CN105349104A - 一种基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂及其使用方法，该抑尘剂由浓缩菌液和钙离子溶液两组分组成，所述浓缩菌液的菌种为胶质芽孢杆菌，该浓缩菌液浓度为10¹⁰-10¹¹cells/mL，所述钙离子溶液为可溶性钙盐溶液，钙离子浓度为0.1mol/L～2mol/L，胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液的体积配比为1:10～1.5:10。该方法为：将胶质芽孢杆菌与可溶性钙盐溶液按配比均匀混合后向煤炭的上表面均匀喷洒；处理表面积为1m²的煤炭，所需的抑尘剂用量为2.5～4L，根据运输所需时间可通过增加钙离子溶液浓度以适应抑尘时间。本发明的微生物抑尘剂对煤炭运输过程中产生的飞尘抑尘效果明显，具有较好的环境友好性和经济性。

Description

一种基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂及其使用方法

技术领域

本发明属于微生物学领域和环境保护领域的交叉科学技术，涉及一种新型煤炭运输用微生物抑尘剂的制备及其使用方法。

背景技术

中国是产煤大国，煤炭运输总量的70％需要靠铁路运输。其中2005年仅大秦铁路一条线路就运送超过2亿吨煤炭，而2014年这个数字已经为4亿吨，为当年设计能力的4倍。而煤炭进行长距离运输时，为了装卸方便通常使用无盖车厢。根据我国现有散装货运列车时速一般为70km/h推算，煤矿粉需要在经受19.4m/s(无风条件下)的风速侵蚀，不仅损耗巨大(平均一节C70型号车厢损失1t煤炭)也严重污染了运输路线及其周边的环境。

目前，煤炭铁路运输主要采用洒水与有机抑尘剂喷洒两种方式抑尘。仅洒水抑尘的时间有限同时效果并不明显，当水分蒸发后再承受高速风蚀，会导致煤炭再次处于无限制状态，被吹出车厢造成损失和污染。使用有机抑尘剂喷洒对煤炭进行抑尘时，其抑尘时间不可调，且抑尘成本相对较贵，有部分抑尘剂的生产过程会污染环境，且使用到多种组分增加使用难度，同时带来自动化上的不便利性，实际得到推广应用的并不多见。

本发明为一种基于微生物制备的新型煤炭运输用抑尘剂，具有抑尘时间可调、经济性良好和环境友好等特性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂及其使用方法。达到减低煤炭运输过程中损失的作用，煤炭风蚀率降低效果好，处理过程中仅有微生物产生的碳酸酐酶吸收大气中的CO₂，同时通过调节钙离子浓度来改变抑尘时间。

技术方案：本发明的基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂由浓缩菌液和钙离子溶液两组分组成，所述浓缩菌液的菌种为胶质芽孢杆菌，该浓缩液浓度在10¹⁰-10¹¹cells/mL之间，所述钙离子溶液为可溶性钙盐溶液，钙离子浓度为0.1mol/L～2mol/L，胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液的体积配比为1:10～1.5:10。

本发明的基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂的使用方法为：将胶质芽孢杆菌与可溶性钙盐溶液按配比均匀混合后向煤炭的上表面均匀喷洒，处理表面积为1m²的煤炭，所需的抑尘剂用量为2.5～4L，根据运输所需时间可通过增加钙离子溶液浓度以适应抑尘时间。

为反应运输环境下处理煤炭后受温度和风速的影响，将经微生物抑尘剂处理后的煤炭放置于大气条件下4h，处理温度40℃～50℃进行烘干，然后进行抗风蚀和耐久性试验。试验结果表明，经抑尘剂处理后的煤炭表面有明显的固结层，固结层光滑平整，抗风蚀性强，并具有良好的耐久性。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、胶质芽孢杆菌生长繁殖过程中产出胞外多糖组分，随菌液一起浓缩，在与钙盐混合后喷洒会形成具有胶结能力的物质，达到固结煤炭表层飞尘的作用，固结效果好，且无有任何有毒有害气体产生，具有优异的环境友好性。

2、与传统的抑尘技术相比，本发明的抑尘剂中的胶质芽孢杆菌代谢产生的碳酸酐酶，碳酸酐酶能捕获空气中CO₂，促进CO₂的水合作用，在Ca²⁺存在的条件下，与胞外多糖共同形成具有胶结能力的物质，提供更优良的抗风蚀性能与耐久性，且抑尘时间可调，从而获得较好的经济性。

3、抑尘效果明显，与洒水抑尘相比，抗风蚀性能大大提高，从试验结果来看，在20m/s风洞测试下的损失率在0.5％左右，多种温度环境下抗老化性能较好，分析其较好的耐久性源于抑尘剂的两种固结机理共同作用，适用范围更加广阔。

4、微生物抑尘耐水性较好，模拟雨水冲蚀循环，经过3次冲蚀循环后，质量损失率在1％以下，煤炭表层仍能够保持固结状态，有效阻碍了煤尘的迁移，而仅洒水处理的煤炭表层经过1次循环后即被完全冲蚀。

附图说明

图1为洒水处理和基准钙离子浓度(0.5mol/L)下微生物抑尘剂处理后的煤炭不同时间(0～8h)后的风蚀率(风速30m/s时间5min)变化曲线；

图2为洒水处理和微生物抑尘剂处理后的煤炭冲蚀循环次数与质量损失率的关系；

图3为不同钙离子用量(0.1～1.0mol/L)微生物抑尘剂处理后的煤炭不同时间后的风蚀率变化曲线。

具体实施方式

本发明所用细菌为胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginous)，能代谢产生胞外多糖与碳酸酐酶。

本发明基于微生物制备的新型抑尘剂及其使用方法，方法步骤如下：

(1)获取胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginous)菌液：将胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginous)菌株湿细胞接种于灭菌后的培养基溶液，每升培养基含有蔗糖7～13g、Na₂HPO₄·12H₂O1～4g、MgSO₄0.3～0.7g、CaCO₃0.5～1.5g、KCl0.1～0.3g、(NH₄)₂SO₄0.2～0.6g、酵母提取物0.1～1.0g，并控制pH为7～8，于30～37℃下振荡培养，待达到细菌生长稳定期且具有一定剪切粘度(0.010Pa·s附近)时停止培养，胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginous)的菌液浓度为10⁹～10¹⁰cells/mL，最后进行浓缩，浓缩至菌液浓度为10¹⁰～10¹¹cells/mL，；

(2)钙源选取：钙源选用可溶性钙盐溶液，如：CaCl₂、CaNO₃等，保证钙离子浓度为0.1～2.0mol/L；

(3)将胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液均匀混合制成微生物抑尘剂，胶质芽孢杆菌菌液和可溶性钙盐溶液的配比为1:10～1.5:10；

(4)选取10目～30目的煤样，在烘箱中50℃的条件下烘300min，除去水分。取适当量的煤盛放于(300mm×210mm×30mm)搪瓷托盘，使煤层表面与托盘平齐，并分别进行称重，其中煤的质量为w₁。将托盘中按比例喷洒抑尘剂，在烘箱中50℃的条件下烘120min之后放入风洞中，煤层表面风速为30m/s的条件下进行5min的吹蚀，然后进行称重，剩余煤的质量为w₂。然后按下列公式计算样品风蚀率：

$E=\frac{w_1-w_2}{w_1}\×100\%$

式中：

E——样品风蚀率；

w₁——吹蚀前煤的质量；

w₂——吹蚀后煤的质量。

(5)实验需要做两组样品的风蚀率并取其平均值。

图1显示洒水处理和微生物抑尘剂处理后的煤炭风蚀量随时间变化的情况，可看出：洒水处理的风蚀量已较微生物抑尘大，4h后两组别差距进一步拉大，8h后洒水抑尘组风蚀量总量为412.7g，微生物抑尘组风蚀总量为7.6g，相比于洒水处理(8h总风蚀率21.80％)，采用微生物抑尘剂的抑尘效果更好(8h总风蚀率0.41％)，分析其较好的抗风蚀性能源于微生物抑尘剂的胞外多糖胶粘作用以及碳酸酐酶诱导碳酸钙沉积固结的双重作用。

(6)为反应实际环境下处理后的煤炭受雨水蚀的影响：微生物抑尘剂处理后耐久性主要为雨水循环冲蚀后是否还能保持固结状态，模拟雨水冲刷，流量为3L/min，冲入角度为30°，每次循环先用水冲蚀10min，然后放入烘箱干燥后称量质量，计算各组别质量损失，共循环3次，对比洒水处理组和微生物抑尘组的耐久性。实验结果见图2，分析图2可知：3次循环过程中微生物抑尘组质量损失率都在1％以下，洒水抑尘经过3次循环后完全冲蚀，微生物抑尘剂3次循环后质量损失率小于5％，耐久性良好。

(7)选用可溶性钙盐溶液，钙离子浓度分别为0.1mol/L、0.2mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L；配置好对应的微生物抑尘剂；取10～30目的煤样置于多个(300mm×210mm×30mm)搪瓷托盘中，在烘箱中50℃的条件下烘300min，除去水分并分别称重；取不同钙离子浓度的微生物抑尘剂均匀喷洒于不同煤样表面，抑尘剂用量为160mL；在烘箱中50℃的条件下烘120min之后放入风洞中，煤样表面风速为30m/s的条件下进行5min的吹蚀，然后分别进行称重；放置在室外进行冷热循环，每24h进行一次煤样表面风速为30m/s下5min的吹蚀，并分别进行称重，循环5次；风蚀率结果如图3所示，使用高浓度(1mol/L)钙离子溶液配置的微生物抑尘剂可提供长达5天以上的抑制效果。

实施例1：

(1)称取蔗糖13g、Na₂HPO₄·12H₂O4g、MgSO₄0.7g、CaCO₃1.5g、KCl0.3g、(NH₄)₂SO₄0.6g、酵母提取物0.5g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌菌株湿细胞接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h，之后浓缩至原始菌液浓度的10倍；

(2)选用可溶性钙盐溶液，如：CaCl₂、CaNO₃等，钙离子浓度为0.5mol/L；

(3)将胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液均匀混合制成微生物抑尘剂，胶质芽孢杆菌菌液和可溶性钙盐溶液的配比为1:10；

(4)取10～30目的煤样置于(300mm×210mm×30mm)搪瓷托盘中，在烘箱中50℃的条件下烘300min，除去水分并称重；取微生物抑尘剂均匀喷洒于煤样表面，抑尘剂用量为160mL；在烘箱中50℃的条件下烘120min之后放入风洞中，煤层表面风速为30m/s的条件下进行5min的吹蚀，然后进行称重；

实施例2：

(1)称取蔗糖13g、Na₂HPO₄·12H₂O4g、MgSO₄0.7g、CaCO₃1.5g、KCl0.3g、(NH₄)₂SO₄0.6g、酵母提取物0.5g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌菌株湿细胞接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h，之后浓缩至原始菌液浓度的10倍；

(2)选用可溶性钙盐溶液，如：CaCl₂、CaNO₃等，钙离子浓度为0.5mol/L；

(3)将胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液均匀混合制成微生物抑尘剂，胶质芽孢杆菌菌液和可溶性钙盐溶液的配比为1:10；

(4)取10～30目的煤样置于(300mm×210mm×30mm)搪瓷托盘中，在烘箱中50℃的条件下烘300min，除去水分并称重；取微生物抑尘剂均匀喷洒于煤样表面，抑尘剂用量为160mL；在烘箱中50℃的条件下烘120min；

(5)为反应实际环境下处理后的煤炭受雨水蚀的影响：微生物抑尘剂处理后耐久性主要为雨水循环冲蚀后是否还能保持固结状态，模拟雨水冲刷，流量为3L/min，冲入角度为30°，每次循环先用水冲蚀10min，然后放入烘箱干燥后称量质量，计算各组别质量损失，共循环3次，对比洒水处理组和微生物抑尘组的耐久性。实验结果见图2，分析图2可知：3次循环过程中微生物抑尘组质量损失率都在1％以下，洒水抑尘经过3次循环后完全冲蚀，微生物抑尘剂3次循环后质量损失率小于5％，耐久性良好。

实施例3：

(1)称取蔗糖13g、Na₂HPO₄·12H₂O4g、MgSO₄0.7g、CaCO₃1.5g、KCl0.3g、(NH₄)₂SO₄0.6g、酵母提取物0.5g于1000mL去离子水中溶解，配置成所需培养基溶液，调节pH为7，125℃高温下灭菌25分钟后取出待冷却，将胶质芽孢杆菌菌株湿细胞接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养时间24h，之后浓缩至原始菌液浓度的10倍；

(2)选用可溶性钙盐溶液，如：CaCl₂、CaNO₃等，钙离子浓度分别为0.1mol/L；0.2mol/L；0.5mol/L；1.0mol/L；

(3)将胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液均匀混合制成微生物抑尘剂，胶质芽孢杆菌菌液和可溶性钙盐溶液的配比为1:10；

(4)取10～30目的煤样置于多个(300mm×210mm×30mm)搪瓷托盘中，在烘箱中50℃的条件下烘300min，除去水分并分别称重；取不同钙离子浓度的微生物抑尘剂均匀喷洒于不同煤样表面，抑尘剂用量为160mL；在烘箱中50℃的条件下烘120min之后放入风洞中，煤样表面风速为30m/s的条件下进行5min的吹蚀，然后分别进行称重；放置在室外进行冷热循环，每24h进行一次煤样表面风速为30m/s下5min的吹蚀，并分别进行称重，循环5次。

Claims (2)

1.一种基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂，其特征在于，该抑尘剂由浓缩菌液和钙离子溶液两组分组成，所述浓缩菌液的菌种为胶质芽孢杆菌，该浓缩菌液浓度为10¹⁰-10¹¹cells/mL，所述钙离子溶液为可溶性钙盐溶液，钙离子浓度为0.1mol/L～2mol/L，胶质芽孢杆菌浓缩菌液与可溶性钙盐溶液的体积配比为1:10～1.5:10。

2.一种如权利要求1所述的基于微生物制备的煤炭运输用抑尘剂的使用方法，其特征在于该方法为：将胶质芽孢杆菌与可溶性钙盐溶液按配比均匀混合后向煤炭的上表面均匀喷洒；处理表面积为1m²的煤炭，所需的抑尘剂用量为2.5～4L，根据运输所需时间可通过增加钙离子溶液浓度以适应抑尘时间。