三元共聚生物質基礦山爆破抑塵劑的制備及性能研究

李俊峰 , 石建軍

(安徽理工大學 化學工程學院 , 安徽 淮南 232000)

近年來,高分子生物質基型抑塵劑因其環保性、可降解性得到人們的青睞[1-4]。通過礦區土壤考察多糖生物聚合物作為抑塵劑潛力,結果表明生物聚合物可作為環境友好土壤改良劑,控制粉塵排放。

邊素素等[5]以納米纖維素為主體結構,丙烯酸為單體,制備一種保濕、凝并抗風蝕性能兼并的接枝共聚型高分子抑塵劑材料,在9 m/s風速下,抑塵效率可達98%。豆浩[6]以聚丙烯酰胺為單體,采用接枝共聚改性對大豆分離蛋白進行改性,制備兼具黏結、潤濕性復合型固結抑塵劑,通過硬度測試,固化層硬度可達82.3HA。

為滿足露天礦山爆破作業及采礦作業對抑塵劑黏結性、凝并性、保濕性的要求,選擇纖維素、淀粉這些來源廣的生物質為原料制備抑塵劑。以丙烯酰胺為單體對羧甲基纖維素、羧甲基淀粉進行接枝改性,增強纖維素和淀粉黏結、凝并特性。通過正交試驗獲得抑塵劑最優配比,復配表面活性劑木質素磺酸鈉和保濕劑三乙醇胺制備兼具保濕性、黏結性、凝并性和潤濕性的復合型抑塵劑。并通過抗風蝕性、保水性、滲透性測試驗證抑塵劑性能。

1 實驗部分

1.1 主要實驗原料及實驗儀器

主要實驗原料：羧甲基淀粉鈉(CMS-Na),分析純,成都西亞化工股份有限公司;聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)、三乙醇胺、過硫酸鉀(KSP)、亞硫酸氫鈉(NaHSO3),分析純,國藥集團化學試劑有限公司;N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、丙烯酰胺(AM),分析純,上海麥克林生化科技有限公司;木質素磺酸鈉,分析純,合肥千盛生物科技有限公司。

實驗儀器：檢驗篩(TY2022000025)、恒溫加熱攪拌儀(MS-2T)、掃描電子顯微鏡(TECANMIRALMS)、數顯黏度計(NDJ-5S)、傅里葉傅里葉變換紅外光譜儀(NicoletNexus 470)、電子天平(FA2204E)、精密增力電動攪拌器(JJ-1)、集熱式磁力攪拌器(DF-101S)、智能灌裝蠕動泵(LM60A型)、電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9246A)等。

1.2 爆破粉塵來源及預處理

爆破粉塵來源于安徽海螺水泥股份有限公司白馬山水泥廠礦山分廠,通過在爆破場地安全距離處放置培養皿自然收集爆破粉塵,75 μm(200目)過篩后放入烘箱中干燥至恒重,即得實驗所需爆破粉塵。

1.3 抑塵劑接枝共聚合成

取一定量聚乙烯醇和去離子水(去離水作為溶劑使反應物在溶液中均勻分布,提高反應的均勻性和效率,控制反應系統溫度)加入三頸燒杯中放置于水浴鍋中,溫度設置95 ℃,攪拌溶解30 min至聚乙烯醇充分溶解。羧甲基纖維素鈉和羧甲基淀粉鈉共混后加入三頸燒瓶中,溫度設定65 ℃,攪拌溶脹30 min后用恒壓滴定漏斗緩慢滴加過硫酸鉀、亞硫酸氫鈉引發劑,再緩慢滴加丙烯酰胺、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺單體交聯劑,恒溫65 ℃接枝反應5 h制得接枝共聚產物,通過復配潤濕劑木質素磺酸鈉和保水劑三乙醇胺即得抑塵劑。

1.4 正交試驗

對羧甲基纖維素鈉和羧甲基淀粉鈉進行最大溶解度實驗,確定二者底物在水中的最大溶解度。以黏度為指標,設計四因素三水平正交試驗表,見表1。

表1 實驗設計各因素水平表 %

通過將正交試驗最優組進行多次重復實驗,進行黏度數據對比,觀察黏度變化趨勢。

1.5 抑塵劑接枝共聚物表征

將接枝共聚產物用無水乙醇進行洗滌提純得到白色絮狀沉淀,用溫水洗滌后進行烘干處理,用索氏提取器以丙酮為溶劑進行提取,并進行干燥處理得純化產物,將提純后產物進行研磨篩分進行紅外光譜分析和熱重分析。

1.6 掃描電鏡實驗

對爆破粉塵初篩烘干后,取相同質量爆破粉塵置于培養皿中,用抑塵劑和水分別對培養皿中粉塵進行霧狀噴灑并烘干處理,取培養皿表面粉塵試樣進行掃描電鏡檢測。

1.7 抗風蝕性實驗

設置抑塵劑、水、空白組3組,稱取10 g白馬礦山爆破粉塵均勻置于培養皿中,分別取10 mL抑塵劑溶液和清水與爆破粉塵均勻混合后稱重做記錄,空白組為對照,放置在40 ℃烘箱中加熱20 h完全蒸干水分。通過立式空調模擬自然風進行1 h風蝕實驗,風速為2.49 m/s。每隔10 min進行稱重,繪制粉塵隨時間變化保留量,對比抑塵劑抗風蝕性能。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果

以黏度作為抑塵劑原料配比選擇主要因素,3次測量平均值測定各組抑塵劑黏度值,確定組分之間影響程度,得到抑塵劑最優配比,L9(34)正交試驗結果見表2。

根據表2均值Kn可得,黏度實驗指標各實驗藥品因素最優水平為(A3B2C1D3),對應實驗8。在本次正交試驗中通過對比這4種實驗藥品因素的極差R值可得,對抑塵劑黏度影響程度從小到大依次是AM

圖1 最優配比重復實驗

通過將最優實驗8進行重復實驗并進行平均值對比,實驗結果表明,在最優實驗8中,數據在平均值上下浮動,表明黏度在實驗8數據中趨于穩定,證明黏度作為正交試驗指標合理。

2.2 接枝共聚物表征分析

2.2.1紅外光譜分析

接枝共聚產物紅外光譜如圖2所示。

圖2 接枝共聚產物紅外光譜圖

2.2.2熱重分析

接枝共聚產物熱重分析如圖3所示。

接枝共聚產物其中含有大量親水基團,在烘干情況下易吸收空氣中的水分,0～100 ℃的質量損失水分揮發導致。100～280 ℃質量損失因接枝率沒有達到100%,未接枝部分分解導致。接枝共聚物分解為兩個階段：280～500 ℃為接枝共聚產物自身分子支鏈上小分子分解導致質量損失加快;溫度>500 ℃時,質量損失速度減緩,主要因為接枝共聚產物中大分子物質在更高溫度下才能分解。熱重分析說明接枝共聚產物熱穩定性能良好,不會因環境因素對實際應用產生影響[7-8]。

2.3 抑塵劑噴灑最優比例

取一定量爆破粉塵置于6個培養皿中,將制備的抑塵劑分別用水稀釋成0%、2%、4%、6%、8%、10%共6個體積濃度的抑塵劑溶液對爆破粉塵進行霧狀噴灑處理,置于35 ℃自然陽光下實驗3 h,每隔0.5 h進行培養皿稱重,計算抑塵劑溶液保水率。用水稀釋成0%、2%、4%、6%、8%、10%共6個體積濃度的抑塵劑溶液分別進行黏度測試,實驗結果見圖4。

圖4 抑塵劑稀釋后對黏度和保水率的影響

由圖4可知,抑塵劑稀釋后,抑塵劑體積百分比越多,稀釋后抑塵劑黏度越大,在爆破粉塵保水實驗中,抑塵劑保水性能越好。在8%濃度后,黏度和保水率增加效果不大,綜合成本和性能,最終選擇將抑塵劑稀釋體積百分比為8%進行現場實驗[9]。

2.4 抑塵劑復配及性能測試結果分析

2.4.1復配保水劑

試樣準備方式同上,將濃度8%抑塵劑溶液與濃度1%～6%共6個梯度的丙三醇、三乙醇胺、聚乙二醇進行稀釋混合溶解,分別霧狀噴灑培養皿爆破粉塵,放置在35 ℃下5 h稱重培養皿,計算抑塵劑混合液保水率。圖5為5 h保水率與各混合溶液濃度關系。

圖5 不同保水劑在不同濃度下保水率對比

由圖5可知,抑塵劑溶液保水性能隨保水劑增加而增加,濃度4%保水劑后保水性能提升減緩,選擇濃度4%保水劑參與復配節省成本。通過對比不同保水劑相同濃度下保水性能,三乙醇胺>聚乙二醇>丙三醇,選擇三乙醇胺進行復配抑塵劑保水性能更加優異。綜合成本和保水性能,選擇濃度4%的三乙醇胺復配提升抑塵劑保水性能。

2.4.2復配潤濕劑

試樣準備同上,通過將相同質量爆破粉塵放入量筒中,模擬露天礦山現場地表,將粉塵壓縮至一定高度進行滲透性實驗。緩慢滴加相同量不同濃度表面活性劑與8%濃度抑塵劑、4%濃度三乙醇胺復配溶液,進行5 min滲透實驗,測量滲透深度,計算溶液潤濕性能。圖6為5 min時不同濃度下潤濕劑滲透深度關系圖。

圖6 不同潤濕劑在不同濃度下滲透性能對比

由圖6可知,不加任何潤濕劑下的濃度8%抑塵劑滲透性能比水略高,遠遠達不到爆破現場要快速滲透效果。通過復配一部分潤濕劑,增大抑塵劑的滲透性能,得以在爆破現場實現快速滲透潤濕,提高抑塵效能。隨著潤濕劑濃度增加,抑塵劑滲透性能逐漸增加,木質素磺酸鈉濃度在0.4%時,溶液對爆破粉塵潤濕滲透效果最好。更高濃度潤濕效果差原因推測在高濃度下,部分表面活性劑分子因接觸不到水而失去活性。

2.4.3掃描電鏡分析抑塵劑成膜性

如圖7所示,圖7a、b分別為噴灑水后爆破粉塵1 000倍和2 000倍掃描電鏡圖像,圖7c、d分別為噴灑濃度8%抑塵劑后爆破粉塵1 000倍和2 000倍掃描電鏡圖像。觀察1 000倍水樣組粉塵在水分蒸發后,有很多空隙和褶皺,粉塵顆粒之間黏結性能不強;將其放大至2 000倍時可發現各粉塵顆粒排列分散,未凝并形成較大顆粒,顆粒間相互作用力低,空隙和褶皺更為明顯。8%濃度抑塵劑組1 000倍電鏡下觀察粉塵顆粒黏性性能較強,空隙較小,粉塵與粉塵之間相互黏結在一起,出現了較為平滑的表面,證明抑塵劑對爆破粉塵有著明顯的團聚黏結作用,將小顆粒粉塵黏結成大顆粒,增大粉塵質量抵抗外界氣流、風速影響,防止二次揚塵。2 000倍電鏡下與水樣組對比凝并效果更好,粉塵顆粒均為大顆粒狀態,間隙較小且規整,說明抑塵劑具備良好的凝并性能。

圖7 粉塵樣品掃描電鏡圖

2.4.4抗風蝕性實驗分析

抗風蝕性結果分析見圖8。

圖8 抗風蝕性結果分析

由圖8可知,濃度8%抑塵劑處理后粉塵具有更強的抗風蝕性能力,在1 h時固塵為85.47%,遠高于水的55.74%和空白組39.7%,說明抑塵劑有良好的抗風蝕性。圖8右側為1 h抗風蝕實驗后產物,X為噴灑8%濃度抑塵劑組, Y為噴水組,Z為空白組。通過觀察3組,X組黏結效果遠高于空白組和噴水組,且在X組樣品表面可觀察到明顯的成膜效果,表明抑塵劑在接觸粉塵后迅速在粉塵表面黏結成膜固化粉塵,延長抑塵劑抑塵時間,達到更好的抑塵效果。

3 結論

以羧甲基纖維素鈉、羧甲基淀粉鈉為雙底物基底,丙烯酰胺為單體進行接枝共聚合成,通過復配0.4%木質素磺酸鈉和4%三乙醇胺制備一種適用于露天礦山爆破塵埃治理的軟膜型凝結抑塵劑。

通過將制備的抑塵劑進行一系列性能表征,結果表明,此抑塵劑相較于水抑塵滲透能力提升了2倍,5 h保水率比水保濕提高40%,抗風蝕性固塵率為85.47%,較噴水提高了30%。該抑塵劑滲透保濕性能優越,噴灑后成膜性能優越,可自然分解,具備無毒無害,制備簡單,安全環保,在露天礦山粉塵控制中有良好的應用前景。