防冻型路面抑尘剂配方研制及性能表征

杜翠凤，王远，任俊妍

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

防冻型路面抑尘剂配方研制及性能表征

杜翠凤，王远，任俊妍

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

针对露天采场路面负温环境下的扬尘特点及机理，研制出一种防冻型路面抑尘剂。基于单体实验，确定了吸湿剂、凝并剂、表面活性剂等单体及其浓度范围。通过正交实验，以失水率作为评价指标，得到最优抑尘剂配方，并对最优配方的吸湿性、抗风蚀性、毒性及冰点等性能进行测定。结果表明，防冻型路面抑尘剂具有良好的吸湿放湿性、黏结性，能够抵御30 m/s的风力侵蚀，在－33.4℃时依然不结冰，且经济成本低廉，为露天矿冬季路面扬尘治理提供了一种良好的技术保障。

防冻型抑尘剂;路面扬尘;露天矿

通常情况下，露天矿山采用洒水车在路面洒水来控制运输路面扬尘，洒水抑尘虽操作简单，但其有效抑尘时间较短［1］。在炎热的夏季，水分蒸发较快，必须频繁洒水，因此抑尘成本会增加［2］。在寒冷季节，我国大部分地区最低气温达到0℃以下，有些严寒地区甚至低于－30℃，洒水抑尘会使露天矿运输路面结冰，不利于行车安全［3］。

1989年，前苏联研究人员曾针对克里沃格矿区的特殊负温环境，研制出 Ниогрин-3及 Северин-2路面防冻抑尘剂［4］，凝结温度较低，并且湿润速度较快。到2000年，煤炭科学研究总院抚顺分院张平采用研制出水乳焦化重油溶液来抑制露天矿路面扬尘［5］，其燃点为160℃ ～190℃，凝固点可达－35℃，有很强的黏附力。但这些抑尘剂均取自焦化、催化、裂化的柴油或煤油的馏分，工艺复杂，成本较高［6］。2004年，北京科技大学金龙哲等人研制的防冻型抑尘剂，在路面上能够持续保湿，有效抑尘时间为5 d，且能够达到－29℃不结冰［7］。

本文通过实验室单体实验及正交实验，研制出一种能够有效预防冬季露天矿采场路面扬尘的抑尘剂，这种防冻型路面抑尘剂具有一定的抗蒸发性，能够凝并粉尘颗粒，而且经济成本较低廉，有较好的抑尘效果。

1 抑尘剂性能要求及配方组成

为了达到抑尘目的，所研制的抑尘剂应该具备以下几种主要性能:

1)抑尘剂溶液具有较好的保水性、吸湿放湿性［8］。抑尘剂溶液的保水性可以用抗蒸发性来表征，在温度较高的情况下，能够保证水分蒸发较少。同时喷洒抑尘剂溶液的粉尘能够随着周围环境相对湿度的变化而变化，保持一定湿度，防止扬尘产生。

2)抑尘剂溶液需要具有良好的湿润性能和渗透性能。溶液的湿润性与液体表面张力有关，一般来讲，表面张力越低，溶液湿润粉尘效果越好。因此，为实现抑尘剂溶液对颗粒的有效湿润，要求抑尘剂溶液表面张力应尽量低。同时，将抑尘剂溶液喷洒在路面后，需要较快地渗透到路面以下。

3)抑尘剂溶液需要有一定的黏性，固结性能好［9］。露天矿采场路面喷洒抑尘剂溶液，充分润湿粉尘后，因蒸发作用水分减少，抑尘剂溶液的黏性增大，表面层粉尘颗粒在抑尘剂溶液的黏结下凝并成较大的颗粒，增大粉尘的粒径，且在路面表层固结一层具有一定硬度及抗压强度的固结层，能较好地抵御风吹，达到抑尘的效果。

4)抑尘剂溶液需要安全无毒，对环境无污染。若发生降雨，可能会形成地表径流水或渗透水，抑尘剂溶液会随着降水最终进入环境，如果其成分对环境有害，则会危害动植物，所以抑尘剂溶液的各个组分应安全无害。

5)抑尘剂溶液需要实施工艺简单，经济成本低廉。因为露天矿路面面积往往很大，如果实施工艺太复杂，会加大劳动强度和经济成本，制约该技术的广泛应用。

根据以上抑尘剂的性能要求确定了抑尘剂的配方组分，即吸湿剂、凝并剂、表面活性剂。

2 单体实验

通过查阅相关资料，选取四种吸湿剂(X1、X2、X3、X4)、四种凝并剂(N1、N2、N3、N4)、四种表面活性剂(H1、H2、H3、H4)进行单体实验。

2.1 吸湿剂单体实验

吸湿剂单体实验主要以失水率随温度的变化规律来评价抑尘剂的保水性。失水率的计算公式见式(1)。

式中:η-尘样失水率，%;m0-初始培养皿的质量，g;mi-间隔i小时培养皿的质量，g;m-10 mL溶液的质量，g。

取等量尘样放入Φ75 mm培养皿中，将10 mL质量浓度分别为15%、20%和25%的X1、X2、X3、X4溶液分别喷洒到尘样表面，用清水对照，得到表1中1#～13#样品(制样方法下同)，放在恒温75℃的高温鼓风干燥箱中，每间隔1 h称量一次培养皿的质量，连续称量7 h，计算失水率变化情况，如图1所示。

表1 不同浓度的四种吸湿剂所制备尘样编号对照表Table 1 The different concentration of four hygroscopic agents

图1 吸湿剂单体失水率变化情况Fig.1 The water loss rate of hygroscopic agents as a function of time

从图1可以看出，烘干4 h，13#样品的清水对照样失水率达100%，完全失水，而抗蒸发性最好的喷洒浓度为25%的X2溶液在烘干7 h后失水率仅为62%。与常温下的抗蒸发实验可观察到的现象一致，相同浓度的溶液的抗蒸发性由大到小依次为X2、X3、X1、X4。

对比以上实验可知，X1、X2均有较好的抗蒸发性，因此对X1、X2混合溶液进行进一步研究。X1和X2按照表2进行配置溶液并制备样品。同样方法计算失水率变化情况，如图2所示。

由图2可知，抗蒸发性较好的组分为25%X2(13#曲线)、15%X1+10%X2(3#曲线)烘干7 h后失水率约为70%。即当X1X2溶液按照15%X1+10%X2进行复配后，抗蒸发性与25%的X2基本相同，但复配后经济成本大大降低，所以选取15%X1+10%X2进行下一步实验。

2.2 凝并剂单体实验

凝并剂单体实验主要以溶液的黏度值和其黏结性来表征。

分别配制浓度为0.5‰、1.0‰和1.5‰的N1、N2、N3、N4溶液，用NDJ-5S数字式黏度计测定上述溶液的黏度值，结果如表3所示。

表2 X1和X2复配浓度表Table 2 The concentration after compound of X1and X2/%

图2 X1和X2复配失水率变化情况Fig.2 The water loss rate after compound of X1and X2as a function of time

表3 凝并剂黏度值Table 3 The viscosity ofcoagulation agents

由表3可知，N1溶液无论在低浓度还是在高浓度时均有较大黏度。当溶液浓度均为1.0‰时，N1溶液黏度最大，为22 MPa·s。N2、N3溶液在浓度为1.5‰时黏度较大，但在低浓度时，黏度很小。N4溶液黏度几乎不随溶液浓度变化而变化，且黏度较小，略大于水。

取等量尘样放入培养皿中，取一定量的浓度为1.0‰的N1、N2、N3、N4溶液分别喷洒在尘样上，待完全渗透后，将尘样置于110℃干燥箱中烘干2 h。将烘干后的尘样置于JJ-5水泥胶砂搅拌机中搅拌3 min。将搅拌好的尘样先后用40目(0.425 mm)和80目(0.18 mm)的标准筛进行筛分，得到尘样的粒径分布，如表4所示，从而评价凝并剂的黏结性。

表4 尘样的粒径分布Table 4 The distribution ratio of the dust diameters

由表4可以看出，喷洒了N1溶液的尘样，粒径大于0.425 mm的粉尘占36%，即该尘样经搅拌后仍有较多尘粒黏结在一起，黏结效果好。喷洒了N3、N4溶液的尘样，黏结效果基本一致，粒径大于0.425 mm的粉尘为28%。喷洒了N2溶液的尘样，黏结效果略差，粒径大于0.425 mm的粉尘仅为23%。可见N1溶液的黏结性较好。综上所述，选取N1作为凝并剂单体进行下一步实验。

2.3 表面活性剂单体实验

溶液的渗透性与表面张力有关，而表面活性剂会改变溶液的表面张力。表面张力值越小，对尘样的渗透性越好，润湿性也越好［10］。表面活性剂单体实验主要以表面张力值和反渗透性来表征。

分别配制浓度为0.5‰和1.0‰的H1、H2、H3、H4溶液，使用BZY型表面张力仪分别测定上述溶液的表面张力值。为保证测定结果的准确性，每种溶液测定三次，计算其平均值，结果如表5所示。

表5 表面活性剂的表面张力值Table 5 The surface tension of the surfactants

由表5可知，H1、H2和H3溶液的表面张力均较小且表面张力随浓度变化不大，表面张力约为30～35 mN/m。H4溶液的表面张力较大，不予考虑。

在最优吸湿剂所配溶液基础上，分别加入1.0‰的表面活性剂H1、H2、H3，采用毛细管反向渗透湿润实验装置［11］，受毛细管作用的液体在毛细管作用的情况下反向上升，用秒表开始记录下反向渗透的液面到1、2、3、4、5、5.8 cm处所需的时间间隔，结果如表6所示。

表6 反渗透实验结果Table 6 The data of reverse-osmosis experiments

由表6可知，H1、H2、H3溶液均具有反渗透性，且反渗透速率相当，均可以有效改善水的表面张力，提高其渗透性。H1溶液的反渗透速度略快。

综合经济因素，最终选定H1作为表面活性剂单体进行下一步的实验。

2.4 单体冰点测试

为了能够在较低温度下使用抑尘剂，所选药剂的凝固点(即冰点)必须较低。冰点测试采用的是差示扫描量热仪(DSC)测定，符合 ASTM国标法［12］，测定凝固过程的热效应，通过热流曲线显示试样的凝固过程［13］。试样的冰点是凝固峰上升侧的拐点处做切线与基线的交点所对应的温度。图3和图4分别是25%X1和25%X2的DSC热流曲线图。

图3 药品X1的DSC热流曲线Fig.3 The curve of DSC heat flow of X1

由图3和图4可知，X1的冰点为－23.4℃，X2的冰点为－38.9℃，可见二者都能够在温度较低的情况下不凝固，符合防冻抑尘剂的要求。

图4 药品X2的DSC热流曲线Fig.4 The curve of DSC heat flow of X2

3 正交实验

选用单体实验中的两种吸湿剂、凝并剂、表面活性剂进行4因素4水平正交实验，四因素记作A、B、C、D。取等量尘样放入Φ75 mm培养皿中，按照表7配制16种溶液，取一定量分别喷洒在尘样上，得到1#～16#样品，放在恒温75℃的高温鼓风干燥箱中，取第7 h失水率的值进行极差分析，结果如表7所示。

表7 正交实验结果Table 7 The data of the orthogonal experiments

最终确定A、B、C、D四个因素的优水平组合为A4B3C3D2，正交实验的最优配方即为16%A+11% B+1.0‰C+0.8‰D。

4 性能测定

4.1 吸湿放湿性

抑尘剂在自然条件下的吸湿放湿性用尘样的含湿量随时间的变化规律来评价。取最优配方溶液均匀喷洒到一定量的尘样上，在105℃的恒温干燥箱烘干至尘样质量不再发生变化为止，将烘干后的尘样放在自然环境下，连续测定10 d内质量变化，同时记录环境的温度和湿度。根据尘样质量的变化计算尘样的含湿量，计算公式如式(2)所示。

式中:φ-尘样含湿量，%;w0-初始培养皿的质量，g;wi-间隔i小时培养皿的质量，g;w1-培养皿质量，g。

尘样含湿量以及温度和湿度随时间变化情况如图5所示。

图5 尘样含湿量随时间变化情况Fig.5 The moisture rate of dust as a function of time

由图5可以看出，刚刚放在自然条件下时，尘样中不含任何水分，随着时间的推移，尘样的含湿量随着空气中相对湿度发生变化而变化，在150 h时，尘样含湿量最大达到8.8%，可见，尘样置于空气中能够吸收空气中的水分。在200 h时，含湿量仍然能够保持在5%左右，200 h之后没有明显的递减趋势，仍然能够随着环境相对湿度的变化而吸收空气中的水分。相关文献表明［14］，若粉尘含湿量保持在4%时，路面扬尘浓度不超过卫生标准的允许浓度2 mg/m3，故本实验研制出的抑尘剂能起到一定的抑尘效果，且能够随环境湿度的变化而自发调节含湿量。

4.2 抗风蚀性

根据《铁路煤炭运输抑尘技术条件第1部分抑尘剂》(TBT-3210.1-2009)中关于测试抑尘剂抑尘效果的说明进行抗风蚀性实验。使用DF-4型离心式鼓风机模拟风吹，用衡欣AZ9671数字风速仪测定风速，在尘样表面风速为30 m/s的条件下进行5 min的吹蚀，喷洒抑尘剂溶液和清水的尘样分别为1#和2#。按式(3)计算尘样风蚀率。

式中:E-尘样风蚀率，%;w1-吹蚀前的尘样质量，g;w2-吹蚀后的尘样质量，g。

得到两个尘样的风蚀率E1、E2，结果如表8所示。

表8 尘样风蚀结果Table 8 The data of wind erosion for dust samples

由表8可知，在风速为30 m/s时喷洒抑尘剂的尘样风蚀率远小于喷洒清水的尘样，且风蚀率小于1%，符合要求。可见，本抑尘剂能够抵御相当大的风力侵蚀，使路面粉尘不被扬起，具有很好的抑尘效果。

4.3 毒性及物理性能

对抑尘剂配方的黏度、表面张力、pH以及密度进行测试，结果如表9所示。

表9 抑尘剂配方的物理参数Table 9 The physical parameters of the dust-depressor

根据《铁路煤炭运输抑尘技术条件第1部分抑尘剂》(TBT-3210.1-2009)中关于抑尘剂技术指标的说明，由表9可知，本抑尘剂配方黏度、表面张力、pH以及密度均符合该技术指标的要求。另外，实验检测结果表明，该配方中不含有汞、镉、铅、铬、砷以及甲醛等有毒物质，无任何毒害作用。

4.4 冰点测定

对优化后的抑尘剂配方进行DSC测定，DSC热流曲线如图6所示。

图6 最优抑尘剂配方DSC热流曲线Fig.6 The DSC heat flow curve of the dust-depressor withthe optimal formula

由图6可以看出，该抑尘剂的冰点为－33.4℃，低于北方露天矿冬季平均温度，说明该抑尘剂能够在较低温度下不结冰，具有较好的防冻性能。

5 经济成本分析

通过以上实验，确定的最优实验配方为A4B3C3D2。根据市场调查，吸湿剂A按200元/t计算，B按900元/t计算;凝并剂C按7 500元/t计算;表面活性剂D按2 250元/t计算;水的价格按5元/t计算，每吨药剂的成本价格为143.94元。喷洒量按2 L/m2计算，每平方米的抑尘剂成本为0.3元。可见，抑尘剂的成本较低廉，这将为抑尘剂的推广及使用创造有利的条件。

6 结论

1)通过单体实验选择出吸湿剂、凝并剂和表面活性剂等各单体的材料及其浓度适用范围。通过正交实验，以7 h尘样失水率为评价指标，进行极差分析，得出最佳抑尘剂配方为16%A+11%B+1.0‰C+0.8‰D。

2)在实验室条件下，对该配方进行吸湿性和抗风蚀性能测试，结果表明该配方能够随环境相对湿度变化进行吸湿放湿作用，并且能够抵御30 m/s的风力侵蚀，具有很好的防风抑尘性能。

3)研制出的防冻型路面抑尘剂，其冰点达到－33.4℃，能够抵御较低的负温环境，有利于露天矿运输路面行车安全，且经济成本低廉，无毒害作用，具有良好的应用前景。

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Development and characteristics of the formula of one anti-freezing road dust-depressor

DU Cuifeng，WANG Yuan，REN Junyan
(School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

According to the characteristics and the mechanisms of the open pit road dust at negative temperatures，this letter developed one anti-freezing road dust-depressor.The monomers and their concentration range are initially determined by monomer selection experiments of the hygroscopic agent，coagulation agent and surfactant，respectively.Based on the orthogonal experiment，the formula of the dust-depressor is optimized by taking the water loss rate as the evaluation index.And the hydroscopicity，wind resistance，toxicity，freezing point and other properties of the optimal formula are tested in a lab environment.The experiments show that the anti-freezing road dust-depressor has better characteristics of moisture absorbing and releasing，and cohesiveness behavior，which can resist wind velocity up to 30 m/s and not freeze even at the temperature of－33.4℃.Therefore，the dust-depressor provides a good measurement for the treatment of open pit road dust.

anti-freezing dust-depressor;the road dust;open pit mine

TD714+.4

Α

1671-4172(2015)01-0001-06

国家自然科学基金(51274023)

杜翠凤(1966－)，女，教授，博士，采矿工程专业，主要从事工业尘毒控制、矿井通风、矿山灾害防治及安全生产管理信息系统等方面的科研工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.001