工地揚塵化學防治技術研究進展

章定文　張藝　張維鋒　朱寶廣　王宇

摘要：隨著中國基礎設施和城市化建設迅速發展，在施工過程中帶來的揚塵污染日益增長，對工地揚塵采取防治措施十分必要，其中化學抑塵方法得到快速創新發展和應用。文章簡要地介紹了中國揚塵來源、危害以及當前的主要防治方法，闡述了抑塵的啟動和沉降過程，重點總結了濕潤型、粘結型、凝聚型和復合型四類化學抑塵劑的作用機理、主要成分、新研究與工程應用，并分析了各類抑塵劑的優缺點。通過歸納總結化學抑塵劑的效果評價指標規范，探討了化學抑塵法防治建筑工地揚塵存在的問題，提出化學抑塵劑的發展方向。

關鍵詞：施工揚塵；化學抑塵；機理；發展趨勢

中圖分類號：X513 文獻標志碼：B

前言

隨著中國經濟的快速發展，部分城市展開了大規模擴張和擴建，在此過程中帶來了揚塵污染，使得空氣環境污染日益嚴重。揚塵是中國城市環境空氣顆粒物的重要來源，揚塵源對環境空氣顆粒物的貢獻率較高，其中PM2.5和PM10能分別達到20%-30%和30%-40%的高水平，揚塵源PM10排放量可以對標其他所有人為源排放量。揚塵會降低城市的能見度和空氣質量，造成惡劣氣候問題，對人體的健康有不可逆的危害，受風力的影響在大氣中會發生移動，附著在植物、建筑物等物體表面。

中國對其防治需求越來越旺盛，發布了與揚塵防治有關的規范與指南，明確了揚塵的定義。在中國大部分城市的空氣顆粒污染來源中，建筑施工揚塵占主導地位。對于建筑施工造成的揚塵污染，目前應用較多的防治方式是灑水抑塵、設置擋風墻、封閉結構和防塵網等，但均有局限性。在化學抑塵方法問世和發展過程中，國內外學者對其重視程度不斷提高，并通過各種方法對其進行創新研究，因此采用化學抑塵劑進行揚塵防治的應用領域較之過去更加多元。

1 揚塵污染與防治現狀

1.1 揚塵的定義與分類

揚塵是指具有特定顆粒直徑的空氣顆粒物，其本質是地表松散顆粒物質，這類顆粒物質通過自然力或人類活動產生并存在于環境空氣中。施工揚塵是指產生在建筑施工過程中的揚塵，它存在于施工場所，例如建筑物建造與拆遷、城市市政基礎設施建設、裝修工程和設備安裝工程等。

揚塵在大氣污染控制中，根據顆粒物粒徑大小可分為：

（1）PM2.5，也稱細顆粒物或可入肺顆粒物，是指空氣動力學當量直徑≤2.5um的顆粒物。PM2.5極易起動且被空氣長時間、長距離運輸，在運輸過程中，附著大量有毒、有害物質的PM2.5顆粒對環境造成嚴重影響。

（2）PM10，也稱可吸入顆粒物，是指空氣動力學當量直徑≤10um的顆粒物。PM10顆粒直徑很小，會長期在空氣中漂浮，隨著空氣的流動，顆粒攜帶污染物運移，擴大污染區域。

（3）TSP，也稱總懸浮顆粒物，是指空氣動力學當量直徑≤100um的固體顆粒物。TSP的來源復雜，一類是人類生產活動產生的煙塵、粉塵和揚塵，一類是土壤、風沙和氣態污染物在空氣中經過物理化學反應生成的顆粒。

粉塵顆粒物進入人體呼吸系統的深淺程度與其顆粒大小有關，直徑越小，進入部位越深。一般情況下，粒徑>10um的顆粒物幾乎可全部被人體的口鼻捕獲，并可通過咳嗽、打噴嚏等行為排出人體；粒徑≤10um的浮游狀顆粒物可進入人體的鼻腔、咽喉部位；粒徑≤2.5um的顆粒物進入口鼻后會移動到更深、更細的支氣管，并停留在肺部，更細小的顆粒甚至還會進入人體的肺泡、血液。

1.2 揚塵污染的來源

中國城市揚塵主要來源包括施工揚塵、礦區揚塵、土壤揚塵、堆料揚塵和道路揚塵。施工揚塵是指產生在建筑施工過程中，存在于施工場所的揚塵；礦區揚塵是指礦山或礦區內由于煤礦爆破、開采等生產活動產生的揚塵；土壤揚塵是指地表及裸露土壤中的土顆粒在大風天氣中進入大氣形成的揚塵；堆料揚塵是指長時間存放在城市的堆料例如鋼鐵廢渣、煤灰渣等由于風力和人力等環境影響產生的揚塵；道路揚塵是指上述來源的積塵在傳輸過程中由于車輛擾動等產生的揚塵。上述各揚塵源中，建筑工地的施工揚塵通常是首要貢獻源，其起塵環節包括施工生產活動本身、建筑工地車輛擾動以及工地環境擾動等。

1.3 揚塵防治方法分類

當前對建筑工地揚塵主要通過物理結構和噴灑溶液這兩類手段進行防治，其中物理結構的抑塵方法包括擋風墻抑塵、封閉結構抑塵和防塵網覆蓋抑塵等，噴灑溶液的抑塵方法包括灑水抑塵和化學抑塵等，其抑塵原理及優缺點，可歸納見表1。

2 化學抑塵劑

2.1 抑塵基本原理

2.1.1 粉塵起動

Brunt D研究發現當風速超過1m/s時，空氣發生湍流運動，該運動對粉塵顆粒進行搬運，此時粉塵顆粒受到多種作用力，包括粉塵顆粒本身的重力、空氣在水平方向作用于粉塵顆粒的沖擊力，粉塵顆粒之間互相碰撞引起的上升力。當風速持續增加時，空氣對粉塵顆粒作用的水平沖擊力隨之增大，粉塵在原地進行小幅度運動，例如震動和擺動，當粉塵顆粒運動增加到一定強度后可以克服空氣阻力，進而在水平方向產生滑動并發生碰撞，通過碰撞改變運動方向，開始進行無規則運動，見圖1。

Bagnold R A認為粉塵顆粒受到的迎面阻力與自身重力平衡時，塵粒開始移動。塵粒起動速度表達式為式（1）：

式（1）中，ut為起動風速／（m-s-1）；ρs為塵粒密度／（kg·m-3）；ρ為空氣密度／（kg·m-3）；z為高度/m；z0為粘阻力常數；g為重力加速度／（m·s-2）；d為揚塵粒徑/m；A為經驗系數。

2.1.2 揚塵沉降

李占軍認為在氣流中，塵粒的狀態通常由隨氣流繼續運動和由于重力作用自然沉降兩種，在湍流情況下塵粒的運動狀態如圖2所示。在湍流氣流中，粗塵粒（粒徑d>10um的塵粒）呈直線或拋物線進行下落，且下落軌跡與塵粒的起動速度有關，細塵粒（粒徑d=5-10um的塵粒）和亞微塵粒（粒徑d<0.5um的塵粒）繼續在湍流中隨氣流飄移，無法沉降。

揚塵沉降速度表達式為式（2）：

式（2）中，vt為揚塵沉降速度／（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）。

2.2 化學抑塵劑的分類

化學抑塵劑根據抑塵機理可劃分為四大類：濕潤型抑塵劑、黏結型抑塵劑、凝聚型抑塵劑和復合型抑塵劑。

2.2.1 濕潤型抑塵劑

從宏觀角度分析，濕潤發生在固體表面，此時濕潤型液體代替原有液體；從微觀角度分析，在固體表面濕潤型液體發生展開現象，將該界面上原有的液體分子替換。潤濕過程包含粘濕過程、鋪展過程和浸濕過程。濕潤型抑塵劑的主要成分是吸濕性化學物質和表面活性劑。吸濕性化學物質可以吸收空氣中的水分，具有很強的吸濕能力，加強表面活性劑的應用效果。表面活性劑是一種具有兩親性結構的有機化合物。當濕潤型抑塵劑以水溶液形式存在時，兩親性結構中的親水基被水分子吸引，在水溶液體系的表面和界面上進行排列，形成緊密定向、親水基朝向溶液、疏水基朝向空氣的單分子吸附層，從而減小溶液的表面張力。此時，面向空氣的疏水基和空氣中的粉塵顆粒相吸引，粉塵顆粒被吸引進入水溶液并產生濕潤作用。

高軻研制出一種以十二烷基硫酸鈉作為陰離子表面活性劑，聚氧化乙烯作為高分子聚合物，氯化鈉作為吸濕性無機鹽的新型粉塵濕潤劑，可有效濕潤煤塵，抑塵效果良好。劉家進等采用綠色表面活性劑烷基糖苷（APG）作為主劑，K12作為起泡劑、PAM作為穩泡劑、LAS作為濕潤劑，均勻噴灑后粉塵樣品保水性較好，能有效抵抗外界擾動，抑塵效果良好，且該抑塵劑產生的污染較少，滿足綠色環境標準。裴葉研究了表面活性劑溶液對焦煤的濕潤效果，通過無機鹽與表面活性劑復配，制備了一種吸濕量高、對人體安全、生物降解性好的降塵劑。這類抑塵劑的有效作用時間較短，在有效抑塵期結束后，需要二次噴灑抑塵劑，否則會再次形成揚塵，在二次噴灑過程中，無疑增加了化學藥品和設備的使用量。

2.2.2 粘結型抑塵劑

粘結型抑塵劑的作用機理可以歸結為覆蓋、粘結、硅化和聚合等，在這些作用單一或協同發生時，揚塵得到有效抑制。該類抑塵劑按照原料可分為無機粘結型抑塵劑和有機粘結型抑塵劑。

2.2.2.1 無機粘結型抑塵劑

無機粘結型抑塵劑的主要原料是黏土、高嶺土、粉煤灰、鹵化物、氯化鈣等無機材料，這些無機材料噴灑在塵粒后可在塵粒表面形成一層殼／膜，防止塵粒飄散，通過固塵的方式達到抑塵作用。

20世紀90年代，吳超和陳軍良在水玻璃和氯化鈣溶液中添加十二烷基苯磺酸鈉和丁二酸鈉制成固土抑塵劑，研究其在粉塵中的滲透規律，試驗結果表明添加十二烷基苯磺酸鈉的溶液滲透能力可提高10%-20%，添加丁二酸鈉的溶液滲透能力可提高10%-15%。

2.2.2.2 有機粘結型抑塵劑

有機粘結型抑塵劑的主要原材料有原油、石蠟、橄欖油廢渣、石油渣、生物油渣、纖維素濾料、木質素衍生物、聚合物等。這些原材料經過乳化作用變成乳狀液，乳狀液使粉塵顆粒間的空隙減少、相互作用力增加，同時粘結劑中的分子鏈交錯纏繞、粘結顆粒，進一步達到固塵效果。

Miguel等對生物柴油進行提煉，以提煉出的甘油作為原材料制成粘結型抑塵劑進行研究，并以低聚甘油作為試驗對照，研究結果表明通過生物柴油提煉得到的甘油具備更高的粘度，抑塵效果顯著增加。Grogan從生物柴油中提取出副產品丙三醇，在丙三醇中加入表面活性劑、丙烯酸化合物和多羥基酯類制成粘結型抑塵劑。倪小磊等采用接枝聚合方式，以木質素磺酸鈣和丙烯酰胺單體為主要原料制備抑塵劑，該抑塵劑的圈含量達到8%，滲透深度至3m，在自然環境放置78h后，土壤保水率依然保持85%以上，抗風試驗下質量損失率僅有0.70%且固結層完整，各項性能均滿足工程需求。

與濕潤型抑塵劑相對比，粘結型抑塵劑的有效期較長，但滲透能力較差，需要添加其他助劑來提升作用效果，同時該類抑塵劑具有較差的乳化性，降解過程很難自行完成，對環境有二次污染。

2.2.3 凝聚型抑塵劑

凝聚型抑塵劑的作用機理主要是凝并作用，在該作用下細的粉塵顆粒聚集形成粒徑較大的顆粒，提高了塵粒的沉降速度。這類抑塵劑的主要成分是吸濕劑，吸濕劑良好的吸濕性使得粉塵顆粒長時間處于濕潤狀態，不易起動，其按照原材料可以分為吸濕性無機鹽凝聚型和高倍吸水樹脂凝聚型兩類。

2.2.3.1 吸濕性無機鹽凝聚型抑塵劑

吸濕性無機鹽凝聚型抑塵劑的原材料主要包括鹵化物（如氯化鎂、氯化鈣、氯化鈉、氯化鋁）、活性氧化鋁、硅膠等。

杜翠風等在礦山采場路面噴灑由吸濕劑、凝并劑及表面活性劑等組成的抑塵劑，噴灑該抑塵劑的粉塵含水率在測試期內保持4%，吸濕保濕性良好，具有凝并粉塵的性質，同時具有一定的經濟效益。添加吸濕性無機鹽吸濕性強，可吸收空氣中的水分，保持近地面濕潤度，同時吸濕性無機鹽溶液的冰點與一般溶液相比較低，因此由該成分配制的抑塵劑具有良好的抗低溫性能。但無機鹽類成分遇到金屬會發生置換反應，形成電極結構，這一反應對金屬部件有腐蝕作用，影響土壤性質，對植被有危害作用，還可能對水泥、石灰等材料有改性作用。

2.2.3.2 高倍吸水樹脂凝聚型抑塵劑

高倍吸水樹脂是一種高分子化工產品，由聚丙烯酸鈉等一系列原料通過化學反應生成，依據原料來源將其劃分，主要有淀粉系、纖維素系、合成樹脂系和其他天然材料四類。

吳桂香等利用聚乙二醇（PEC）-硼酸作為保水劑，γ-PGA-黃原膠（XG）為復合粘結劑，烷基糖苷（APG）／油酸為表面活性劑制備出一種可降解型水凝膠生物抑塵劑，該抑塵劑可有效控制室內PM2.5、PM10濃度，同時具有良好的抗風蝕性、抗壓性、可降解性。吸水后的高倍吸水樹脂滲透到粉塵顆粒之間，不僅增加了粉塵顆粒的質量，而且在粘結作用下促進粉塵顆粒發生凝聚，達到抑塵效果。高倍吸水樹脂復雜的制備工藝，高昂的生產費用均對其發展有所限制，同時，高倍吸水樹脂的再利用較為困難，且在生物體內易殘留、不易降解，這些問題進一步限制其應用范圍。

2.2.4 復合型抑塵劑

復合型化學抑塵劑的本質依舊是化學抑塵劑，只是主要成分更加復雜多樣，包含了兩種或兩種以上作用機理不同的抑塵劑，功能兼具濕潤、粘結、凝聚等作用，抑塵效果更好，尤其適合在復雜的環境條件下使用，成為化學抑塵劑發展的趨勢。

復合型抑塵劑可以廣泛應用于施工現場、道路工程等場景中，通過灑水設備將復合型抑塵劑噴灑于揚塵發生區域或運輸過程中，達到防治揚塵的效果。朱正榮等在長沙機場改擴建工程交通樞紐工程現場使用復合型植物提取物基質抑塵劑進行揚塵治理，通過施工前后現場監測，各項指標符合規范要求，且與覆蓋防塵網相比，抑塵效果較好，成本較低。姜勇等在金沙水電站施工過程中應用以農業秸稈為原料的復合抑塵劑，實驗結果表明，該抑塵劑對施工現場主要揚塵均能起到有效抑塵作用，且保濕時間長，滲透速率快。李永強等將由多種可降解高分子材料組成的復合型抑塵劑噴灑于某市主要的十字路口，連續監測3d，結果表明，復合型抑塵劑對PM10的去除效果相較傳統灑水可提高40%，對PM2.5和NOx的去除效果為15%。

復合型抑塵劑不僅擁有單一化學抑塵劑的作用機理和性能，而且在這些性能上均有所提升。除此之外，即使外界環境條件有所不同，應用領域有變化，復合型抑塵劑也可進行相應調整，始終保持較高的抑塵效率。為了研發并制備復合型抑塵劑，需要對原材料進行篩選并了解其各自的作用機理，預判各種材料之間可能發生的物理、化學反應，還需要進行大量試驗確定其配比，故其制備難度進一步加大。

2.3 化學抑塵劑的效果評價指標與測試方法

國際上，揚塵防治的規范及標準有南非環保部的《國家防塵管理條例》、美國國防部的《道路，機場及鄰地抑塵規范》、威斯康星州自然資源部頒布的《建筑工地抑塵標準》和密歇根州環境質量部頒發的《抑塵劑控制抑塵和預防水土流失的選擇指導方針》。

目前，中國有國家環境保護總局頒布的《防治城市揚塵污染技術規范》（HJ/T393），規定了施工揚塵、土壤揚塵、道路揚塵和堆場揚塵防治的具體技術要求，江蘇省住房和城鄉建設廳發布的《建筑工地揚塵防治標準》（DGJ32/J203），規定了揚塵防治要求、檢查評分標準和評定等級。由中國環境保護產業協會發布的標準——《水溶性道路抑塵劑》（T/CAEPI 7）對一般性道路抑塵劑的使用安全性和環保性提出了要求；國家鐵路局發布的鐵道行業標準——《鐵路煤炭運輸抑塵技術條件第1部分：抑塵劑》（TB/T 3210.1）對鐵路煤炭運輸降塵過程中使用的抑塵劑提出了控制要求，該控制要求亦適用于類似的貨物運輸過程。

3 存在問題與展望

3.1 存在問題

3.1.1 質量標準和檢測方法

目前中國專門用于規定抑塵劑質量標準的規范和技術指南較少，且不是由國家政府發布。因為這些標準的發布單位并非國家或政府，所以無法強制要求市面上出現的抑塵劑達到其中的技術要求。目前在沒有強制性規定抑塵劑標準的行業環境下，中國不僅鮮有針對抑塵劑自身質量標準的檢測機構，而且檢測機構也無法開展多領域的所有項目的全系列檢測，這進一步導致抑塵劑在生產和驗收時沒有完整的檢測報告。

3.1.2 抑塵效果表征指標與測試方法

相關規范中雖然涉及了抑塵劑的相關技術要求，但可以表征抑塵效果的指標較少，實驗室多采用風蝕率、固化層厚度和抑塵效率三個指標表征抑塵效果，現場應用大多直接測量空氣中顆粒物濃度來評價抑塵效果。這導致實驗室測試結果與現場測試結果的表征指標與測試方法不同，且這些指標之間沒有換算方法及公式，無法從實驗室試驗結果直接換算出現場環境的應用效果，形成有效的對比和評價。

3.1.3 抑塵劑用量確定

現有研究已經對抑塵劑開展了大量研究且取得了較多成果，但對抑塵效果的影響因素研究相對較少，因此即使有完整的檢測報告和建議用量，也無法在不同環境條件下直接確定合理的抑塵劑濃度、噴灑量及噴灑間隔，需要通過現場測試得出，大大降低了抑塵劑的使用效率。

3.1.4 應用過程對環境的影響

抑塵劑的主要成分為各種無機鹽和有機物，雖然生產出廠的抑塵劑自身對人體、生物和環境危害較小，但在使用過程中會不斷攜帶大氣中的污染物SO2、TSP、PM10、PM2.5、NOx、重金屬等，這些物質經過雨水沖刷和路面清掃后會向土壤下滲、流入城市下水管網，對環境和城市設施的影響還需進一步研究。

3.2 展望

（1）化學抑塵劑受制于使用時的環境條件，致使在實驗室內測得的試驗結果與現場的實測數據無法對應，因此在研發新型抑塵劑的同時還應該制定嚴格的檢測標準，標準中應規定實驗室試驗結果和現場實測數據的檢測和換算方法，并對抑塵劑的用量進行規定。

（2）在使用化學抑塵劑時，除了抑塵效果以外，還需考慮經濟性和生態性，符合國家綠色發展理念，在抑塵劑可能存在二次污染的情況下，及時制定相應的處理措施必不可少。

4 結論

化學抑塵劑具有傳統結構抑塵和灑水抑塵不具有的優點，沉降揚塵效果好。復合型抑塵劑更將單一類型抑塵劑的優點進行結合，綜合了濕潤、粘結、凝聚等功能，有效作用時間長，抑塵效果顯著，成為揚塵防治方法的發展趨勢。隨著新材料、新技術的出現，化學抑塵劑的原料已不單是傳統的無機鹽類和重油類，新技術使得高分子材料的生產制備更加容易，逐漸發展成為抑塵劑的新原料。在工程活動對抑塵需求與日俱增的過程中，傳統的抑塵劑作用機理單一，提供的抑塵效果無法緊跟工程需求，因此制備合成工藝簡單、成本低、抑塵效果明顯、生物降解性好的抑塵劑在未來的揚塵防治發展中極為重要，具有極大的應用前景。