魏乾柱 高廣新 徐 洋

（1.國家能源集團國神公司三道溝煤礦；2.國家能源集團公司敏東一礦；3.國家衛生健康委職業安全衛生研究中心）

煤炭開采運輸作業會產生大量的粉塵，對自然環境及作業人員的身體健康都具有極大的影響［1-2］。目前，粉塵導致的塵肺病已成為我國最嚴重的職業病之一。在特殊條件下，環境中的粉塵達到一定濃度時，會發生自燃和爆炸；另外，粉塵堆積還會對礦井中的一些精密智能機械裝備造成損害，大大縮短設備的使用壽命和可靠性。因此，本文綜述了我國煤礦抑塵劑的研究現狀，以期促進煤礦抑塵劑的應用與研發。

1 煤塵濕潤

1.1 煤塵濕潤簡介

潤濕形式包括沾濕、浸濕和鋪展3種。沾濕指液體與固體接觸后最初的氣固界面被液固界面取代；浸濕是指將固體浸入液體中，固體表面的氣體被液體置換，形成新的固液界面；鋪展是指將液體滴在固體表面時，液體會在固體表面鋪展開來。潤濕形式見圖1。

煤塵的潤濕現象主要包括煤塵在空氣中被溶液潤濕和煤塵在一種液體中被另一種液體潤濕2 種。在實際礦井粉塵防治中，最常見的是煤塵在空氣中被溶液潤濕，例如噴霧降塵和煤層注水。

1.2 表面活性劑對煤塵濕潤的影響

表面活性劑的疏水基團和親水基團分別處于其分子兩端，將表面活性劑加入水中后，其親水基團向水，疏水基團朝向空氣，在溶液表面定向排列形成一個吸附層［3］。隨著表面活性劑濃度升高，溶液表面張力與界面張力不斷減小，在其達到一定濃度時，溶液的表面張力與界面張力變化趨勢均變緩且趨于某一固定值，這是由于此刻表面活性劑分子充滿溶液表面，即達到了吸附飽和狀態，并且表面活性劑分子的疏水基團相互吸引靠攏，逐漸聚集形成膠束，溶液達到臨界膠束濃度。表面活性劑潤濕煤塵過程見圖2。

由圖2 可見，煤塵進入溶液前，其中的表面活性劑分子在水分子對2種基團的不同作用力下，快速在溶液表面聚集；當煤塵進入溶液中后，表面活性劑分子的疏水基團紛紛吸附在煤塵表面；繼續向溶液中加入表面活性劑，溶液表面的活性劑分子越來越多，加入一定量之后，溶液表面充滿活性劑分子，稱為吸附飽和，此時表面張力趨于穩定；若繼續添加表面活性劑，其分子會變成特殊的膠束形態。

表面活性劑對煤塵的濕潤作用主要表現為以下兩方面。

（1）降低溶液的表面張力。表面活性劑分子可以改變水的表面張力，使其不斷降低，最終與煤塵的臨界表面張力相等，或比煤塵的臨界表面張力更低，促進煤塵潤濕。

（2）改變煤塵表面的性質。表面活性分子在煤塵表面形成定向排列吸附層，使得煤塵的低能表面轉化為高能表面，煤塵表面吸附的活性劑分子數量與界面張力的大小呈負相關，活性劑分子越多，煤塵越容易被潤濕。

2 抑塵劑簡介

2.1 傳統抑塵劑簡介

2.1.1 潤濕型抑塵劑

潤濕型抑塵劑是由吸濕性化學物質和表面活性劑復配的混合劑，以吸濕性化學物質為主要原料，表面活性劑為輔料［4-6］，通過其中的吸濕性化學物質持續吸收環境中的水分，使粉塵始終保持濕潤，防止二次揚塵。

近年來，潤濕型抑塵劑的研究以表面活性劑的優選和復配為主［7］。程淑艷等［8］利用SDBS、C9 脂肪醇聚氧乙烯醚復配潤濕型煤塵抑制劑，抑塵率可長時間保持在95%以上，抑塵效果能夠持續3～5個月。王康等［9］選擇2 種非離子表面活性劑進行復配，消除了抑塵劑受電荷干擾導致潤濕效果不佳的問題，能夠極快地與水混合破壞其表面張力，可同時用于噴霧除塵和煤層注水中。翁安琦等［10］通過煤層注水降塵試驗，對4 種表面活性劑進行優選，得出0.05%的H95 和0.05%的CDEA 復配對煤的潤濕性最好，可用于煤層注水，能夠有效抑制采煤作業和輸送過程中的煤塵。李樹芳等［11］提取出造紙廢料中的木質素，進行磺化處理，改性接枝聚丙烯酰胺支鏈，再加入SDBS，制備環保高效潤濕型礦用抑塵劑，其在實際應用中比傳統表面活性劑除塵效果更好。

潤濕型抑塵劑的缺點：①抑塵效果持續時間短；②易造成二次揚塵，需要及時進行二次噴灑，所以會消耗更多的抑塵劑和配套設備，經濟效益不佳；③價格高昂且不易降解等。

2.1.2 黏結型抑塵劑

黏結型抑塵劑通過覆蓋、黏結、聚合等作用來抑制揚塵［12］，其主要分為油類有機抑塵劑和鹽類無機抑塵劑。

（1）油類有機抑塵劑。油類有機抑塵劑由多種成分復合乳化得到，以乳狀液居多，通過物理和化學吸附，與粉塵顆粒黏結抑制粉塵污染。這類抑塵劑的局限性在于實際生產過程中很難被控制，滲透能力差。

李凱崇等［13］使用木質素磺酸鹽與丙烯酸、CaCl2、四硼酸鈉、甲基硅酸鈉等反應制成黏結性有機煤塵抑塵劑，得到的產物抗壓能力好，能夠抵御一定強度的風水侵蝕，制備過程簡單、產品無毒、無刺激性。杜翠鳳等［14］研發的綠色安全、無腐蝕性黏結型抑塵劑，可在物料表面形成連續且具有一定強度的硬殼，殼體經歷多次雨雪沖刷和凍融仍完整無裂隙，殼體生成第56 d仍可在風速為23 m/s時不破裂，有效減少露天煤場揚塵，保護現場環境。

（2）鹽類無機抑塵劑。鹽類無機抑塵劑以鹵化物、粉煤灰、高嶺土等為原料，可在煤塵表面形成一層具有一定強度的固化物覆蓋，將無支撐力、極易分散的粉塵顆粒保護起來，達到抑塵的目的［12］。鹽類無機抑塵劑的抑塵有效期更長，但其中大多數組成成分不能自然降解，且對機械設備有腐蝕性。

2.1.3 凝聚型抑塵劑

凝聚型抑塵劑的主要成分是吸水劑，通過持續吸收環境中的水分，使粉塵長時間保持潤濕；其抑塵原理是隨著細微粉塵顆粒相互碰撞或黏附，聚集成為較大的顆粒后快速沉降，進而降低環境粉塵濃度。凝聚型抑塵劑根據生產原材料分為吸濕型無機鹽凝聚劑和高倍吸水樹脂凝聚劑［15］。

（1）吸濕型無機鹽凝聚劑。常用的吸濕性無機鹽材料包括氧化鈣、一些金屬氯化物、硅酸鈉、硅膠以及活性氧化鋁等［15］，這類抑塵劑具備較強的吸水能力，但其水溶液具有腐蝕性，不適合大面積、長時間應用。

（2）高倍吸水樹脂凝聚劑。高倍吸水樹脂通常是指聚丙烯酸鈉系列高分子材料，具有化學性質穩定、生物毒性低、親水保水、抗壓性好、耐熱且可降解等優點；但是這類抑塵劑大多制備成本高且難度大，不利于產業化。

林健等［16］使用溶液聚合法合成淀粉-高嶺土/聚丙烯酸-丙烯酰胺，制備耐鹽高吸水樹脂，產品原料成本低、綠色可降解、制備工藝簡單且吸水量較高，有利于產品工業化生產。賀龍強等［17］使用水溶液聚合法，以淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺為主要原料制備綠色高吸水性樹脂，產品具有良好的耐蒸發性和抑塵能力。

2.2 復合型抑塵劑

復合型抑塵劑是同時具有多種抑塵功能的新型抑塵劑，具有環境適應性強的優點，其各種性能均優于單一的傳統化學抑塵劑［12］。復合抑塵劑的組成原料多，開發過程復雜，不僅要考慮各種影響因素，還要進行實際應用，測試其抑塵性能，考察其有效性。復合型抑塵劑的研發是我國抑塵劑領域未來發展的重點方向之一。

目前，新研發的復合型抑塵劑大致可分為環保型抑塵劑、高分子抑塵劑、功能型抑塵劑和生物抑塵劑［18］。

（1）環保型抑塵劑主要以生產、生活廢棄物為原料，具有低毒無毒，綠色低碳經濟，使用簡單等優點。

（2）高分子抑塵劑以聚丙烯酸酯、聚乙烯醇等高分子材料為主要原料，通過捕捉、吸附、團聚粉塵分子，達到抑塵目的。高分子型抑塵劑的黏結能力和滲透能力明顯優于傳統黏結型抑塵劑，結殼強度也更為突出。

（3）功能型抑塵劑是針對特定的環境研發的具有針對性功能的特殊抑塵劑，例如耐低溫、耐高溫等。

（4）微生物抑塵劑通過微生物新陳代謝產生脲酶促進尿素水解，生成碳酸鹽沉淀，同時微生物自身起到晶核的作用，促進碳酸鹽聚合膠結，沉淀吸附于煤塵表面，使煤塵粒度變大，減少揚塵［19］。微生物礦化產物通常具有良好的黏結性且安全環保、容易自然降解、環境相容性好，屬于新興的生態環保型抑塵劑材料。

肖鵬等［20］通過靜態降塵與動態降塵試驗相結合，對黃原膠、十二烷基苯磺酸鈉的復配煙煤抑塵劑組分單體配比進行優化，提高其降塵效率；聶文等［21］用PDA-PAM、十二烷基二甲基芐基氯化銨和NaCl復配得到了一種能夠高效霧化的新型增潤促凝噴霧降塵劑，該抑塵劑可使煤塵迅速潤濕并凝結成殼，現場應用時平均降塵率達82.7%。

胡世超等［22］以改性殼聚糖為基料，與表面活性劑、羧甲基纖維素鈉、乳酸、聚乙烯醇、海藻糖等復配得到一種具有黏結、潤濕、凝聚等多種效果的生態抑塵劑，該抑塵劑在控制二次揚塵中體現出了優異的抑塵效果，且應用廣泛。胡相明等［23］使用沒食子酸、海藻酸鈉、表面活性劑及抗凍藥液制備了一種抗低溫、耐高溫、可潤濕固結煤塵的綠色環保抑塵劑，適合工業化應用。秦榮榮等［24］以海藻酸鈉為原料，制備了一種新型煤層潤濕劑，可有效增強煤的親水性。Yan J 等［25］以多糖NaAlg 為原料，與糊精和谷氨酰胺接枝聚合，得到的聚合物具有較好的熱穩定性和較高的保水性，為礦山提供了一種新型的除塵劑。

馮建平等［26］以NCC 為原料，研發出了一種新型可降解納米纖維素抑塵劑，其具有良好的潤濕性、抗風蝕性和抗蒸發性，噴灑后可滲入煤塵中使煤塵黏結。Sun 等［27］選用淀粉為原料，與甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺和表面活性劑進行復配，得到了具有良好抗風性和硬度、環境友好的復合抑塵劑。Lu Z 等［28］以無患子皂苷為原料，與多種化學表面活性劑復配，得到了新型高效的皂苷類復合潤濕劑，其表現出了更好的潤濕能力，并為無患子果皮的利用提供了新途徑。周剛等［29］通過微波輔助-原位合成，使用廢棄杉木SW、AA、PAM、甘油及十二烷基葡萄糖苷等原料復配，復配產品具有良好的固塵、黏塵效果，且對環境友好，實現了廢物二次利用。王喆等［30］以稻殼秸稈為原料，改性制備CMC，之后將CMC 與三乙醇胺、OP-10 復配，在煤塵表面生成的保護殼抗風蝕率為98.46%，優于商用抑塵劑，經濟性較好，為稻殼秸稈的綜合利用和粉塵污染治理問題提供了系統的研究方法。王瑀輝等［31］使用植物膠等天然高分子添加劑與其他有機材料復配，得到了適用復雜礦山條件的復合型生態友好抑塵劑。

Shi G 等［32］以巴氏芽孢桿菌、氯化鈣和尿素為原料制備生物抑塵劑，得出在細菌溶液與CaCl2尿素溶液體積比為1∶1、CaCl2尿素溶液為0.6 mol/L 時，抑塵效果最好。

由此可見，隨著人們對環境問題的不斷重視，國內相關學者對抑塵劑組分選擇更傾向于高分子聚合物、天然可降解材料等。這些新型材料具備更高效的除塵效果，且綠色無污染，符合可持續的發展趨勢，同時抑塵劑配方及制備工藝更加復雜化，向復合型、專用型方向發展，除塵性能也持續優化。

3 抑塵劑研究展望

我國煤礦種類較多，煤的成分各有不同，不同的煤質疏水性有較大區別，所需的抑塵劑也不同，需要煤礦工作者繼續積極探索，研發更多高效、經濟、綠色的抑塵劑。為此，針對我國抑塵劑制備技術提出以下建議。

（1）優化表面活性劑的選擇和配比。表面活性劑的選擇能夠直接影響煤塵的潤濕效果，是抑塵劑制備過程中的重要一環，可以通過表面張力大小、接觸角大小、臨界膠束濃度、煤塵潤濕速度和生物相容性等方面的對比，分析表面活性劑的有效性，實現表面活性劑的優選，選出價格低廉、潤濕性能好、更易降解的表面活性劑，減少二次污染。

（2）側重資源二次利用的環境友好型抑塵劑的研究與開發。近年來，人們的綠色生態意識不斷增強，抑塵劑技術的研究也向著環保節能、工藝簡單、多功能的方向發展。開發環保型原材料，可從生物降解、實現廢舊物品資源化利用的角度出發，選擇潤濕能力強、黏結性能好的天然生物材料，配制環境友好型抑塵劑。

（3）構建科學系統的抑塵劑抑塵性能評估體系。對于新研發的化學抑塵劑需要有一個科學系統的抑塵性能評估體系，保證每種新型抑塵劑的性能評估具有統一性和公平性，提高抑塵劑研發管理的科學性，對提高新型抑塵劑的研發效率、產品品質及性能改進均具有重要意義。

（4）因地制宜，實現高效環保抑塵劑的產業化應用。不同地區的煤礦有其獨特的地理構造和氣候條件，所需抑塵劑達到的抑塵效果也不盡相同，研究者需因地制宜，根據煤礦實際需要，有目的地開發抑塵劑。但煤礦實際生產中情況復雜，存在各種不確定因素，研發出的抑塵劑不一定能達到預期的效果，需要研究者不斷探索，以實現高效環保抑塵劑的產業化。

4 結 論

（1）近年來，國內抑塵劑多選擇高分子聚合物、天然可降解材料等新型材料作為原料，其可達到更高效的除塵效果，且大多可自然降解，不會對環境造成二次污染。同時，抑塵劑制備工藝也更加復雜化，逐漸向復合型、專用型方向發展。

（2）未來國內抑塵劑的研發應進一步優化表面活性劑的選擇與配比，側重廢物資源化，著重為工農業廢棄物探索出更多新的利用途徑，并完善抑塵劑抑塵性能評估體系，持續推動高效環保抑塵劑的產業化應用。