徐海棟，張雷波，尹立峰，姬亞芹

(1.天津市機動車排污檢控中心 天津 300191；2.天津市環(huán)境規(guī)劃院 天津 300191；3.南開大學環(huán)境科學與工程學院 天津 300071)

0 引 言

近年來，我國城市化建設及工業(yè)化進程加快，荒漠化問題突出，城市郊區(qū)土壤風蝕嚴重，致使我國城市大氣顆粒物污染問題十分突出。許多研究結(jié)果表明，[1-4]揚塵是大氣顆粒物污染的重要來源之一，可導致呼吸不適及呼吸系統(tǒng)癥狀。揚塵的來源十分廣泛，主要包括裸露土地、交通揚塵、建筑施工、拆遷、堆料、渣土、煤灰、工廠等。[4-5]

為了改善城市空氣環(huán)境，遏制郊區(qū)土壤侵蝕，減緩土地荒漠化，亟需采取必要措施加以治理。目前，采用化學抑塵劑控制揚塵、修復裸露土地是行之有效的方法之一。該方法自誕生之日起就受到了各國研究人員的重視，到現(xiàn)在已經(jīng)走過了近百年的時間。[6-7]化學抑塵劑的種類已由最初單一的潤濕劑發(fā)展到了現(xiàn)在的潤濕型、粘結(jié)型、凝聚型等普通化學抑塵劑以及復合型、生態(tài)環(huán)保型、特殊型等新型化學抑塵劑；其使用效用也由當初的功能單一、效果不佳發(fā)展到了現(xiàn)在的使用廣泛、功能多樣、效果良好以及追求高性價比；所需材料除了已經(jīng)研發(fā)的具有良好潤濕性、保濕性、吸水性能的新型添加劑之外，更加提倡使用天然生物質(zhì)或企業(yè)尾料。

1 抑塵技術(shù)的基本原理及作用機理

化學抑塵的基本原理是：在潮濕的環(huán)境下，使被處理物料表面保持濕潤，含有一定的水分，起到抑塵效果；在干燥的環(huán)境下，使被處理物料表面能有效粘結(jié)成硬殼，確保細顆粒不被揚起，從而達到抑塵及改善大氣環(huán)境質(zhì)量的目的。[8]

大量研究表明，揚塵顆粒沉降的數(shù)學表達式為：[9]

式中：Vt——顆粒沉降速度/(m·s-1)；r——顆粒粒徑/m；ρ——密度/(kg·m3)；ρ粒——顆粒密度/(kg·m3)；ρ流——氣流密度/(kg·m3)；μ——運動黏性系數(shù)；θr——外磨擦系數(shù)；g——重力系數(shù)。

從公式可以看出，ρ和 g為常數(shù)，在 μ和 θr不變的情況下，顆粒的沉降速度與粒徑 r及密度之差(ρ粒—ρ流)的值有關(guān)。顯然，如果能使揚塵顆粒的粒徑或密度增大，則揚塵顆粒的沉降速度亦隨之增大，所以可考慮增加揚塵顆粒的粒徑和密度來控制揚塵。目前公認的抑塵機理有 3種，即潤濕、固結(jié)和凝并機理。潤濕是使被抑塵面始終保持一定的濕度，這時揚塵顆粒密度必然增加，其沉降速度也會增大；固結(jié)是使被抑塵面形成具有一定強度和硬度的表面以抵抗風力等外力因素的破壞；凝并作用可使細小揚塵顆粒凝聚成大粒徑顆粒，達到快速沉降的目的。[10]

2 化學抑塵劑的分類

國外化學抑塵劑的研究始于 20世紀 30年代，并一直得到各國研究人員的高度重視。我國在此方面的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。20世紀 70年代末，我國一些研究人員開始研究化學抑塵劑；80年代取得了顯著的進展，申請了不少專利；90年代以來，化學抑塵劑的研究成果不斷涌現(xiàn)，涉及的領域也不斷深入和拓寬。[7]傳統(tǒng)的化學抑塵劑主要有潤濕型化學抑塵劑、粘結(jié)型化學抑塵劑、凝聚型化學抑塵劑等3大類。此外，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步以及人們對環(huán)保要求的不斷提高，又出現(xiàn)了復合型、生態(tài)環(huán)保型及特殊型化學抑塵劑。

2.1 潤濕型化學抑塵劑

潤濕型化學抑塵劑通過提高水的潤濕能力來增強水的捕塵能力，從而提高抑塵效果。如單純采用灑水抑塵，散放塵源的某些細塵粒存在疏水特性，往往不能被水潤濕，因而抑塵效果不佳，例如，水對 2,μm 粉塵的捕獲率僅為 1%,～28%。[11]潤濕型化學抑塵劑是一種由吸濕性化學物質(zhì)和表面活性劑配制而成的混合劑，其中吸濕性化學物質(zhì)是主料，表面活性劑為輔料。[12]

黃維剛等[13]通過對選取的 6種表面活性劑進行煤塵沉降潤濕實驗研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)陰離子表面活性劑及非離子表面活性劑對粉塵具有較好的濕潤性能。Ding Cui等[14]發(fā)現(xiàn)將抑塵劑中的表面活性劑磁化能夠進一步減少抑塵劑對煤塵的接觸角，而且對煤塵的潤濕能力更強，有著良好的應用前景。

在抑塵效果方面，葉學海[15]制得一種潤濕型抑塵劑，抑塵率在 90%,以上，抗風能力≤8級，有效抑塵期可達到 5天，取得了很好的抑塵效果。金龍哲等[12]選擇 MgCl2和 CaCl2作為配方基料，曲拉通X-100作為輔料配制抑塵劑，路面碾壓測試結(jié)果表明，該抑塵劑能使路面平均粉塵質(zhì)量濃度從 600,mg/m3降到10,mg/m3以下，且抑塵有效期可達到6天。

潤濕型化學抑塵劑通過改善物料的滲透能力達到抑塵效果。[16]此類抑塵劑對疏水揚塵的抑制效果較好，由于耐候性差，有效抑塵期一般為 5～10天，超出有效抑塵期后，潤濕性能明顯下降，可能會出現(xiàn)二次揚塵，此時需要重復噴灑，因而限制了該類抑塵劑的廣泛使用。

2.2 粘結(jié)型化學抑塵劑

粘結(jié)型化學抑塵劑主要是通過固結(jié)機理，在路面或散堆物料表面形成一層具有一定強度和硬度的固結(jié)層來抵抗風力等外力因素的破壞從而實現(xiàn)抑塵目的。過去使用較多的粘結(jié)型化學抑塵劑主要有：前蘇聯(lián)的烏尼維爾辛乳狀液、美國的Coherex型粘結(jié)劑，英國 Weslig公司研究成功的 Wesling-120抑塵劑以及許多國家用廢重油、瀝青、造紙和酒精工業(yè)的廢液、廢渣組成的粘塵劑。[17]

現(xiàn)有的抑塵劑玻璃化溫度Tg值往往大于0,℃，存在的主要問題是：在靜態(tài)實驗條件下，能夠保持固結(jié)層的完整性；但在動態(tài)實驗條件下(即存在外界擾動，如人踩、車軋)，固結(jié)層容易出現(xiàn)破裂。最近，國外有專利[18]報道了一種玻璃化溫度較低的抑塵劑，其玻璃化溫度 Tg值低于-20,℃，在一定程度上解決了固結(jié)層遇到外力破壞時出現(xiàn)破裂的情況。劉生玉等[19]經(jīng)過反復試驗發(fā)現(xiàn)，改性淀粉基固化抑塵劑對煤散料具有良好的粘結(jié)性能。

粘結(jié)型化學抑塵劑與潤濕型抑塵劑相比，有效抑塵期相對較長，但滲透力不強，且對環(huán)境有一定的污染。此外，國外研發(fā)的低玻璃化溫度抑塵劑對我國抑塵劑的進一步研究具有啟示作用。

2.3 凝聚型化學抑塵劑

凝聚型化學抑塵劑是利用凝并作用使細小揚塵顆粒凝聚成大粒徑顆粒，達到快速沉降，從而實現(xiàn)抑塵的目的。凝聚型化學抑塵劑的主要成分為吸濕劑，它能使揚塵保持較高的含濕量從而抑制粉塵飛揚。按照所用材料的不同可分為吸濕型無機鹽抑塵劑和高倍吸水樹脂抑塵劑。

2.3.1 吸濕型無機鹽抑塵劑

吸濕型無機鹽材料眾多，如 NaCl、CaCl2、MgCl2、AlCl3、Na2CO3、Na2SiO3、活性氧化鋁和硅膠等，這些材料都具有很強的吸濕保水特性，能提高粉塵的含濕量，從而抑制粉塵飛揚。[10,16]20世紀 90年代中后期，中南工業(yè)大學的吳超等[20-21]在CaCl2、MgCl2中添加堿性氧化物CaO和MgO，在一定程度上解決了鹵化物施用后偏酸性的問題；后又將鹵化物與水玻璃復合，不僅使粘塵功能進一步增強，而且其溶液的弱酸性得到進一步降低，取得了良好的效果。但吸濕型無機鹽具有較強的腐蝕性，而且最近有研究發(fā)現(xiàn)它對路邊土壤和植物也有一定的危害。[22]2006年，金龍哲等[23]在吸濕型無機鹽中加入了一種阻蝕劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該抑塵劑能夠減少對鋼鐵等材料的腐蝕，在解決吸濕型無機鹽抑塵劑的腐蝕方面取得了新的進展。2.3.2 高倍吸水樹脂抑塵劑

高倍吸水樹脂是一種具有特殊功能的高分子材料，它不僅可以吸收比自身質(zhì)量大幾倍甚至幾千倍的水，而且保水能力強，在很大的壓力作用下也不脫水，具有良好的吸水、保水、吸濕、放濕等特性。

高學偉等[24]在微波輻射條件下，利用膨潤土接枝丙烯酸制得了高吸水性樹脂 SAP。北京精誠博?？萍加邢薰綶25]研制出了一種以丙烯酸等高分子材料為主要成分的抑塵劑，該抑塵劑具有較好的耐水性，現(xiàn)場噴灑試驗證明，抑塵效果較好。He E等[26]公開了一種高倍吸水樹脂抑塵劑專利，主要用于堆放粉塵的防塵抑塵，噴施后可形成類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，保水性好，具有很強的粘塵性能。

使用高倍吸水樹脂進行抑塵具有固結(jié)強度較高、吸水保水性好、耐水性好、粘結(jié)性好等特點。但也存在一些缺點，其中最突出的就是成本較高、制備難度大，給它的推廣使用帶來了很大障礙，因此目前多處于實驗室研究階段，但未來應用潛力巨大。

2.4 復合型化學抑塵劑

復合型化學抑塵劑由兩種或兩種以上抑塵劑通過物理或化學作用復合而成，能夠?qū)櫇?、粘結(jié)、凝并、吸濕保水等功能合為一體。

張文案等[27]合成了一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復合型抑塵劑，該抑塵劑具有較好的保水性、粘結(jié)性及抑塵效果。肖紅霞等[28]采用預乳化法，以甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸正丁酯合成復合型抑塵劑，噴灑在料堆、路面，能在塵面形成一層大分子量的黏性油膜，既有黏性又有很好的耐蒸發(fā)性，吸濕性較強，具有較好的吸水保水能力，其成本比灑水低。董波等[29]研究了一種新型復合型抑塵劑，研究結(jié)果表明，該抑塵劑能夠在-5～40,℃的溫度范圍內(nèi)正常使用，固化時間短，固化層厚度均勻，固化效果好，具有實際應用價值。

目前，國內(nèi)外復合型化學抑塵劑的研究成果尚少，但該類型抑塵劑的抑塵效果較好，性能優(yōu)越，適用范圍較廣。

2.5 生態(tài)環(huán)保型抑塵劑

隨著國家對環(huán)保要求的不斷提高以及人們對環(huán)保的逐步重視，最近幾年，科研工作者不斷利用生物有機高分子材料及可降解環(huán)保材料開發(fā)出了生態(tài)環(huán)保型抑塵劑，具有綠色環(huán)保、無二次污染等特點。

韓娟娟等[30]采用乳液聚合方法，以丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯合成了生態(tài)環(huán)保型抑塵劑，由該抑塵劑制備的沙模耐水沖蝕可達到 5次以上，且該抑塵劑符合目前綠色化工的要求，對環(huán)境無污染。Miguel A.Medeiros等[31]以生產(chǎn)生物柴油過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品丙三醇為主要原料，制備了一種高效的生態(tài)型抑塵劑。Usher J[32]公開了一種生態(tài)型抑塵劑專利，該抑塵劑由甘蔗渣、糖漿、表面活性劑和消泡劑等為原料制備而成，對水的利用率很高，尤其適合缺水地區(qū)的生產(chǎn)和使用，為抑塵劑的發(fā)展開辟了一條節(jié)能且可持續(xù)的道路。

目前，國內(nèi)外生態(tài)環(huán)保型抑塵劑的研究成果不斷出現(xiàn)，主要利用工業(yè)副產(chǎn)品或天然生物質(zhì)為原料制備抑塵劑，此類抑塵劑具有可持續(xù)的特點，而且能夠變廢為寶；也有使用可降解高分子材料來制備生態(tài)抑塵劑的，但價格昂貴。

2.6 特殊型化學抑塵劑

特殊型化學抑塵劑是指為滿足一些特殊場合的抑塵需求或用于特別時期的抑塵劑，如防火、耐酸、耐堿、耐雨水、抗高溫、抗凍等。

程愛華等[33]合成了一種抗凍融的抑塵劑，最佳配比為水溶性高分子 0.2%～0.3%,；丙三醇 1.0%～2.0%,；CaCl21.0%～3.0%,。李萬捷等[34]研制的抑塵劑具有一定的韌性，耐酸、耐堿、耐雨水，通過接枝共聚的方法將丙烯酸接枝到聚乙烯醇主鏈上制得。劉雨忠等[35]發(fā)明的高效防火抑塵材料具有低腐蝕性、高效抑塵和防塵作用，而且對環(huán)境友好。曹麗瓊等[36]以廢舊可樂瓶為原料提取乙二醇制備煤塵抑制劑，乙二醇溶液作為煤塵抑制劑具有較好的保水性、抗凍性，且不影響煤燃燒的熱值。該工藝不僅可實現(xiàn)廢舊物品的資源化利用，而且可減少廢舊可樂瓶及煤塵污染帶來的危害。特殊型化學抑塵劑以其獨特的性能、良好的抑塵效果，越來越受到相關(guān)專業(yè)人員的重視。

3 結(jié) 語

近幾年，國內(nèi)外化學抑塵劑新成果不斷涌現(xiàn)，筆者認為，化學抑塵劑的發(fā)展正經(jīng)歷著由存在二次污染到環(huán)境友好，由注重實驗室效果到注重現(xiàn)場實用性的轉(zhuǎn)變，即抑塵劑的發(fā)展已經(jīng)進入了拐點，即轉(zhuǎn)型期。

通過對近幾年國內(nèi)外化學抑塵劑的研究成果分析，總結(jié)出以下幾個特點：①化學抑塵劑的新成果增加了一些以往抑塵劑所不具備的新特性，如磁化表面活性劑、低玻璃化溫度、可生物降解、綠色環(huán)保等。②從研制的新產(chǎn)品來看，開始使用新型表面活性劑、超強吸水劑及天然生物質(zhì)等作為原料，且對環(huán)保的要求逐漸增加。③化學抑塵劑大多集中于解決煤礦、鐵礦的粉塵污染，針對裸土道路、建筑施工、堆料、渣土等場所的防塵抑塵劑較少，隨著人們環(huán)保意識的加強，對于各種開放塵源的治理都有待解決。④化學抑塵劑的價格往往偏高，尤其是高倍吸水樹脂抑塵劑，雖然效果較好，但因耗資大，經(jīng)濟上難以承受，所以尋找價格低廉的原材料、采用工藝簡單的技術(shù)制備高性價比的抑塵劑是未來的發(fā)展趨勢。⑤生態(tài)環(huán)保型抑塵劑的出現(xiàn)已引起科研工作者極大的興趣和關(guān)注，雖然目前成果尚少，但其有著廣闊的應用前景。⑥已有科研工作者開始使用廢舊塑料瓶提取有用物質(zhì)制備化學抑塵劑，隨著技術(shù)的進步，將來會有更多的廢料或企業(yè)尾料被挖掘并應用到抑塵劑的制備中來?！?/p>

［1］王瑞芳.城市建筑施工揚塵污染治理對策和措施[J].科技信息，2011(15)：780.

［2］何建，肖保平.成都市揚塵對大氣環(huán)境影響初探[J].四川環(huán)境，2002，21(3)：68-71.

［3］韓力慧，莊國順，程水源，等.北京地面揚塵的理化特性及其對大氣顆粒物污染的影響[J].環(huán)境科學，2009，30(1)：1-8.

［4］馮躍武，陳杰.城市揚塵污染防治初探[J].能源與節(jié)能，2011(4)：40-45.

［5］許艷玲，程水源，陳東升，等.北京市交通揚塵對大氣環(huán)境質(zhì)量的影響[J].安全與環(huán)境學報，2007，7(1)：53-56.

［6］王磊，劉澤常，李敏，等.化學抑塵劑進展研究[J].有色礦冶，2006，22(增1)：119-120.

［7］彭小蘭，吳超.化學抑塵劑新進展研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2005，1(5)：44-47.

［8］韓明迪.氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺抑塵劑的合成與應用研究[D].北京：北京化工大學，2009.

［9］劉霖，彭興文，陸國榮.MPS型抑塵劑在蘭尖鐵礦道路的應用[J].工業(yè)安全與防塵，1998(11)：14-17.

［10］白向兵，劉建，閆英桃，等.城市揚塵污染和抑塵劑研究現(xiàn)狀及展望[J].陜西理工學院學報，2005，21(4)：43-46.

［11］金龍哲.礦井粉塵防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

［12］金龍哲，楊繼星，歐盛南.潤濕型化學抑塵劑的試驗研究[J].安全與環(huán)境學報，2007，7(6)：109-112.

［13］黃維剛，胡夫，劉楠琴.表面活性劑對煤塵濕潤性能的影響研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(3)：4-10.

［14］Ding C，Nie B S，Yang H，et al.Experimental research on optimization and coal dust suppression performance of magnetized surfactant solution[J].Procedia Engineering，2011(26)：1314-1321.

［15］葉學海，劉紅光，張曉波，等.一種潤濕型抑塵劑及其制備方法和用途[P].中國專利：CN 101003721，2007-07-25.

［16］曹曉峰.固塵抑塵劑的研制[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2009.

［17］陳軍良，吳超，張強.國內(nèi)外路面防塵技術(shù)研究現(xiàn)狀及評價[J].礦冶，1998，7(1)：8-13.

［18］Fan W W，Zhu D，Zhu Q，et al.Dust suppressant[P].WIPO：WO 2010091326-A2.

［19］劉生玉，蘇立紅，郭建英，等.散料表層滲透固化機理及技術(shù)應用研究[J].煤炭學報，2011，36(增 1)：125-130.

［20］吳超，周勃，王海寧.鹵化物添加 CaO和 MgO的抑塵性能研究[J].中南工業(yè)大學學報，1996，27(5)：520-524.

［21］吳超，周勃.鹵化物與水玻璃復合物的抑塵性能[J].中南工業(yè)大學學報，1997，28(6)：519-521.

［22］Goodrich B，Koski R，Jacobi W R.Condition of soils and vegetation along roads treated with magnesium chloride for dust suppression[J].Water Air and Soil Pollution，2009，198(1-4)：165-188.

［23］Jin L Z，Wang L，Chen D K.Corrosion inhibition of a hygroscopic inorganic dust-depressor [J].Journal of University of Science and Technology Beijing，Mineral，Metallurgy，Material，2006，13(4)：368-371.

［24］高學偉，李秋榮，段雅麗，等.膨潤土接枝丙烯酸高吸水性樹脂的抑塵性能研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32(2)：74-78.

［25］王薇，霍茂清，鄭向軍，等.復合型抑塵劑的制備與應用研究[J].環(huán)境工程，2010，28(增1)：176-178.

［26］He E，He Y.Dust depressor for powder material[P].Chinese：CN 101497782-A.

［27］張文案，霍磊霞，劉海龍.復合型煤塵抑制劑的制備及性能研究[J].煤化工，2009(5)：21-24.

［28］肖紅霞，鄭義.復合型抑塵劑的制備研究[J].環(huán)境工程，2011，29(1)：76-79.

［29］董波，蔡覺先，李穎泉.煤炭運輸專用抑塵劑的合成與應用[J].潔凈煤技術(shù)，2010，16(5)：88-91.

［30］韓娟娟，張麗丹，韓春英.新型丙烯酸酯抑塵劑的合成及應用性能[J].北京化工大學學報，2007，34(增2)：78-81.

［31］Miguel A M，Carla M M L，Rochel M L.Use of glycerol by-product of biodiesel to produce an efficient dust suppressant[J].Chemical Engineering Journal，2012，180(1)：364-369.

［32］Usher J.Dust suppressant concentrate[P].Australian：AU 2007216923-A1，2008-04-10.

［33］程愛華，劉威，端木合順.新型散煤抑塵劑的制備及性能研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(1)：7-9.

［34］李萬捷，陳慶柏，李春.運輸用聚乙烯醇/丙烯酸接枝共聚共混物抑塵劑的制備及特性[J].煤炭學報，2010，35(7)：1177-1181.

［35］劉雨忠，金龍哲，劉祥來，等.高效防火抑塵材料及合成方法[P].中國專利：CN 1884426，2006-12-27.

［36］曹麗瓊，程芳琴，武海波，等.以廢可樂瓶為原料提取乙二醇制備煤塵抑制劑[J].山西化工，2010，30(6)：1-4.