新型煤塵抑塵劑的研制與性能測試

1、新型煤塵抑塵劑的研制與性能測試楊靜 王琨 房孝敏（山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510）摘要：以聚乙烯醇(PVA)、脂肪醇聚氧乙烯醚（JFC）和少量成膜助劑為原料，利用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)方法研究了一種新型煤塵抑塵劑的配方，并對(duì)其性能進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該抑塵劑粘度為19.10mpa/s，表面張力為37.6mN/m，噴灑后在較短時(shí)間內(nèi)可在煤炭表面形成一層柔韌、致密的連續(xù)高分子微膜，50天后抑塵率仍可達(dá)到95.3%，與灑水抑塵相比，其抑塵效果和抑塵時(shí)間都得到大幅提高。該抑塵劑同時(shí)具有較好的抗風(fēng)、抗雨淋性能，特別適宜在煤炭儲(chǔ)運(yùn)過程中使用。關(guān)鍵詞：煤塵；抑塵劑；制備；性能

2、中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:The preparation and performance test of a new coal dust depressorYANG Jing ,WANG Kun ,FANG Xiaomin(College of Chemical and Environmental Engineering，SUST，Qingdao，Shandong 266510， China)Abstract: In this paper, a formula of a new type of coal dust depressor is studied by making with Poly

3、vinyl alcohol (PVA)、 fatty alcohol polyoxyethylene ether(JFC) and a small amount of film additives as raw materials. We apply the single factor test and the orthogonal test to studying the formula, and at the same time, its performance is tested. It turns out that this coal dust depressor viscosity

4、is 19.10 mpa/s, surface tension is 37.6mN/m, and it can form a layer of flexibility, compact and continuous polymer membrane by spraying it on coal surface in shorter time. 50 days later, dust suppression rate still can achieve 95.3%. Compared with sprinkling water, this coal dust depressor has long

5、-term efficiency. It also has good performance to resist wind and rain; especially it is suitable for using in coal transportation processes. Ketwords: coal dust; depressor; preparation; performance引言煤炭在港口煤碼頭、電廠、儲(chǔ)煤場等的儲(chǔ)存和鐵路、公路及輪船運(yùn)輸?shù)倪^程中，常常會(huì)產(chǎn)生大量的揚(yáng)塵，不但直接威脅生產(chǎn)的安全，還會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生極大的污染1。因此煤炭抑塵技術(shù)的研究一直是人們研究的熱點(diǎn)2-6。

6、抑制煤炭揚(yáng)塵最常用的是灑水的方法。灑水抑塵的主要作用在于潤濕顆粒細(xì)小的干燥煤塵，使其相對(duì)密度增大，并粘結(jié)成較大的顆粒，使之在外力作用下不能飛揚(yáng)。這種方法雖然簡便易行，但由于煤塵與水分之間的結(jié)合力很弱，水分很容易蒸發(fā)，滿足不了長期有效抑塵需求，必須定期灑水才能有效抑塵，水資源耗費(fèi)量很大。因此開發(fā)新型廉價(jià)優(yōu)質(zhì)長效的煤炭抑塵劑是非常必要的。早在20世紀(jì)初，英國等國家就已經(jīng)將一些潤濕劑應(yīng)用于井下煤礦開采的抑塵中。近二十年來，抑塵劑的研究在國外發(fā)展迅速，幾乎每年都有新的專利發(fā)表，其中比較著名的有：美國Cohex粘塵劑41，南非的ANTI型疏水防塵劑，日本粉塵抑制劑，前蘇聯(lián)的己內(nèi)胺型粘塵劑，前蘇聯(lián)CIT學(xué)

7、院的地表防塵劑，波蘭的抑塵煤塵危險(xiǎn)藥劑。我國在抑塵劑方面的研究和應(yīng)用起步比較晚，但發(fā)展迅速。在20世紀(jì)70年代末，我國一些科研院校的研究人員就已經(jīng)開始了相關(guān)的研究，到20世紀(jì)末，不少成果已經(jīng)申請(qǐng)專利，涉及的領(lǐng)域也不斷深入和拓寬。其中比較有代表性的有：孫三祥等人針對(duì)大秦線上運(yùn)煤列車的粉塵飛揚(yáng)研制的一種粘結(jié)型抑塵劑32，金龍哲等人研制的一種以氯化鈣、氯化鎂等為基料研制的潤濕型抑塵劑33，李偉等針對(duì)鐵路煤炭運(yùn)輸研制的以木質(zhì)磺酸鹽味用料，通過聚合物單體進(jìn)行接枝改性得到的一種抑塵劑34。本文系統(tǒng)介紹了一種新型煤塵抑塵劑的制備方法，該抑塵劑具有較好的滲透性和粘附煤體的特性，通過噴淋的方式施加于煤炭表面，能

8、夠擴(kuò)散、滲透到煤炭表面及縫隙中，并在表面形成一層柔韌、致密的連續(xù)高分子微膜，與灑水抑塵相比，不但抑塵效果大大改善，而且抑塵的有效時(shí)間大幅提高。該抑塵劑同時(shí)具有較好的抗風(fēng)、抗雨淋性能，特別適宜在煤炭儲(chǔ)運(yùn)過程中使用。1.實(shí)驗(yàn)部分基金項(xiàng)目：山東省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（J08LC12）1.1煤塵樣品的制備實(shí)驗(yàn)用煤樣取自山東南屯煤礦,研磨后過40目標(biāo)準(zhǔn)篩子作為實(shí)驗(yàn)樣品。樣品按照國家標(biāo)準(zhǔn)( GB /T212 - 2001、GB /T476 - 2001、GB /T213 -2003、ISO /TS 12902: 2001)進(jìn)行化驗(yàn),見表1。表1：試驗(yàn)煤塵的工業(yè)分析和元素分析檢測結(jié)果Table 1 The i

9、ndustrial analysis result of coal sample樣品名稱Mad %Ad %Vdaf %Wd(FC) % Cdaf%Hdaf%Sdaf%Ndaf%Odaf%南屯煤樣3.126.8439.6056.2781.485.1080.851.5411.021.2主要試劑與儀器主要試劑:脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，非離子表面活性劑,化學(xué)純；聚乙烯醇（PVA）,天津紅巖化學(xué)試劑廠，化學(xué)純；助劑A，天津紅巖化學(xué)試劑廠，化學(xué)純。主要儀器：NDJ-7旋轉(zhuǎn)粘度計(jì);Krüss-k12程序界面張力儀等。1.3抑塵劑的制備準(zhǔn)確稱取一定量的PVA，加入10ml蒸餾水溶脹10分鐘，在恒

10、溫水浴85-90下不斷攪拌，使其完全溶解；控溫80，在繼續(xù)攪拌下依次加入一定量的體積分?jǐn)?shù)0.2%的JFC和助劑A，繼續(xù)加熱10分鐘，既得本實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品。1.4實(shí)驗(yàn)方法粘度的測定取5ml制備好的試劑，在25下用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測定。成膜時(shí)間的測定按照GBT 13477.5-2002進(jìn)行測試，并記錄成膜時(shí)間。表面張力的測定采用瑞士Krüss公司生產(chǎn)的Krüss-k12程序界面張力儀，用吊片法恒溫25測試各種溶液的表面張力。抑塵率的測定 先稱出玻璃板的重量m1，取4ml溶液均勻涂抹到玻璃板上，測定重量m2，待溶液完全成膜后，測定重量m3，按下式求出水分的含量M：稱取Ng的

11、煤粉放入玻璃皿中，均勻噴灑一定量的抑塵劑，測定重量n1，待完全成膜后，每隔一段時(shí)間測出重量n2，按下式求出抑塵效率：2.結(jié)果與分析2.1單因素分析分別控制PVA、JFC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%)及助劑的加入量，采用單因素分析法，研究PVA的加入量對(duì)粘度的影響，JFC的加入量對(duì)表面張力的影響以及助劑A加入量對(duì)成膜時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下: 圖1 PVA加入量對(duì)粘度的影響 圖2 0.2%JFC加入量對(duì)表面張力的影響Fig1 The influence of PVA on the viscosity Fig2 The influence of 0.2%JFC on the surface tension圖

12、3 成膜助劑A加入量對(duì)成膜時(shí)間的影響Fig3 The influence of film additives A on the film timePVA的加入量是影響抑塵劑粘度的主要因素，同時(shí)對(duì)成膜后膜強(qiáng)度有著重要的影響，從圖1可以看出，隨著PVA用量的加大，粘度呈線性增加，在加入量達(dá)到3g時(shí)，粘度達(dá)到10mpa/s，基本符合實(shí)際需要，即PVA用量的加大有利于粘度和膜強(qiáng)度的提高。但從實(shí)際情況分析，粘度過大不利于噴灑，在不影響膜強(qiáng)度的情況下，選擇3-4g是較為合適的用量。由于煤的表面屬于低能表面，臨界表面張力c約為45mN/m。抑塵劑的表面張力需小于c，才能較好地潤濕煤塵。從圖2可以看出，隨著J

13、FC用量的增加，表面張力呈線性減小，10mlJFC加入量即可滿足實(shí)際需要，同時(shí)可以看出加入10ml與25ml0.2%JFC，溶液的表面張力并未有太大差距，考慮到成本問題，選擇0.2%JFC加入量在10-20ml之間較為合適。實(shí)際生產(chǎn)中常常需要抑塵劑能夠快速固化，在較短時(shí)間內(nèi)成膜。而影響成膜時(shí)間的主要因素是水分的蒸發(fā)速率，助劑A具有蒸發(fā)速率快、價(jià)格低、無污染、無毒副等特點(diǎn)。從圖3可以看出，隨著助劑A用量的增加，成膜時(shí)間呈線性減小，即助劑加入量的增加有利于縮短成膜時(shí)間，但成膜過快不利于形成連續(xù)性較好的膜，故選擇10-20ml較為合適。2.2正交試驗(yàn)結(jié)果及分析根據(jù)上文單因素分析的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選擇一定

14、量的PVA、JFC和助劑A進(jìn)行正交試驗(yàn)，篩選出最佳配方，試驗(yàn)方案及結(jié)果如下：表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The result of Orthogonal testPVA(g)助劑A(ml)0.2%JFC(ml)粘度（mN/m）成膜時(shí)間(min)表面張力(mPa/s)1310101311538.723151513.99135.4533202012.57831.8743.5102016.310330.7453.5151015.98134.6663.5201514.912236.8774101516.29534.9984152021.27331.0194201023.212335.62K113

15、.13315.16717.400K215.70017.00015.000K320.23316.90016.667極差7.1001.8332.400K194.667104.333106.333K2102.00081.667102.667K397.000107.66784.667極差7.33326.00021.666K13.87334.71036.627K234.09033.70735.770K3335.34034.78731.207極差1.4671.0805.120正交試驗(yàn)的粘度分析從表2對(duì)粘度的極差分析可以看出，對(duì)粘度的影響從大到小依次是PVA>JFC>助劑A，最佳試驗(yàn)方案是A3B

16、2C1,即PVA4g， 0.2%JFC10ml，助劑A15ml。PVA的加入可以使溶液的粘度有較大的提高，同時(shí)使成膜后膜的強(qiáng)度有不同程度的提高，而膜的強(qiáng)度直接影響到抑塵劑的抗風(fēng)、抗雨淋等的強(qiáng)度，故在不影響實(shí)際噴灑的前提下，可以選擇較大的PVA加入量。2.2.2正交試驗(yàn)表面張力分析從表2對(duì)表面張力的分析可以看出，對(duì)表面張力的影響從大到小依次是JFC>PVA>助劑，最佳試驗(yàn)方案是A3B3C1，即聚乙烯醇4g， 0.2%JFC10ml，助劑20ml。JFC的加入可以將抑塵劑的表面張力降低到40mN/m以下，同時(shí)JFC是很好的滲透劑，可以使抑塵劑滲透到煤層以下，使膜有較好的附著力7。正交試

17、驗(yàn)成膜時(shí)間分析從上表對(duì)成膜時(shí)間的分析可以看出，對(duì)成膜時(shí)間的影響從大到小依次是助劑A>JFC>PVA，最佳試驗(yàn)方案是A2B3C1，即PVA3.5g， 0.2%JFC10ml，助劑A20ml。抑塵劑成膜時(shí)間是評(píng)價(jià)抑塵劑性能的指標(biāo)之一，在實(shí)際應(yīng)用中快速固化可以更大程度上減少煤塵的飛揚(yáng)，對(duì)于煤場堆放及火車運(yùn)輸而言，2個(gè)小時(shí)的成膜時(shí)間已經(jīng)可以滿足需要。助劑加入量的增大可以很好的提高水分的蒸發(fā)速率，從而加快成膜時(shí)間，根據(jù)實(shí)際情況的不同，也可以進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。2.3抑塵率結(jié)果及分析將正交試驗(yàn)制備的抑塵劑噴灑到煤樣上，放置于室外環(huán)境中，每隔一段時(shí)間測定抑塵率，并觀察膜的情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下： 表3

18、抑塵率測定數(shù)據(jù)Table 3 The data of dust suppression rate只噴灑水分正交試驗(yàn)組123456789煤粉重量(g)26.5927.0726.58530.84829.45631.25628.26230.13331.37640.067玻璃皿重量（g）42.36349.56340.19235.48535.59830.46136.52337.26038.46947.084加入抑塵劑(g)013.03712.36911.5311.17113.17210.43312.36512.2212.541第1天64.20184.0479.14677.86376.22674.8897

19、5.21879.75882.06599.692第5天60.23277.31467.63967.11065.80462.64265.58268.21471.13388.403第15天52.25177.39967.60467.17665.82762.65865.57968.26870.86888.338第30天47.26576.50866.69866.08764.92661.77361.67867.39169.96987.464第50天43.78575.16165.34264.88363.58360.35763.29865.99268.56285.960抑塵率（%）5.3491.9291.7492

20、.0293.0793.2691.2292.8792.0193.23從上表可以看出，置于室外自然環(huán)境中，模擬煤場現(xiàn)場堆放的情況下，空白樣品只噴灑一定量的水分，從第五天開始抑塵率下降較快，第50天抑塵率僅為5.34%，煤樣損失嚴(yán)重；噴灑抑塵劑的樣品能在較短時(shí)間內(nèi)成膜，且在15天內(nèi)保持很高的抑塵率。經(jīng)過50天的測試之后，仍能保持90%以上的抑塵率，基本滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。同時(shí)，50天內(nèi)有4次陰雨天氣，經(jīng)過雨水的沖刷和浸泡，50天后仍能保持較好的膜的連續(xù)性，僅部分樣品出現(xiàn)膜破裂現(xiàn)象。2.4最佳方案的選擇 從上述分析可以得出抑塵劑的最佳方案是A3B3C1，即PVA4g， 0.2%JFC10ml，助劑A2

21、0ml，按此工藝制備出的抑塵劑生產(chǎn)工藝簡單，可操作性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)證，成膜時(shí)間83分鐘，成膜后膜連續(xù)性較好，粘度19.10mpa/s，抑塵劑表面張力37.6mN/m,有較好的滲透性，50天后抑塵率95.3%。3.結(jié)語 通過對(duì)新型煤塵抑塵劑的粘度、成膜時(shí)間、表面張力、抑塵率及耐水性能的測試，篩選出了適宜生產(chǎn)和應(yīng)用的最佳配方，該配方具有生產(chǎn)工藝簡單，原料來源廣泛且價(jià)格低廉，成膜時(shí)間短，強(qiáng)度大，成膜后膜的連續(xù)性好，有一定的耐水、抗風(fēng)性能，適宜在煤場堆放及火車輪船運(yùn)輸中應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1趙星光, 譚卓英. 露天礦山運(yùn)輸路面抑塵劑的研究與綜述J. 黃金, 2005, (9) : 48-50.Zhao Xing

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