凝并細小的揚塵顆粒，形成的固化層具有一定的強度和抗壓能力，有效抑制二次揚塵，無需重復噴灑。

5.結論與展望

煤炭粉塵飛揚造成的經濟損失和環境污染仍是制約我國煤炭資源可持續發展的問題之一，而化學抑塵劑因其高效、便捷等優勢引起行業內的廣泛關注，但是目前大多數抑塵劑不能同時滿足價格低廉、高效和綠色環保的要求。因此，研究人員應將研究重點轉向環保高效和經濟實用的新型復合抑塵劑，深入研究抑塵劑的抑塵機理，在微觀的方面更好地理解煤炭抑塵，通過更精確的實驗方法定量比較抑塵劑的抑塵效果，使抑塵劑朝著高分子、多組分、多功能及環境友好的方向發展。