CN110591647B - 一种抑尘剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑尘剂及其制备方法和应用，属于道路抑尘领域。本发明抑尘剂的制备方法包括：将纤维素酶、水和秸秆混合，进行酶解反应，加入增稠剂或粘合剂，得到抑尘剂。本发明以秸秆为原料，通过纤维素酶进行降解，木聚糖和纤维素等大分子糖类被降解为低分子糖类；低分子糖类溶于上层清液中，喷洒后水分蒸发，路面由于残留糖类物质，形成一层软质黏膜层，能够长时间保持吸湿能力，从而使路面保持相对潮湿的环境，抑制扬尘产生；同时形成的软质黏膜层还可与路面很好的结合；通过添加增稠剂或粘合剂，有利于提高抑尘剂黏度，能够有效粘附路面扬尘，从而加强抑尘效果；再有，软质黏膜层不易干燥成壳，因此还具有较好的抗碾压效果。

Description

一种抑尘剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及道路抑尘技术领域，尤其涉及一种抑尘剂及其制备方法和应用。

背景技术

道路根据实际应用场景主要包括碎石路面、干硬性混凝土路面和铺装沥青路面等几种。干硬性混凝土路面以及铺装沥青路面存在干旱天气尘土飞扬、路面易开裂、维护相对麻烦等劣势，同时大量车辆行驶容易使路面二次起尘，严重影响城市大气环境。

目前针对铺装沥青道路和干硬性混凝土路面产生的扬尘问题普遍采用洒水车洒水的方式来解决，但水蒸发速度快，在晴热天气平均每天需洒水5～7次，成本高并且浪费水资源。在洒水抑尘的基础上，近年来，向水中加入卤素无机盐等制成的吸湿型化学抑尘剂以及以吸水树脂溶胶制成的超强吸水型抑尘剂也见于城市道路抑尘，但是仍然存在环境友好性差、损坏路面以及成本高等问题。城市道路面积广阔，车流量大，有必要对道路场景专门优化制备出道路抑尘剂，使其具有抗碾压、粘附效果好、绿色环保成本低等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑尘剂及其制备方法和应用，本发明的抑尘剂以农业废弃物秸秆为原料，具有绿色环保、成本低的优点，同时本发明的抑尘剂还具有良好的粘附效果和抗碾压效果，适合于铺装沥青道路和干硬性混凝土路面。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：

将纤维素酶、水和秸秆混合，进行酶解反应，加入增稠剂或粘合剂，得到抑尘剂。

优选的，所述纤维素酶包括木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶，所述木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶的质量比为(1～4)∶(1～4)∶(1～4)∶(1～2)。

优选的，所述纤维素酶、水和秸秆的质量比为(0.01～2)∶(280～340)∶(5～10)。

优选的，所述酶解反应的温度为45～60℃。

优选的，所述秸秆为玉米秸秆或高粱秸秆；所述秸秆的粒径为1～2mm。

优选的，所述混合前，将水加热至45～55℃，pH值调整为6～7。

优选的，所述增稠剂包括羧甲基纤维素钠；所述粘合剂包括聚乙烯醇或丙烯酸酯。

优选的，所述增稠剂或粘合剂的用量不超过各制备原料总质量的1‰。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的抑尘剂。

本发明还提供了上述方案所述抑尘剂在道路抑尘中的应用。

本发明提供了一种抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：将纤维素酶、水和秸秆混合，进行酶解反应，加入增稠剂或粘合剂，得到抑尘剂。本发明以农业废弃物秸秆为原料，通过纤维素酶进行降解，木聚糖和纤维素等大分子的糖类被降解为纤维二糖以及单糖等低分子糖类；低分子糖类溶于上层清液中，喷洒后，水分蒸发，路面由于残留糖类物质，形成一层软质黏膜层，能够长时间保持吸湿能力，从而使路面保持相对潮湿的环境，抑制扬尘产生；同时形成的软质黏膜层还可与路面很好的结合；此外，通过添加增稠剂或粘合剂，有利于提高抑尘剂的黏度，能够有效粘附路面扬尘，从而加强抑尘效果；再有，软质黏膜层不易干燥成壳，因此还具有较好的抗碾压效果，适合于铺装沥青道路和干硬性混凝土路面。

本发明的抑尘剂原料为可降解的农业废弃物秸秆、生物酶以及微量的增稠剂或粘合剂，对道路环境影响小，使用成本低，且能够实现农业废弃物的再利用。

附图说明

图1为实施例3制备的抑尘剂和水的蒸发量随时间变化曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：

将纤维素酶、水和秸秆混合，进行酶解反应，加入增稠剂或粘合剂，得到抑尘剂。

在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。

在本发明中，所述纤维素酶优选包括木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶；所述木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶的质量比优选为(1～4)∶(1～4)∶(1～4)∶(1～2)，更优选为3∶3∶3∶1。在本发明中，所述秸秆优选为玉米秸秆或高粱秸秆；所述秸秆的粒径优选为1～2mm。在本发明中，所述纤维素酶、水和秸秆的质量比优选为(0.01～2)∶(280～340)∶(5～10)。

所述混合前，本发明优选将水加热至45～55℃，pH值调整为6～7；本发明优选采用盐酸调整水的pH值至6～7。本发明将水的温度和pH值控制在上述范围，有利于提高纤维素酶的分解活性。

本发明将纤维素酶、水和秸秆混合优选是：先将纤维素酶与水混合，再加入秸秆(第一种混合方式)；或者，先将秸秆与水混合，再加入纤维素酶(第二种混合方式)。

当先将纤维素酶与水混合，再加入秸秆(第一种混合方式)时，优选是将纤维素酶加入到水中，对纤维素酶进行活化，得到活化酶液，然后向所述活化酶液中加入秸秆。当纤维素酶包括上述四种酶时，本发明优选是先将上述四种酶混合，得到复合酶，然后再将复合酶加入到水中。在本发明中，所述活化的时间优选为5～10min；所述活化的温度优选为混合前水的加热温度。在本发明中，所述活化优选在搅拌条件下进行，所述搅拌优选为超声搅拌。本发明对所述超声搅拌的具体条件没有特殊要求，常规的超声搅拌即可。本发明的纤维素酶经活化后，从干粉状态进入活化状态有利于充分发挥酶的活性。

当先将秸秆与水混合，再加入纤维素酶(第二种混合方式)时，本发明优选将秸秆加入到水中，然后加入纤维素酶。所述纤维素酶的加入顺序优选为：依次向秸秆和水的混合物中加入木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶；或者，依次向秸秆和水的混合物中加入木聚糖酶、酸性纤维素酶、β-葡聚糖酶和纤维二糖酶；或者，依次向秸秆和水的混合物中加入酸性纤维素酶、木聚糖酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶；或者，依次向秸秆和水的混合物中加入酸性纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶和纤维二糖酶。当采用分批加入的方式时，相邻酶的加入间隔优选为5～15min，更优选为10min。加入纤维素酶的过程中，体系的温度优选为45～60℃，更优选与混合前水的加热温度相同。本发明加入纤维素酶的过程中优选保持搅拌，所述搅拌优选为超声搅拌。本发明采用上述加入顺序，有利于提高抑尘剂的吸湿率，从而具有更好的抑尘效果。

当采用第一种混合方式时，所述酶解反应的温度优选为45～60℃，更优选与混合前水的加热温度保持一致；所述酶解反应的时间优选为40～60min，更优选为45～55min。在本发明中，所述酶解反应优选在搅拌条件下进行；所述搅拌优选为超声搅拌。本发明对所述超声搅拌的具体条件没有特殊要求，常规的超声搅拌即可。本发明所述酶解反应过程中，秸秆中的木聚糖和纤维素等大分子糖类被降解为纤维二糖以及单糖等低分子糖类；低分子糖类溶于上层清液中，喷洒后，水分蒸发，路面由于残留糖类物质，形成一层软质黏膜层，能够长时间保持吸湿能力，从而使路面保持相对潮湿的环境，抑制扬尘产生；此外，形成的软质黏膜层还可与路面很好的结合，不易干燥成壳，因此还具有较好的抗碾压效果，适合于铺装沥青道路和干硬性混凝土路面。

当采用第二种混合方式时，由于分批加入纤维素酶的过程中会伴随酶解反应的进行，因此不再额外地进行酶解反应。当加入最后一种纤维素酶后，本发明优选继续搅拌10～20min。

完成所述酶解反应后，本发明向所得体系中加入增稠剂或粘合剂，得到抑尘剂。本发明优选先对酶解反应所得体系停止加热，然后再加入增稠剂或粘合剂。在本发明中，所述增稠剂优选包括羧甲基纤维素钠；所述粘合剂优选包括聚乙烯醇或丙烯酸酯；所述增稠剂或粘合剂的用量优选不超过各制备原料总质量的1‰，所述各制备原料包括纤维素酶、水、秸秆和增稠剂，或者包括纤维素酶、水、秸秆和粘合剂。本发明优选在搅拌条件下加入所述增稠剂或粘合剂。本发明通过添加增稠剂或粘合剂，有利于提高抑尘剂的黏度，能够有效粘附路面扬尘，从而加强抑尘效果。

加入增稠剂或粘合剂后，本发明优选继续搅拌10～20min，对所得体系依次进行冷却和过滤。本发明对所述冷却的方式没有特殊要求，自然冷却即可。在本发明中，所述过滤用滤网优选为40目滤网，滤过物即为本发明的抑尘剂。过滤后产生的秸秆渣由于已经过酶解，可以制成生态肥料，能够改良土壤结构，对作物生长起到营养、调理和保健作用。

本发明提供了上述方案所述制备方法制备得到的抑尘剂。在本发明中，所述抑尘剂优选呈浅黄色或黄褐色液态状，内含有少量秸秆颗粒，经粒径分析仪测得抑尘剂所含秸秆颗粒平均粒径为4.0～4.5μm，适用于常规道路洒水车喷洒。在本发明中，所述抑尘剂的pH值优选为6～7，黏度优选为20～30mPa·s，表面张力优选为40.00～45.00mN/m。取10g抑尘剂喷洒于托盘，在恒温40℃条件下表干时间为7h左右；同质量同条件下水的表干时间是4h左右；利用沙柱模型测得本发明抑尘剂的抗压强度为5～10KPa，具有良好的抗碾压能力。

本发明提供了上述方案所述抑尘剂在道路抑尘中的应用。在本发明中，所述道路优选为铺装沥青道路或干硬性混凝土道路。本发明对所述抑尘剂的应用方式没有特殊要求，优选是将所述抑尘剂直接喷洒于路面即可。

下面结合实施例对本发明提供的抑尘剂及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

①将玉米秸秆用粉碎机进行粉碎，粉碎粒径为1～2mm，待用；

②将木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶及β-葡聚糖酶按照质量配比进行混合制备成为复合酶，上述四种酶的质量比为1∶1∶2∶2；

③300毫升水用稀盐酸和酸度计调节水的pH值为6.0，加热升温至50℃并保持恒温；

④将②中的复合酶0.9g加入③的水中，进行活化，活化时间为6min，得到活化酶液，活化时要进行搅拌以加速四种酶的分散和活化；

⑤取6g①粉碎后的秸秆投入上述活化酶液中，开始进行酶解反应，反应时间为60min，然后停止加热，加入0.3g聚乙烯醇，全程超声搅拌，加入聚乙烯醇后继续搅拌20min；

⑥将⑤中浆液冷却后进行过滤，滤网为40目，过滤后的清液即为抑尘剂。

将实施例1制备的20g上清液(即抑尘剂)喷洒于水分测定仪内，设置渐进升温(升温速率10℃/min)至80℃，蒸干水分，称重3.6459g，然后置于通风条件下3h，相对湿度为40％～45％，然后称重3.6837g，吸湿率为1.04％。

实施例2

①将玉米秸秆用粉碎机进行粉碎，粉碎粒径为1～2mm，待用；

②将木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶及β-葡聚糖酶按照质量配比进行混合制备成为复合酶，上述四种酶的质量比为1∶1∶1∶1；

③300毫升水用稀盐酸和酸度计调节水的pH值为6.0，加热水温至50℃并保持恒温；

④将②中的复合酶0.9g加入③的水中，进行活化，活化时间为6min，得到活化酶液，酶活化时要进行搅拌以加速四种酶的分散和活化；

⑤取6g①粉碎后的秸秆投入上述活化酶液中，开始进行酶解反应，反应时间为60min，然后停止加热，加入0.3g聚乙烯醇，全程超声搅拌，加入聚乙烯醇后继续搅拌20min；

⑥将⑤中浆液冷却后进行过滤，滤网为40目，过滤后的清液即为抑尘剂。

采用实施例1中相同的测试条件和测试方法，测得吸湿率为2.05％。

实施例3

①将玉米秸秆用粉碎机进行粉碎，粉碎粒径为1～2mm，待用；

②将木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶及β-葡聚糖酶按照质量配比进行混合制备成为复合酶，上述四种酶的质量比为3∶3∶3∶1；

③300毫升水用稀盐酸和酸度计调节水的pH值为6.0，加热水温至50℃并保持恒温；

④将②中的复合酶0.9g加入③的水中，进行活化，活化时间为6min，得到活化酶液，酶活化时要进行搅拌以加速四种酶的分散和活化；

⑤取6g①粉碎后的秸秆投入上述活化酶液中，开始进行酶解反应，反应时间为60min，然后停止加热，加入0.3g聚乙烯醇，全程超声搅拌，加入聚乙烯醇后继续搅拌20min；

⑥将⑤中浆液冷却后进行过滤，滤网为40目，过滤后的清液即为抑尘剂。

采用实施例1中相同的测试条件和测试方法，测得吸湿率为4.21％。

实施例4

①将玉米秸秆用粉碎机进行粉碎，粉碎粒径为1～2mm，待用；

②300毫升水用稀盐酸和酸度计调节水的pH值为6.0，加热水温至50℃并保持恒温；

③将6g秸秆加入②的水中；

④将木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶及β-葡聚糖酶四种酶分开依次加入，上述四种酶的质量比为3∶3∶3∶1，总质量为0.9g，四种酶的添加间隔时间是10min，整个过程保持超声搅拌及50℃恒温，当加入最后一种酶后，继续搅拌20min；

⑤加入0.3g聚乙烯醇，继续超声搅拌10min；

⑥将⑤中浆液冷却后进行过滤，滤网为40目，过滤后的清液即为抑尘剂。

实施例5～12

改变四种酶的添加顺序，重复实施例4。其中实施例12是同时加入四种酶的复合酶后，继续搅拌50min，然后才加入聚乙烯醇。实验结果如表1所示。

表1加酶顺序对抑尘剂吸湿率的影响

由表1可知，当先将秸秆与水混合，后加入纤维素酶时，纤维素酶的加入顺序对抑尘剂吸收率有显著影响，其中，木聚糖酶和酸性纤维素酶对抑尘剂吸湿率影响最大，这两种酶在前期加入时的吸湿量远大于在中后期加入这两种酶时的吸湿量；此外，加入秸秆后，再同时加入四种酶也不利于提高抑尘剂的吸湿率。

性能测试

1、取实施例3制备的抑尘剂20g喷洒于托盘，然后置于水分测定仪内，设置蒸发温度为40℃，每30min记录一次质量，计算失重百分比，绘制曲线。以水作为对比例，重复上述步骤。结果见图1。

由图1可知，40℃条件下，抑尘剂的蒸发速率要明显低于水的蒸发速率，抑尘剂7h后蒸发量至98.5％保持恒定，水在4.5h已完全蒸发。将抑尘剂托盘取出后，置于自然通风环境下(相对湿度38.4％)，2h后，吸湿率达到3.78％且表面呈现一层黏稠糖类物质，说明本发明的抑尘剂具有良好的保湿和吸湿能力，有利于抑制扬尘产生。

2、利用沙柱模型对实施例1～11制备的抑尘剂进行抗压强度测试，测试过程为：沙粒用40目标准筛筛分，去除杂物；将沙粒用水冲洗3次后烘干备用；将清液(抑尘剂)与沙粒按照质量比1∶3混合搅拌后装入高5厘米、内径3.2厘米的烧杯中压实；置于烘箱100℃条件下烘干后取出沙柱；测量沙柱高度和直径，覆压玻璃板和砝码等重物，缓慢增加质量，通过沙柱碎裂时所覆压的质量计算最大承受压强，表征抗压强度。采用Thermo Viscotester C黏度测定仪L2转子测试实施例1～11抑尘剂的粘度，数据稳定后记录，测试三次取平均值，结果如表2所示。

表2实施例1～11的抗压强度和粘度

由表2可知，本发明的抑尘剂的抗压强度为5～10KPa，具有良好的抗碾压能力；且具有一定的粘度，粘度为20～30mPa·s，能够有效粘附路面扬尘。

对比例

与实施例3的不同之处在于，未添加粘合剂和增稠剂，得到的抑尘剂的粘度为4.3mPa·s，说明本发明通过添加粘合剂或增稠剂，可以提高抑尘剂的粘度，进而加强抑尘效果。

由以上实施例可知，本发明提供了一种抑尘剂及其制备方法和应用，本发明的抑尘剂具有以下优点：

①吸湿性能好，能够长时间保持较强的吸湿能力，从而使路面保持相对潮湿的环境，从而抑制扬尘产生。原因是秸秆粉碎后，经过纤维素酶分解，可以将秸秆内的纤维素和木聚糖等大分子糖类分解为纤维二糖和其他单糖等小分子糖类，其在喷洒后可以形成一层软质膜，具备保湿能力和吸湿能力。

②具有一定的黏度，能够有效粘附路面扬尘，从而加强抑尘效果。原因是添加了增稠剂或粘合剂，能够有效提高抑尘剂黏度，使其喷洒后具有粘附扬尘的功能，提高抑尘效果。

③具有一定的抗碾压效果。抑尘剂喷洒后，由于其本质为吸湿软膜型的抑尘剂，在铺装路面喷洒后，能够在沥青路面及细坑处形成一层表面黏稠的软膜，不会干燥成壳而粉碎，具有更强的抗碾压能力从而长时间保持抑尘效果。

④绿色环保无污染。由于该抑尘剂原料为农业废弃物秸秆(包括玉米秸秆、高粱秸秆等)，纤维素酶(木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶以及β-葡聚糖酶)以及微量添加剂(聚乙烯醇或其他)和水，对道路质量无不利影响。

⑤实现农业废弃物再利用，达到以废治污的目的。一吨秸秆可以制备50吨该抑尘剂，制备过滤后产生的秸秆渣由于已经过酶解，可以制成生态肥料，能够改良土壤结构，对作物生长起到营养、调理和保健作用，整个制备及使用过程对环境影响极小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种抑尘剂的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：

将纤维素酶、水和秸秆混合，进行酶解反应，加入增稠剂或粘合剂，得到抑尘剂；所述纤维素酶包括木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶，所述木聚糖酶、酸性纤维素酶、纤维二糖酶和β-葡聚糖酶的质量比为(1~4)∶(1~4)∶(1~4)∶(1~2)；所述酶解反应的温度为45~60℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素酶、水和秸秆的质量比为(0.01~2)∶(280~340)∶(5~10)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述秸秆为玉米秸秆或高粱秸秆；所述秸秆的粒径为1~2mm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合前，将水加热至45~55℃，pH值调整为6~7。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增稠剂包括羧甲基纤维素钠；所述粘合剂包括聚乙烯醇或丙烯酸酯。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述增稠剂或粘合剂的用量不超过各制备原料总质量的1‰。

7.权利要求1~6任一项所述制备方法制备得到的抑尘剂。

8.权利要求7所述抑尘剂在道路抑尘中的应用。

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