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新型抑尘剂的合成及应用
发布于:2017/4/13 9:27:08
 

淀粉接枝共聚丙烯酸-丙烯酰胺煤尘抑尘剂的合成及应用


                       李翔,李长有

              (河南城建学院化学化工系,河南平顶山467044)

     摘 要:以淀粉为亲水主链,丙烯酸和丙烯酰胺为接枝单体,利用加聚反应合成了新型煤尘抑尘剂.从保湿、凝 聚和固结机理出发,测试了其水溶性、吸水保水能力、黏度,以及对煤尘的渗透性和润湿性、凝聚能力、固结能力, 评价了其应用性能.结果表明,所合成的煤尘抑尘剂对煤尘具有长效抑尘作用.

     关键词:淀粉;丙烯酸;丙烯酰胺;接枝共聚;煤尘;抑尘剂

煤炭扬尘是煤炭生产和使用企业以及矿区城市主要的大气污染尘源之一.由于煤尘中的绝大多数粉尘 属于可吸入颗粒物,人体吸入后会严重危害身体健康.据统计,我国与煤炭工业相关的尘肺病在各类尘肺病 患者中人数最多,比例也最高[1].除此之外,煤炭扬尘还会引发安全事故,例如企业的煤炭堆料厂,由于煤炭 扬尘会在供热管道、电缆等处沉积、自燃,从而引发火灾[2].因此,采取煤炭扬尘控制措施,即是煤炭生产和 使用企业降低污染物排放、安全生产的主要措施,也是矿区城市保护环境,实现全面、协调、可持续发展的重 要措施.

目前常采用洒水的方法抑制煤炭扬尘.洒水抑尘的主要作用在于润湿颗粒细小的干燥煤尘,使其相对 密度增大,并粘结成较大的颗粒,使之在外力作用下不能飞扬.这种方法虽然简便易行,但由于煤尘与水分 之间的结合力很弱,水分很容易蒸发,满足不了长期有效抑尘需求,必须定期洒水才能有效抑尘,水资源耗费 量很大.因此开发新型廉价优质的煤炭抑尘用新材料是非常必要的.通过实验室研究,合成了吸水保水树 脂抑尘剂.该材料无毒害、无污染,具有较高吸水保水能力,对煤尘具有保湿、凝并和固结作用,能够有效抑 制煤炭扬尘.

1 实验部分

1.1 原料与仪器

玉米淀粉(市售);丙烯酸(天津市凯通化学试剂有限公司,减压蒸馏处理除去阻聚剂);丙烯酰胺(天津市 福晨化学试剂厂);过硫酸铵(洛阳市化学试剂厂);N,N-亚甲基双丙烯酰胺(北京化工厂);氢氧化钠(天津 市凯通化学试剂有限公司);煤尘(平顶山市煤矿区).

100 mL三口烧瓶;超级恒温水浴槽(杭州蓝天化验仪器厂,501A型);垂直多用振荡器(江苏省金坛市环 宇科学仪器厂,HY-1型);数字黏度计(上海精密科学仪器有限公司,SNB-1型);电热恒温鼓风干燥箱(浙江 汇尔仪器设备有限公司,DHG-9240A型);鼓风机(东莞市全风环保设备有限公司,RB-2000A型);粉尘测定 仪(南京庚辰科学仪器厂,P5-L2C型).

1.2 合成原理

吸水保水树脂一般都具有大分子空间网络结构,并且分子链上存在大量亲水性集团,如羧基、酰胺基、羟 基、氨基、磺酸基等而具有吸水保水能力.此类树脂的合成一般都采用烯类单体的加聚反应,通过单体的聚 合反应引入亲水性功能基团并形成网络结构[3].在本文的研究中,选择淀粉为亲水主链,丙烯酸和丙烯酰胺 为接枝单体,由自由基引发聚合反应,再通过交联作用,合成吸水保水树脂型煤尘抑尘剂.

1.3 合成工艺流程

取一定量的丙烯酸,在冰水浴条件下缓慢滴加浓度为50%的NaOH溶液,按70%中和度(相对于丙烯 酸的物质的量百分数,下同)对丙烯酸进行中和,然后放置备用.取40%的玉米淀粉于容器中,加入适量水, 在80℃下糊化30 min,放置冷却.待糊化淀粉冷却至室温后,加入按预定中和度中和后的丙烯酸,然后将容 器放置在康氏振荡器上震荡5 min,使反应物充分混合.混合后,将0.3%的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺 加入到反应混合物中,在55℃下反应3 h,得产物1.再加入50%的丙烯酰胺和0.05%的引发剂过硫酸铵, 在70℃下反应3 h,得产物2.然后将反应容器的黏稠液体倒出,在室温下放置冷却既得最终产品.流程图 见图1.

 

2 结果与讨论

2.1 抑尘剂的外观和水溶性

按照该合成方法制备的抑尘剂外观为具有一定黏度的淡黄色黏稠状液体,流动性较差.通过水溶性实 验发现,该抑尘剂可溶于水,所形成的水溶液不透明并具有黏性.将该溶液静置24 h,溶液仍不沉淀、不分 层.

2.2 抑尘剂的有效浓度和喷淋量

通过对采集煤尘的实际测试以及在煤炭堆料厂的现场应用,该抑尘剂的有效浓度为32 g/L水(折算成 原料含量为0.8%),有效喷淋量为1.2 L/m2,在此条件下抑尘剂溶液可以长时间有效地抑制煤尘扬尘.

2.3 抑尘剂溶液的黏度

配置32 g/L水的抑尘剂溶液,用数字黏度计测试其黏度(33℃,1号转子,转速为60 r/min).经测试, 该浓度溶液的黏度为6.2.

2.4 抑尘剂溶液对煤尘的渗透性和润湿性

将煤尘过120目筛,称取15 g装入10×150 mm的平口试管中,并把煤尘压实至煤尘层高为7.5 cm.把 抑尘剂溶液滴加到捣实的煤尘上方,开始计时,并观察溶液向下渗透情况.经测试,溶液在1分钟内向煤尘 下渗透了3.5 cm,并且溶液将煤尘层全部润湿无断层,这说明该溶液对煤尘有较好的渗透性和润湿性.

2.5 抑尘剂溶液对煤尘的凝聚性

将煤尘浸润在抑尘剂溶液中,开始计时,并注意观察煤尘的凝聚情况.经测试,在48 s时煤尘开始在抑 尘剂溶液中凝聚,在260 s时,煤尘凝聚成团,说明该抑尘剂溶液对煤尘有较好的凝聚性.

2.6 固结煤尘的抗破坏性

将煤尘过120目筛,把抑尘剂溶液喷洒在过筛后的煤尘上,于自然状态下蒸发干燥.取其表面固结层装 入瓶中,在振荡器上震荡4 h,过筛,称重,统计固体颗粒粒径分布状况.经统计计算,粒径在20目以上的占 50%,20~60目的占2.5%,60~120目的占32.5%,120目以上的占15%.由此可见,该溶液对煤尘有明显 的固结作用,并且所形成的固结煤尘层具有较高的抗破坏性.

2.7 抑尘剂的吸水保水能力

将煤尘在45℃下充分干燥,放置冷却,称重.把抑尘剂溶液按有效喷淋量喷洒在煤尘表面,称重,然后 在一定条件下失水、干燥,称重,计算其含水量.经测试,喷淋抑尘剂的煤尘在45℃的电热恒温鼓风干燥箱 内鼓风干燥8 h,能保持50%的含水量;在室外(夏季,32~37℃,自然通风)放置24 h能保持75%的含水量, 放置6 d仍保持有35%的含水量.由此可见,该抑尘剂由于自身不断的吸湿放湿,具有较好的吸水保水能 力,在夏季高温条件下,仍能使煤尘在6 d内保持润湿,可以起到较好的抑尘效果.

2.8 抑尘剂的实际应用性能

在平顶山市某企业选定两处相邻的露天实验煤堆,这两处煤堆均呈圆锥形,面积约35 m2.将配置好的 抑尘剂溶液按1.2 L/m2的喷淋量通过肩负式喷雾器均匀地喷洒在其中一煤堆表面,观察到溶液把煤堆表面 润湿后很快向下渗透,没有径流出现.第二天在现场观察到此煤堆表面已经形成约5 mm厚的固化层,该固 化层致密连续无裂缝,煤堆表面基本没有自由煤尘存在.第六天利用鼓风机模拟5级风向煤堆送风,并在煤 堆下风向1 m、高1.5 m处利用P5数字粉尘测定仪测定扬尘量.经测试,喷洒抑尘剂溶液煤堆的总悬浮物颗 粒TSP值为0.27 mg/m3,未喷洒抑尘剂溶液煤堆的TSP值为1.4 mg/m3,二者相差五倍之多.由此可见, 该抑尘剂能够起到良好的抑制煤炭扬尘的效果.

结论:以玉米淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺为原料,采用加聚原理合成了具有水溶性的吸水保水树脂型煤尘抑 尘剂.该抑尘剂对煤尘具有润湿、凝并和固结的协同作用,能够长期有效地起到抑制煤炭扬尘作用,并且无 毒害,不会对环境造成二次污染.该抑尘剂全部采用碳、氢化合物制成,在煤炭燃烧过程中随之分解,不会对 煤的使用造成影响.

 
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