煤炭作为基础能源是国民经济和社会发展的重要战略物资, 随着我国经济的快速发展, 市场对煤炭的需求量急剧增加, 因而合理有效的解决煤炭行业带来的问题显得尤为重要。近年来, 粉尘污染已成为世界公害之一, 而煤炭行业带来的煤尘正是主要祸害之一。煤炭的生产、装卸、破碎、运输、加工等各个作业段都会产生煤尘。加之我国煤炭产地与消费基地在地理上的错位性布局, 使得煤炭的公路、铁路运输不可避免, 由之而产生的运输沿线的粉尘[1], 在机动车经过时产生二次扬尘, 形成一条污染带, 对于周边的生态环境造成很大的污染。
采取煤炭扬尘控制措施已迫在眉睫, 而目前被广泛应用的抑尘产品[2~3], 大多快干性能较差, 这影响了抑尘剂的使用, 因而研制出一种干燥速度较快, 而抑尘性能较好的煤炭抑尘剂对煤炭粉尘的治理有较大的意义。
主要原料:聚乙烯醇 (PVA-124) , 北京化学试剂公司;玉米淀粉, 福建滕州美思特食品有限公司, 一级品;可溶性淀粉, 汕头市西陇化工厂有限公司, 分析纯;红薯淀粉, 北京味美发食品有限公司, 食用一级品;N, N-亚甲基双丙烯酰胺, 天津市科密欧化学试剂有限公司, 分析纯;过硫酸铵 ( (NH4) 2S2O8, 228.20) , 北京益利精细化学品有限公司;膨润土, 河北滦县。
(1) 课题来源:由中央高校基本科研业务费资助项目和大学生创新项目资助。通信作者:刘红樱, 中国矿业大学 (北京) 化学与环境工程学院, 副教授。
仪器:JS-306型秒表, 深圳市君斯达实业有限公司;JJ-500型精密电子天平, 常熟双杰测试仪器厂;ZD79-B型真空干燥箱, 北京兴争仪器设备厂;76-1型恒温水浴槽, 常州国华电器有限公司;JJ-1型增力电动搅拌器, 江苏省金坛市宏华仪器厂;乌氏黏度计, 上海玻璃仪器一厂。
取三口烧瓶, 加入适量的水, 放入恒温水浴槽中, 加入14.00g聚乙烯醇, 开动搅拌器, 搅拌60min, 升温至90℃使其完全溶解, 然后停止加热和搅拌, 待降温至60℃加入引发剂10mL (由过硫酸铵配制而成) , 搅拌10min, 再加入5.60g不同种类的已经过氧化糊化处理的淀粉 (4、5、6组需分别加入6.30g膨润土) , 搅拌均匀后加入交联剂10mL (由N, N-亚甲基双丙烯酰胺配制而成) 并加热升温, 温度控制在75℃左右, 停止搅拌, 保温30min, 降至室温即得产品。
称取一定量抑尘剂, 用容量瓶配制浓度为C (g/mL) 的高聚物溶液。用乌氏黏度计在恒温水浴中恒温 (25±0.1℃) , 分别测出纯溶剂蒸馏水在黏度计毛细管中的三个流出时间 (三次测定值两两误差不超过0.2s) , 取这三次时间的平均值t0。同理测得抑尘剂溶液在黏度计毛细管中的三个流出时间, 取平均值t1, 并根据以下两式求出相对黏度和增比黏度:
试样溶液浓度应使ηr在1.05~2.5之间较为适宜, ηr最大不应超过3.0。
因对于抑尘剂, 在一定温度下, 其溶液的黏度对浓度有一定的依赖关系[4,5], 表示该关系的两个经验公式是:哈金斯 (Huggins) 方程和克拉默 (Kraemer) 方程。由黏度与相对分子质量的关系马克-豪温克 (Mark Houwink) 方程[6]即可求得样品的相对分子质量。
(1) 式中, K为哈金斯参数;α为与扩张因子有关的参数。K、α与温度、聚合物种类和溶剂性质有关。对给定的聚合物-溶剂体系, 一定的相对分子质量范围内二者的值可从有关手册中查到, 查得25℃时聚乙烯醇在水的溶剂中K=6.7×10-4, α=0.55。
将等量的6种抑尘剂样品均匀地涂于已编号的相同瓦楞纸板上, 使瓦楞纸板两两粘接, 并随即分别称量此时的六块已粘接瓦楞纸板的重量W1, 再将瓦楞纸板置于室温下自然干燥, 并分别称量经过n小时后六块瓦楞纸板重量W2。计算此时样品的失水速率, 失水速率越大样品快干性越好。
失水速率= (W1-W2) /W1×100%
将等量的6种抑尘剂样品均匀地涂于已编号的相同材质、同样规格的瓦楞纸板上, 使瓦楞纸板两两粘接, 且六组瓦楞纸板中间各叠放相同的布带, 用简易拉伸强度试验仪测量试样直至断裂为止所承受的最大应力, 最大应力越大, 拉伸强度越好。
采用玉米淀粉、可溶性淀粉和红薯淀粉与聚乙烯醇交连, 并配入膨润土, 制备出6种抑尘剂, 六种抑尘剂的组成如表1。
抑尘剂的许多优良物理力学性能都与其相对分子质量有关, 当抑尘剂相对分子质量较高时, 它的强度、韧性和抗化学腐蚀较好。但如果相对分子质量太大, 则会影响高聚物的流变性能及水溶性。
对上述6种抑尘剂的相对分子质量的进行测定, 所得数据如表2。
由表2可知, 各ηr值在1.066~1.526之间, 满足相对黏度的范围要求。所有抑尘剂样品的相对分子质量都处于105数量级水平。大体看来, 在浓度为0.005、0.003g/mL时, 含可溶性淀粉的抑尘剂相对分子质量最大, 相对于其他两种抑尘剂而言, 由可溶性淀粉制备的抑尘剂的相对分子质量至少高2×104, 而由红薯淀粉制备的抑尘剂相对分子质量最低。
6种抑尘剂样品的失水数据如图1所示。失水速率越快, 抑尘剂的快干性能越好, 这将有利于抑尘剂的快速结膜, 避免了抑尘剂因低温冻融及雨水稀释而影响其固化效果。
注:W1, W2分别为样品经过4h和6h后的失水速率。
注:以上数据均依据当地重力加速度为g=9.801m·s-2求得。
从图1中可以看出, 加入膨润土后含可溶性淀粉的抑尘剂经过最短的时间约4h, 质量便已达到基本恒定, 相对于达到质量恒定消耗时间最长者 (即3号抑尘剂) 约7.5小时, 节约了46.7%的时间。
对样品经过4h和6h后的失水率分别进行测定, 其测定结果见表3。通过表3对6种抑尘剂样品失水速率的测定结果分析可知, 不加膨润土时, 含红薯淀粉的抑尘剂失水速率最快, 而加入膨润土后含红薯淀粉的抑尘剂失水速率明显变小, 比不加膨润土时减慢了12.3%, 而含可溶性淀粉的抑尘剂在加入膨润土后失水速率显著提升, 由不加膨润土的11.82%上升了2.15个百分点, 涨幅约18.2%, 含玉米淀粉的抑尘剂在加入膨润土后失水速率虽有提高, 但仍不及含可溶性淀粉的抑尘剂, 因此可溶性淀粉制备的抑尘剂失水速率最大, 即快干性最好。
对6种抑尘剂的拉伸强度进行测定, 经处理后的数据如表4。
拉伸强度越大, 抑尘剂固化后的柔韧性将越好, 在各种外力作用下不易破裂。3种含不同种类淀粉的抑尘剂在加入膨润土后其拉伸强度均有所提高, 从增长幅度来看, 含可溶性淀粉的抑尘剂比其他两种抑尘剂的增幅都要大, 提高了0.082N/cm2。
(1) 与含玉米淀粉或红薯淀粉的抑尘剂相比较, 含可溶性淀粉的抑尘剂相对分子质量较大, 失水率较快, 拉伸强度最大, 综合性能最优越。
(2) 含可溶性淀粉或玉米淀粉的抑尘剂, 添加河北滦县膨润土后, 大大提高了抑尘剂的快干性, 从而有效地增强了煤炭抑尘剂的质量。
摘要：目前, 我国已开发了多种煤炭抑尘剂, 但这些煤炭抑尘剂在使用过程中的快干性能有待提高, 同时这些抑尘剂的开发成本较高, 不能满足工业化需求。本实验用不同种类的淀粉进行改性, 并与聚乙烯醇进行交连反应, 通过加入膨润土强化抑尘剂的快干性能, 制备出了粘结性好、固化层强度高、快干性能较优异的煤炭抑尘剂。
关键词：煤炭抑尘剂,改性淀粉,膨润土,快干
[1] 李杰, 王亚娥, 王志盈.散煤在铁路运输过程中的扬尘控制研究[J].铁道劳动安全卫生与环保, 2005, 32 (1) :45～47.
[2] 李万捷, 陈庆柏.运输用聚乙烯醇/丙烯酸接枝共聚共混物抑尘剂的制备及特性[J].煤炭学报, 2010, 7 (35) :7.
[3] 刘瑞兴.几种新的防尘剂及其防尘效果[J].工业安全与防尘, 1988 (2) :33～35.
[4] 夏玉宇.化学实验手册 (第2版) [M].北京:化学工业出版社, 2008.
[5] 张兴英, 李齐方.高分子科学实验 (第2版) [M].北京.:化学工业出版社, 2007.
[6] 何平笙.高聚物的结构和性能[M].北京:科学出版社, 2009.
