彭靜,黃雪萍,蔣殿君*,陳維洪,鄧曉珊,梁麗麗,黃良志

（1. 廣東省科學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)育成中心，廣東 廣州 510650； 2. 廣州粵有研光電材料有限公司，廣東 廣州 510650）

0 引言

由于我國城市大氣首要污染物為大氣顆粒物PM2.5和PM10，其過度濃度嚴(yán)重影響著人們的生產(chǎn)和生活。城市大氣環(huán)境中，PM2.5和PM10濃度超標(biāo)的主要原因是道路交通揚塵和機動車尾氣排放。針對防治道路交通揚塵的問題，目前主要采用噴霧降塵方法，但效果不太理想［1］。研究表明［2-6］，在噴霧降塵過程中添加適量表面活性劑于水中，能夠有效地降低水溶液的表面張力，使得溶液與揚塵顆粒物相互作用時更容易潤濕顆粒物，從而提高噴霧降塵的降塵效果。

當(dāng)前，表面活性劑在降塵方面的研究主要側(cè)重于礦山除塵，而在城市降塵的應(yīng)用研究相對較少。金龍哲等［7］對噴霧降塵原理進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，主要包括慣性碰撞、截留、擴散與重力沉降等原理。王曉楠［8］探討了表面活性劑在改善煤塵潤濕性方面的協(xié)同效應(yīng)及降塵效果，發(fā)現(xiàn)陰-非離子表面活性劑復(fù)配體系能夠更有效地改善煤塵的潤濕性，達(dá)到最佳的降塵性能。此外，胡夫［9］通過研究指出，采用不同離子類型的單體濕潤劑復(fù)配，可以顯著提高表面活性劑的濕潤性能。趙迪［10］通過對不同煤種特性、不同類型表面活性劑的潤濕性的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在水中添加適量表面活性劑，能夠顯著增加水溶液對煤塵的潤濕性，其中非離子表面活性劑的表現(xiàn)最為優(yōu)越，而陽離子表面活性劑則相對較差。王延秋［11］研究了不同類型表面活性劑單體及復(fù)配體系對煤塵潤濕效果的影響，發(fā)現(xiàn)陰離子表面活性劑優(yōu)于非離子型表面活性劑和兩性離子表面活性劑，其中快滲T 表現(xiàn)出的效果最佳。

本文的主要目的在于研究多種類型表面活性劑的化學(xué)特性，篩選出具有優(yōu)良潤濕性的表面活性劑并進(jìn)行復(fù)配，測定不同濃度復(fù)配溶液的對城市揚塵的沉降性能，從而確定降塵劑的最優(yōu)配方，為表面活性劑在城市降塵領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

實驗所用儀器列于表1。

表1 實驗儀器Table 1 Experimental instruments

1.2 實驗原料

本實驗參考了應(yīng)用于礦山除塵的已有研究成果［13-14］，對常見的表面活性劑及實驗室自行合成的烷基糖苷衍生物（烷基糖苷酒石酸酯鹽）進(jìn)行實驗。實驗所用表面活性劑列于表2。

表2 實驗所用表面活性劑Table 2 Surfactants used in the experiment

1.3 實驗方法

1.3.1 表面張力測定

在實驗中，配制了一系列不同濃度的表面活性劑溶液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%、0.01%、0.03%、0.05%、0.10%、0.15%。在溫度25 ℃下，測定了自來水和表面活性劑溶液的表面張力，分別測量3 次并取平均值。

1.3.2 潤濕性測定

參照礦用降塵劑性能測定方法（MT 506-1996），采用粉塵的沉降時間作為表征表面活性劑潤濕性的指標(biāo)。首先將不同濃度的表面活性劑溶液加入到50 mL 的試管中，隨后將0.1 g 的粉塵快速倒入試管中，記錄粉塵與液面初始接觸及粉塵被完全潤濕所用的時間，即為沉降時間，分別進(jìn)行3 次測量并取平均值。

所用粉塵為廣州市某建筑工地附近采集的地面降塵，經(jīng)過干燥處理后，用0.1 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩去除粗顆粒［12］。同時，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%的表面活性劑溶液。

1.3.3 降塵率測定

降塵率測定試驗［15-16］，在密閉實驗倉內(nèi)進(jìn)行。首先，利用煙霧發(fā)生裝置生成特定數(shù)量的細(xì)顆粒物，待煙霧分散穩(wěn)定后，使用便攜式氣體檢測儀測定PM10、PM2.5和PM1.0的濃度。然后，在實驗倉內(nèi)進(jìn)行均勻噴霧1 min，經(jīng)過一段時間的靜置后，再次測定PM10、PM2.5和PM1.0的濃度。最后，在實驗倉的空間對角線上設(shè)置3 個采樣點，采樣點高度分布在0.5—1.5 m 之間，最終測定值取3 個點位的平均值。待煙霧散盡后進(jìn)行下一組實驗，用自來水作空白對照降塵實驗。同時，配制了不同濃度的表面活性劑溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.05%、0.10% 和0.15%。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑篩選

2.1.1 單一表面活性劑表面張力的測定

圖1 為不同濃度下表面活性劑溶液的表面張力。在相同的實驗條件下，測得自來水的表面張力為67.20 mN·m-1。從圖1 可見：表面活性劑的加入可顯著降低水的表面張力，其中加入表面活性劑APG、1307 和APG-ET 溶液的表面張力明顯低于加入BS-12、CAO-30 和AES 的溶液；表面活性劑溶液的表面張力隨著質(zhì)量濃度的增加而迅速降低，當(dāng)溶液濃度為0.05%—0.1%時，溶液表面張力基本達(dá)到最低水平，隨后隨著濃度增加表面張力下降趨勢減緩；此外，在相同濃度下改性烷基糖苷（APG-ET）溶液的表面張力明顯低于烷基糖苷溶液，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時改性烷基糖苷（APG-ET）的表面張力降至23.56 mN·m-1，表明其具有較強的表面活性。

圖1 不同表面活性劑的表面張力Figure 1 Surface tension of different surfactants

2.1.2 單一表面活性劑潤濕性的測定

圖2 為不同濃度下表面活性劑溶液的潤濕性。在相同的實驗條件下，自來水對粉塵的沉降時間為120 s。從圖2 可見：不同濃度下6 種表面活性劑溶液對粉塵的潤濕效果均優(yōu)于水對粉塵的潤濕效果，表明表面活性劑能夠提高水對粉塵的潤濕性能；非離子表面活性劑APG 和1307 表現(xiàn)出最佳的對粉塵的潤濕效果，其次是陰離子表面活性劑APG-ET 和AES，而兩性表面活性劑CAO-30 和BS-12 的潤濕性能較差。粉塵的沉降時間隨著表面活性劑濃度的增加而逐漸縮短，這是由于大多數(shù)粉塵具有低能量表面，而水溶液具有高表面張力，水分子很難穩(wěn)定吸附在粉塵表面，然而加入表面活性劑后溶液表面張力迅速降低，表面活性劑分子可通過氫鍵作用輕松地吸附在粉塵表面及周圍的水分子，溶液表面張力降低越大對粉塵的潤濕性能就越好，這與表面張力的測量結(jié)果基本一致；此外，改性烷基糖苷（APGET）潤濕性能相較烷基糖苷略有下降，這是由于烷基糖苷改性后引入了很多親水基團(tuán)，導(dǎo)致潤濕性不如烷基糖苷［17-18］。

圖2 不同表面活性劑的潤濕性Figure 2 Wettability of different surfactants

2.2 表面活性劑復(fù)配性能

2.2.1 表面活性劑復(fù)配比例篩選

通過對單一表面活性劑性能的測定，篩選出性能優(yōu)良的表面活性劑APG、1307 和APG-ET。因篩選出的3 種表面活性劑中APG 的價格最為經(jīng)濟(jì)，所以以APG 為主，研究其與另外兩種表面活性劑的復(fù)配性能，以探究是否能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同增效的效果。當(dāng)溶液濃度為0.05%時，測定了不同復(fù)配比例的表面活性劑的表面張力，結(jié)果列于表3。由表3 可知，添加少量的1307 或APG-ET 即可顯著改善復(fù)配表面活性劑的表面張力。綜合考慮，優(yōu)選出協(xié)同作用較好的3 種類型的復(fù)配降塵劑，即m（APG）∶m（1307）=8∶2、m（APG）∶m（APG-ET）=8∶2 和m（APG）∶m（1307）∶m（APG-ET）=6∶2∶2。

表3 表面活性劑復(fù)配比例篩選Table 3 Screening of surfactant compounding ratio

2.2.2 復(fù)配表面活性劑表面張力的測定

圖3 為不同濃度下3 種類型復(fù)配表面活性劑溶液的表面張力。從圖3 可見：在相同濃度下，復(fù)配表面活性劑的表面張力明顯低于單一表面活性劑的表面張力；當(dāng)復(fù)配表面活性劑的濃度增加至0.05%時，表面張力均基本趨于穩(wěn)定；在APG 復(fù)配體系中，少量1307 或APG-ET 的加入顯著降低了APG 的表面張力，而同時加入這兩者的效果更為顯著。表明，APG 與1307、APG-ET 的二元或者三元復(fù)配均能起到協(xié)同增效的作用。

圖3 復(fù)配表面活性劑的表面張力Figure 3 Surface tension of compound surfactants

2.2.3 復(fù)配表面活性劑潤濕性的測定

圖4 為不同濃度下復(fù)配表面活性劑溶液的潤濕性。從圖4 可見：在相同濃度下，復(fù)配表面活性劑對粉塵的潤濕性遠(yuǎn)優(yōu)于單一表面活性劑對粉塵的潤濕性；在0%—0.1%濃度范圍內(nèi)，復(fù)配表面活性劑的沉降時間隨著濃度的增加而持續(xù)下降，當(dāng)復(fù)配表面活性劑m（APG）∶m（1307）∶m（APG-ET）=6∶2∶2 質(zhì)量濃度為0.1%時，其表面張力可達(dá)23.13 mN·m-1、0.1 g 粉塵的沉降時間為10 s。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和處理效果，選取三元復(fù)配體系的降塵劑，即復(fù)配表面活性劑m（APG）∶m（1307）∶m（APG-ET）=6∶2∶2。

圖4 復(fù)配表面活性劑的潤濕性Figure 4 Wettability of compound surfactants

2.3 降塵效率測試結(jié)果

圖5 為不同濃度下三元復(fù)配表面活性劑對PM10、PM2.5和PM1.0的去除率。從圖5 可見：表面活性劑溶液的噴霧降塵效果顯著高于自來水噴霧降塵效果，隨著表面活性劑濃度的增大降塵率基本呈上升趨勢，當(dāng)復(fù)配表面活性劑濃度為0.1%時PM10、PM2.5和PM1.0的去除率分別達(dá)到了86.2%、84.5%和76.5%。

圖5 復(fù)配表面活性劑的降塵率Figure 5 Dust control rate of compound surfactants

2.4 表面活性劑的降塵機理

大多數(shù)粉塵表面具有低能量，而水溶液具有高表面張力，因此水分子很難穩(wěn)定吸附在粉塵表面，導(dǎo)致自來水的降塵效率較低［2］。通過添加表面活性劑可以有效提高噴霧的降塵效率。

表面活性劑由親水基團(tuán)和親油基團(tuán)組成，其中親油基團(tuán)受到水分子排斥而延伸至氣相，而親水基團(tuán)則受到水分子吸引而伸入水相。當(dāng)溶液中表面活性劑濃度很低時，其會首先吸附在溶液表面［19］，并且在溶液表面定向排列形成界面吸附膜，使大部分水-空氣界面被表面活性劑分子-空氣界面所取代。隨著同種表面活性劑分子在液面處的聚集增多，其濃度越高，表面張力降低得越多，當(dāng)液面完全被表面活性劑分子覆蓋時表面張力降低至最低。親油基團(tuán)在水和粉塵顆粒之間起紐帶作用，可使粉塵顆粒突破表面吸附的空氣膜，促進(jìn)水在粉塵顆粒上的潤濕和凝結(jié)［20］?？諝庵械募?xì)小粉塵顆粒凝結(jié)成核并形成團(tuán)聚物，這些團(tuán)聚物隨著進(jìn)一步吸附更多的顆粒物而增大，導(dǎo)致發(fā)生重力沉降或濕沉降，從而達(dá)到提高降塵效率和凈化空氣的目的。

3 結(jié)論

（1）實驗測定了6 種不同類型表面活性劑的表面張力和潤濕性，其中陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑的性能明顯優(yōu)于兩性離子表面活性劑，更適合用做降塵劑材料。

（2）篩選出性能優(yōu)良的表面活性劑APG、1 307和APG-ET。以APG 為主，使其與另外兩種表面活性劑進(jìn)行二元或三元復(fù)配，結(jié)果表明復(fù)配活性劑均可產(chǎn)生協(xié)同增效的效果。

（3）綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和處理效果，選取三元復(fù)配體系的降塵劑，其配比為m（APG）：m（1307）：m（APG-ET）=6：2：2。當(dāng)復(fù)配表面活性劑的質(zhì)量濃度為0.1% 時，體系的表面張力可降至23.13 mN·m-1，粉塵的沉降時間為10 s，對PM10、PM2.5和PM1.0的去除率分別達(dá)到86.2%、84.5%和76.5%。