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复合型抑尘剂的制备研究 * 肖红霞 1， 2 郑义 1 1. 上海应用技术学院化学与环境工程学院， 上海 200235; 2. 华东理工大学资源与环境工程学院， 上海 200237 摘要 配制的复合型抑尘剂是甲基丙烯酸甲酯 － 丙烯酸丁酯共聚物乳液。采用正交法构造四因素三水平设计正交实 验， 用预乳化法合成抑尘剂。对数据直观分析， 得出在乳化剂质量分数为 2 ， 引发剂质量分数为 1. 1 ， 交联剂质量 分数为 2 ， 搅拌强度为100 r/min的实验条件下， 抑尘剂性能较好。抑尘剂应用性能测试表明 抑尘剂具有较好的吸 水保水性， 配制的复合型抑尘剂具有较好的经济效益和社会效益， 应用前景广阔。 关键词 城市扬尘;复合型抑尘剂;正交分析;应用测试 STUDY ON SYNTHESIS AND APPLICATION OF THE COMPOUND DUST- DEPRESSOR Xiao Hongxia1， 2Zheng Yi1 1. School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai College of Applied Technology，Shanghai 200235，China; 2. School of Resources and Environmental Engineering，East China University of Science and Engineering，Shanghai 200237，China AbstractThe compound dust-depressor researched in this thesis is a methacrylic methyl ester-acrylic copolymer emulsion. The experiment is designed by orthogonality， which is the orthogonal experiment of 4 factors and 3 levels in this paper. The agent is synthesized by pre-emulsification.The intuitive analysis of data shows that in the experimental conditions，the emulsifier in the surfactant mass fraction of 2 ，initiator mass fraction of 1. 1 ，cross-linking agent mass fraction of 2 ， stirring intensity of 100 r/min，the perance is better. The test of the dust-depressor shows that depression which had synthesised in this experiment has a good absorbent capacity and reabsorbability.From the test it can be seen that the compound dust-depressor has good economic and social benefits. Its application has a broad prospect. Keywordsurban dust;compound dust-depressor;orthogonal analysis;test of use * 上海市教育委员会重点学科建设项目资助 J51502 。 0引言 随着城市化进程的加快， 施工堆料场及路面扬尘 也在不断增加。颗粒物污染对我国城市空气质量的 影响范围很广， 是大多数城市空气污染的首要因素。 2010 年上海世博会的召开， 基本建设明显增加， 颗粒 物污染成为影响上海环境空气质量的主要污染物。 目前， 化学抑尘成为城市抑尘的主要处理方法， 抑尘剂逐渐转向复合型和专用型发展。但是， 这类抑 尘剂在国内外研究还不多， 国外主要有俄罗斯的由 PO- 1 型阴离子表面活性剂、 水玻璃、 甲基苯乙烯乳状 液和水组成的复合型抑尘剂， 日本的聚丙烯酸盐添加 表面活性剂组成抑尘剂， 澳大利亚的聚丙烯酸盐、 羧 甲基纤维素、 聚乙酸酯乙烯、 丙二醇和丁三醇组成的 抑尘剂等; 国内主要有原冶金工业部安全环保研究所 研制的 MC 和 MPS 复合型抑尘剂， 北京市劳动保护 科学研究所研制的氯化镁和氯化钙添加凝并剂和保 湿剂组成的 CDR 抑尘剂等。 本文采用预乳化工艺法， 以工业上常用的丙烯酸 正丁酯和甲基丙烯酸甲酯为原料， 合成一种吸水性能 好， 又具有粘结性的复合型抑尘剂， 并讨论最优合成 方案， 分析其抑尘性能。 1实验部分 1. 1抑尘剂的合成步骤 1 按一定比例量取丙烯酸、 甲基丙烯酸甲酯和 丙烯酸正丁酯， 配制单体乳化溶液， 预热搅拌使其 溶解。 2 将一定量蒸馏水加入四口反应瓶， 加入已配 备好的 5 的单体乳化剂溶液， 搅拌升温至60 ℃ 。 快 速滴加预引发剂和复合型表面活性剂， 在增力电动搅 拌机上搅拌约30 min， 至乳液由白色变为蓝色。 67 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 3 调节温度至 85 ～ 90 ℃ ， 滴加剩余单体、 引发 剂、 交联剂， 保温聚合1 h。 1. 2正交实验设计 经过大量的文献查阅和多次前期实验探索后， 分 析得出影响复合型抑尘剂性能的因素有 乳化剂含量 A 、 引发剂含量 B 、 交联剂含量 C 、 搅拌强度 D 。这些量的变化能够引起抑尘剂性能的较大变 化。将这四种物质含量作为正交实验的因素， 同时根 据各个量的变化确定正交实验的水平。由此确定进 行四因素三水平正交实验即 L9 34 正交实验见表 1。 表 1正交实验的因子与水平 因子ABCD 120. 91100 22. 51. 01. 5233 331. 12366 2复合型抑尘剂的性质 2. 1抑尘剂尘样制备及应用性能测试 为了模拟料场堆放产生的扬尘， 将收集的土样放 置于105 ℃ 烘箱中进行烘干， 拿出冷却后并研磨， 用 60 目的筛子进行筛分， 筛得的尘土即用来作为此次 实验中进行性能测试的粉尘。 取尘样10 g倒入90 mm培养皿中， 然后将5 mL 稀释比为 5 的抑尘剂喷洒培养皿中粉尘表面。分 别定义常温抗蒸发率 i、 吸湿率 ii 和高温抗蒸发率 iii 如下 常温抗蒸发率 i 湿样质量 － 5 d干尘样质量 / 喷洒抑尘剂的质量 100 吸湿率 ii 60 ℃ 下烘干5 h后放置24 h湿样质 量 － 干尘样质量 /喷洒抑尘剂的质量 100 高温抗蒸发率 iii 湿样质量 － 60 ℃ 烘干3 h干 尘样质量 /喷洒抑尘剂的质量 100 2. 2复合型抑尘剂的黏度测试 复合型抑尘剂的黏度决定了该抑尘剂的应用性 质。乳液的黏度越大， 抑尘剂与物料表面的黏结越 强， 固化效果好; 但是黏度又不宜过高， 对喷洒不利。 实际经验表明， 在温度不超过30 ℃ 以及质量分数在 25 以内， 黏度小于4 mPa s可以进行实际喷洒使用， 不会给喷洒带来困难。 测试方法 利用 NDJ- 1 型黏度计在18 ℃ ， 2 号转 子， 转速60 r/min， 测定 5 次， 然后取均值。 3结果与讨论 3. 1复合型抑尘剂黏度分析 抑尘剂的黏度决定了粉尘颗粒间黏结力的大小， 是防尘时粉尘黏结凝并效果的决定因素。本实验采 用稀释比为 5 的溶液喷洒尘样表面， 并对稀释后的 溶液测定黏度， 发现溶液黏度均在4 mPa s以内， 不会 给喷洒带来困难。对黏度进行方差分析见表 2。 表 2正交实验设计黏度方差分析 因素偏差平方和自由度F 比F 临界值显著性 A0. 16921. 00019. 000 B1. 44928. 57419. 000 C6. 409237. 92319. 000* D1. 716210. 15419. 000 误差0. 172 注 *代表最显著影响因素。 由表 2 可以分析得出交联剂的量 1， 6-己二醇 对实验黏度有显著影响。1， 6-己二醇在共聚单体中 引入带有交联官能团的单体， 使所得到的乳液共聚物 在分子链上带有交联基团， 在加热条件下其后聚合物 乳液成膜过， 通过在共聚物分子链上交联集团之间的 化学反应， 形成有一定黏度的交联聚合物。 另外， 本实验采用丙烯酸为羧酸性交联单体， 结 构式为 CH2 CHCOOH。带双键的羧酸作为共聚 单体引入共聚物中后， 使共聚物分子带有羧基， 为交 联反应提供了交联点。这些羧基之间并不发生交联 反应， 它和分子链上或和外加交联剂分子上所带的羟 基、 环氧基、 金属离子等发生化学反应形成交联结构， 也能增大聚合物的黏度。 3. 2合成工艺条件结果与讨论 3. 2. 1复合型抑尘剂正交实验分析 对吸湿率 i 进行直观性分析可知A 表面活性 剂 吸湿率的极差最大， 所以对抑尘剂吸湿性影响最 大; 而 B 引发剂 的点子高低相差最小， 说明对抑尘 剂吸湿性影响较小; 因子 A 取 A1即表面活性剂占单 体质量的 2 ， 吸湿性能最好; 同理对其他因子分析 可得， 在优先考虑抑尘剂的吸湿性时， 复合型抑尘剂 最优实验条件定在 A1B3C3D1。 由极差 ii 分析得四因子对复合型抑尘剂常温抗 蒸发性影响不大。而高温抗蒸发率 iii 分析知 因子 C 交联剂的量 的三个点子高低相差最大， 所以对抑 尘剂高温抗蒸发性影响最大; 而 D 搅拌强度 的点 子高低相差最小， 说明对抑尘剂高温抗蒸发性影响较 小; 因子 C 取 C1即交联剂占单体质量的 1 ， 高温抗 蒸发性能最好; 同理可分析 A、 B、 D 的均值， 可得在考 77 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 虑高温抗蒸发性时， 最优实验条件为在 A1B3C3D2。 正交实验设计及直观分析见表 3。 表 3正交实验设计及直观分析 No.吸湿率 i常温抗蒸发率 ii高温抗蒸发 iii 10. 17760. 99080. 9905 20. 1511. 0050. 9602 30. 21760. 99781. 01 40. 13640. 99480. 8892 50. 18320. 98890. 958 60. 13640. 9880. 9982 70. 13231. 010. 9726 80. 11660. 99370. 9636 90. 13740. 9890. 96363 均值 i10. 182 0. 1490. 144 均值 i20. 152 0. 1500. 142 均值 i30. 129 0. 1640. 178 极差 i0. 053 0. 0150. 026 均值 ii10. 998 0. 9990. 991 均值 ii20. 991 0. 9960. 996 均值 ii30. 998 0. 9920. 999 极差 ii0. 007 0. 0070. 008 均值 iii10. 987 0. 9510. 984 均值 iii20. 948 0. 9610. 938 均值 iii30. 967 0. 9910. 980 极差 iii0. 039 0. 0400. 046 3. 2. 2复合型抑尘剂合成工艺参数确定 由以上分析得出 优先考虑吸湿性这一个指标， 最优实验合成条件定在 A1B3C3D1， 优先考虑高温抗 蒸发性， 最优实验合成条件为 A1B3C3D2; 四因素对常 温抗蒸发性影响不大。D1、 D2在高温抗蒸发性中相 差不 大， 综 合 分 析 可 认 为 最 优 实 验 合 成 条 件 为 A1B3C3D1， 详见表 4。 表 4最优实验合成条件 表面活性剂 质量分数 / 引发剂的量 质量分数 / 交联剂的 质量分数 / 搅拌强度 / r min － 1 21. 12100 3. 3复合型抑尘剂应用性能的研究 3. 3. 1吸湿性能的研究 吸湿率是抑尘剂吸水能力的重要参数。根据正 交实验， 按照上述吸湿性能的测定方法， 把尘样放入 干燥箱中进行60 ℃ 恒温烘干， 取出并置于室内24 h 后， 每隔一定时间测量尘样吸收空气中水分的重量。 结果见图 1。 注 图中系列 1、 2 为不同原料配比制成的抑尘剂乳液 制作的尘样， 系列 3 为纯水制作的尘样 图 1尘样吸湿率变化曲线 由图 1 可以看出， 抑尘剂吸湿率在1. 5 d左右达 到最大， 能在较长的时间里保持相对稳定的吸湿性。 放置5 d后， 其表面仍具有一定的湿度， 随着空气中湿 度的变化， 尘样的含水率也随着变化。由此可知， 该 抑尘剂具有较好的吸湿性。 3. 3. 2与常用抑尘剂的应用效果比较 在建筑工程中， 经常使用的抑尘方法有 洒水、 洒 吸湿盐溶液、 洒乳化型抑尘剂等。在料堆、 路面等喷 洒纯水时，能使尘粒润湿，粘结成块，因而可减少扬 尘，但纯水抑尘时间短，尤其是在夏季高温保水能 力更低。另外，过度洒水抑尘有可能导致集料含水 率变化，影响到混凝土施工配合比的准确。 用吸湿盐水溶液处治料堆、 路面，由于其有良好 的吸湿性，因而能减少水分蒸发量，但溶液浓度越 大，耐蒸发性越好，相对湿度越大，喷洒吸湿盐的路 面吸水量越大， 但吸湿盐水溶液具有较强的腐蚀性， 对施工设备腐蚀很大，对石灰、 水泥等材料有一定的 改性甚至危害。 本文研究的复合型抑尘剂喷洒在料堆、 路面， 能 在尘面形成一层大分子量的黏性油膜，既有黏性又 有很好的耐蒸发性，吸湿性较强， 具有较好的吸水保 水能力， 并且抑尘剂的成本较洒水降尘低， 特别是在 我国缺水的北方地区， 水资源相对贫乏， 抑尘剂可以 得到更加广泛的应用。 4结论 1 通过对正交实验结果的综合分析， 得出最优 实验合成条件为 A1B3C3D1， 即表面活性剂占单体质 量分 数 为 2 。引 发 剂 的 量 占 单 体 质 量 分 数 为 1. 1 ， 交联剂的量占单体质量分数为 2 ， 搅拌强度 为100 r/min的实验条件下时， 可得到性能良好的抑 尘剂。 2 对实验数据方差分析知， 交联剂的量对抑尘 87 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 剂的黏度有显著影响。因此， 在实际生产中可通过改 变交联剂的用量， 以满足喷洒中抑尘剂的黏度要求。 3 在60 ℃ 烘箱中做高温抗蒸发性实验， 并与纯 水作比较， 得出抑尘剂在高温抗蒸发性方面有明显优 势。并且随着空气中湿度的改变， 抑尘剂具有良好的 吸湿性能。在干燥的气候条件下， 也可从空气中吸收 一定的水分， 有利于抑尘的含水量的保持。 4抑尘剂呈乳液状， 将抑尘剂喷入培养皿后能 与粉尘颗粒表面形成一层保护膜， 从而降低溶液的表 面张力， 提高粉尘表面吸附作用， 阻止水分的快速蒸 发， 并降低在粉尘中的入渗速度， 延长保水时间。 5通过观察， 纯水的尘样随着尘土含湿量的减 少， 尘土表面越来越蓬松。用手触摸， 易变成粉末状。 此外， 由于抑尘剂呈乳液状， 具有较好的黏性。 当空气中的飞尘飘落到尘面时， 尘粒会受到油膜的黏 附力， 粉尘很难再次飞扬。 从以上结论总体可以看出， 论文所研制的抑尘剂 在实验条件下， 是一种稳定性好、 黏度大、 喷洒使用方 便的抑尘剂， 并能满足抑尘的各项性能要求， 而且材 料成本低廉， 污染较小， 合成方便， 具有较好的经济效 益和社会效益。可应用于土路面、 土料堆放场、 露天 矿路面、 城市道路修筑、 建筑工地等扬尘场地的防尘， 应用前景广阔。 参考文献 ［1 ］ 李锦， 枊建龙. 改良 MPS 型抑尘剂在堆料防尘中的试验研究 ［J］ . 工业安全与防尘， 2000 4 13- 15. ［2 ］ 吴超. 近十年世界抑尘剂成果评述［J］ . 金属矿山， 1996 12 37- 41. ［3 ］ 柳建龙， 李锦， 彭兴文. 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