CN118256194A - 一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山运输抑尘技术领域，提供一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂及其制备方法和应用。所述抑尘剂的各组分及质量百分含量如下：防冻吸湿剂为无水氯化镁和甲酸钠，两者的质量百分含量共计25％，保湿剂为山梨糖醇1％‑5％，凝并剂为聚丙烯酰胺0.1％‑0.25％，表面活性剂为椰油酰胺丙基甜菜碱0.02％‑1％，余量为水。本发明采用具有较强吸湿性的有机盐和无机盐作为防冻剂，与山梨糖醇、椰油酰胺丙基甜菜碱和聚丙烯酰胺进行复合，防冻性能好，在‑30℃左右不会结冰，提升道路行驶安全性。采用的原材料均无毒无害，且原料来源广、成本低，具备良好的环境效益和经济效益，适合用于金属矿山运输路面、城市道路、建筑工地等场所的扬尘污染治理。

Description

一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及矿山运输抑尘技术领域，具体涉及一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂及其制备方法和应用。

背景技术

采矿活动产生的粉尘是造成空气污染的原因之一。切割、钻孔、爆破和运输是采矿作业中的主要粉尘来源，在矿物运输和其他采矿活动中，大量空气中的灰尘以分层的形式沉积在运输道路上。露天开采是开采各类矿产品的重要方式，随着我国经济社会的不断发展，露天矿的数量日益增多，总规模也随之增大，机械化水平不断提升，由于其开采工艺的特殊性，采用了爆破等相关手段，出现了粉尘污染的情况。在露天矿山生产中，运输过程是将露天采场内采出的矿石运至选矿厂、破碎厂或贮矿场，将剥离的废石运至排土场，以及把材料、设备、人员运至所需的工作地点。由于矿物和废物运输过程中道路和轮胎之间的相互作用，矿山运输道路是空气中灰尘颗粒的主要来源，约占矿山总产尘量的90％以上，产生的灰尘对人类健康、车辆运行和运输效率均存在危害。

对于露天采场的扬尘问题，采用洒水的方法对露天矿运输路面进行抑尘简单、方便，却存在很多缺点和局限性，洒水不适用于我国北方严重缺水的地区，在夏季使用时气温高导致水分蒸发快，冬季使用时气温低导致水易结冰，洒水进行抑尘并不是经济有效的方式。研制各种化学抑尘剂抑制粉尘，是当前除尘技术领域的热点。至今，国内外学者在路面抑尘剂方面进行了大量研究，开发出了各种各样的化学抑尘剂。21世纪以来，针对抑尘剂存在的缺点，结合当今时代对环保、低碳、经济的要求，抑尘剂不断得以完善，出现了各种新型抑尘剂，生态型、低成本的复合抑尘剂是当今抑尘领域的研究重点。

中国90％以上的露天矿位于寒冷地区，采矿活动通常在秋冬季进行，此时粉尘污染最为严重。为了在高寒地区利用化学抑尘剂有效地进行抑尘，需要因地制宜，克服水资源短缺、气温低导致水结冰等问题。开发一种具有良好吸湿性、抗蒸发性和抗冻性、低腐蚀性的抑尘剂，能够有效控制我国北方高寒地区露天矿路面的粉尘污染问题。

当前抑尘剂领域的研究者并未有意针对寒冷地区因地制宜地研制能够抵抗低温的抑尘剂。少数产品虽具备了一定的抗冻性，但防冻性能差，不适用于中国北部极度寒冷的地区，防冻效果有待进一步提升。其次多数抑尘剂未考虑到腐蚀性，而酸性或碱性都有可能对金属造成腐蚀。除此之外，当前出现大量新型抑尘剂，其对环境友好，抑尘效果好，但由于成本高，无法实际应用于现场，限制了其作用的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂及其制备方法和应用，以克服现有技术中防冻效果差等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案之一为：

本发明提供了一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂，其各组分及质量百分含量如下：防冻吸湿剂为无水氯化镁和甲酸钠，两者的质量百分含量共计25％，保湿剂为山梨糖醇1％-5％，凝并剂为聚丙烯酰胺0.1％-0.25％，表面活性剂为椰油酰胺丙基甜菜碱0.02％-1％，余量为水。

实际研究过程中，首先进行抑尘剂配方初选，以冰点、失水率、粘度、表面张力以及反向渗透速率等指标考察抑尘效果。经过单因素实验选择出的抑尘剂配方为：无水氯化镁和甲酸钠共计25％，保湿剂为山梨糖醇1％-3％，凝并剂为聚丙烯酰胺0.1％-0.15％，表面活性剂为椰油酰胺丙基甜菜碱0.08％-0.12％，余量为水。

优选地，所述无水氯化镁与甲酸钠的质量比为(0.5-0.8):1。

通过响应面法配方优选实验，进一步确定抑尘剂其各组分及质量百分含量为：无水氯化镁9％，甲酸钠16％，山梨糖醇3％，聚丙烯酰胺0.12％，椰油酰胺丙基甜菜碱0.11％，余量为水。

进一步的，所述抑尘剂的冰点为-30℃左右。

无机盐易吸水受潮，具备强大的吸湿能力，通常作为吸湿剂使用，除此之外由于其降冰点特性还作为融雪剂使用，例如我国北方地区就沿用冬季撒盐或盐水化冰雪的方法，然而高浓度的氯盐水溶液会对碳钢、铝合金及铸铁等常见金属造成一定的腐蚀问题，因此需要降低氯离子浓度以降低其对道路车辆的腐蚀性。甲酸钠是一种有机羧酸盐，具有一定的吸湿性和降冰点特性。向抑尘剂中加入无机盐和有机盐，能够使粉尘保持一定的含水量，同时由于低冰点特性，使其在低温环境下不易冻结，易于喷洒。通过加入有机盐适当降低无机盐的浓度，能够减少抑尘剂对车辆的腐蚀。保湿剂山梨糖醇是一种环保性的温和成分，其分子中含有多个羟基，能够起到一定的保湿效果。

抑尘剂中加入凝并剂聚丙烯酰胺可减少粉尘的扬起。聚丙烯酰胺能够使细小粉尘颗粒凝聚形成大的粉尘颗粒，以此来增加颗粒物的粒径，增大粉尘颗粒物的沉降速度，有效抑制粉尘颗粒的二次扬起。聚丙烯酰胺是一种线性的高分子聚合物，其分子量在百万以上，易溶于水，具有良好的絮凝性，其溶液有类似于网状的结构，能够和颗粒物分子间的氢键共同形成网状节点，使溶液具有较强的粘结性。聚丙烯酰胺无毒无害，同时也具有一定吸湿性，常作为水厂的絮凝剂，也被广泛的用作粘结剂和增稠剂。

抑尘剂中表面活性剂起到润湿与渗透作用，当其溶于水时，疏水基团彼此靠近、聚集以避开水，朝向空气中，产生疏水效应；而亲水基与水亲和，朝向水分子一侧，使得润湿型抑尘剂的分子在水溶液表面形成致密的表面吸附层，使溶剂水的表面张力下降，增强水润湿粉尘的能力，从而达到抑制扬尘的效果。表面活性剂主要有两性、阴离子型、阳离子型以及非离子型这四种类型。椰油酰胺丙基甜菜碱是一种高效环保型的两性离子型表面活性剂。两性离子型表面活性剂溶液兼具阴/阳离子两种表面活性剂的诸多特征，在pH<7时电离出阳离子，在pH>7时电离出阴离子，在pH＝7时不产生离子，此类表面活性剂大多为羧基盐类型，产品有氨基酸型与甜菜碱型。两性离子型表面活性剂的毒性较低，在硬水中使用效果较好。

本发明将具备不同功能的组分进行混合，能够有效的将粘结、润湿、吸湿保水、凝并等功能通过整合统一发挥作用，即同时具有润湿性、粘结性以及吸湿放湿性的抑尘剂效果，抑尘效果相比单一类型的抑尘剂更好，尤其适用于在复杂的环境中使用。

本发明的技术方案之二为，设计了一种溶液冰点对比方法，包括：将配制的抑尘剂放入冰箱中冷冻12h以上，将彻底冻结后的样品取出置于室温下自然融化，测试样品冰水混合物的温度；将冻结后的样品倒置于滤水网中，记录从冰箱取出至第一液滴落下的时间。理论上来讲，冰点越低，其冰水混合物温度越低，且融化速度越快。

本发明的技术方案之三为，提供所述露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将椰油酰胺丙基甜菜碱加入容器1中，加入总水量的10％-20％，常温下搅拌至完全溶解，形成溶液1；

(2)将总水量的30％-35％加入容器2中，加入甲酸钠，搅拌至完全溶解，再将山梨糖醇加入充分溶解后的溶液，继续搅拌至完全溶解，形成溶液2；

(3)将总水量的30％-35％加入容器3中，缓慢加入无水氯化镁，边加入边不断搅拌至无水氯化镁充分溶解，静置并自然冷却后，得到溶液3；

(4)将溶液1、2、3混合，形成溶液4，加入聚丙烯酰胺，再将其余的水加入，低速搅拌或自然放置12h以上使其完全溶解，且各组分混合均匀，得到所述抑尘剂。

采用以上溶解方式的原因是：避免无水氯化镁和甲酸钠同时溶于水时出现溶解失败，导致溶液出现白色沉淀的现象，同时分步溶解能够使各组分溶解得更加充分。

本发明的技术方案之四为，提供所述抑尘剂在露天矿运输路面中的应用。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用具有较强吸湿性的有机盐和无机盐作为防冻剂，与山梨糖醇、椰油酰胺丙基甜菜碱和聚丙烯酰胺进行复合，防冻性能好，在-30℃左右不会结冰，提升道路行驶安全性；2)粉尘表面几乎无因盐渍析出而变白的现象，原液无色透明，观感较好；3)本发明的防冻型抑尘剂具有良好的吸湿性、抗蒸发性、粘结性等性能，抑尘效果好；4)通过降低无机盐的浓度，同时加入有机盐，既能保证吸湿性，又能降低腐蚀性，满足标准《铁路煤炭运输抑尘技术条件第1部分：抑尘剂TB/T 3210.1-2020》对腐蚀性的要求；5)本发明采用的原材料均无毒无害，且原料来源广、成本低，具备良好的环境效益和经济效益，适合用于金属矿山运输路面、城市道路、建筑工地等场所的扬尘污染治理。

附图说明

图1为冰点对比测试流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

防冻吸湿剂浓度的确定：

对无水氯化镁和甲酸钠分别配制质量浓度为10％，15％，20％，25％(g/mL)的溶液，共计8种溶液，每种溶液的溶质为无水氯化镁或甲酸钠。从每种溶液中取5mL，分别记录5mL溶液的质量，将5mL溶液均匀滴加到装有粉尘的培养皿中，待溶液渗透完毕后，记录此时培养皿的重量，再将样品放入预热完毕的温度设置为75℃的烘箱中，记录放入样品的时刻，每一小时记录样品质量，按下列公式计算样品的失水率(％)。

其中，δ—样品的失水率，％；

m_i—第i个时刻样品的质量，g，i＝1,2,3…；

m₀—样品的初始质量，g；

m_l—喷洒的5mL溶液的质量，g。

经过实验，样品的重量在4h后稳定。4h的样品失水率测试结果如表1所示。

表1

无水氯化镁浓度	失水率(％)	甲酸钠浓度	失水率(％)
				10％	85.05	10％	89.16
15％	73.24	15％	84.41
				20％	66.51	20％	80.36
25％	57.75	25％	76.54

以表1第1行为例，其记载了无水氯化镁浓度为10％溶液的失水率为85.05％，甲酸钠浓度为10％溶液的失水率为89.16％。随着溶质的浓度上升，溶液失水率逐渐降低，表明保水性能增强。可以看出，当无水氯化镁浓度为20％和25％时，在同组溶液中保水性较好；同理当甲酸钠在浓度为20％和25％时，在同组溶液中保水性较好。为了避免因无机盐浓度太高造成对金属的腐蚀，将浓度低于10％的无水氯化镁和甲酸钠进行复配继续测试其失水率。4h后的失水率结果如表2所示。

表2

浓度组合	失水率(％)
		10％无水氯化镁+15％甲酸钠	74.31
5％无水氯化镁+20％甲酸钠	75.30
		10％无水氯化镁+10％甲酸钠	78.22
5％无水氯化镁+15％甲酸钠	80.52

可以看出当二者的浓度和为25％时，其保水性能优于二者浓度和为20％时的保水性能，因此将二者浓度和确定为25％。

同时，测定10％无水氯化镁+15％甲酸钠和5％无水氯化镁+20％甲酸钠浓度组合的冰点，由于这里是为了比较降冰点特性，而不是得到准确的冰点值，因此不再采用DSC方法测试冰点。而是采用所设计的冰点对比方法进行比较，其流程图如图1所示。得出10％无水氯化镁+15％甲酸钠浓度组合的冰水混合物温度最低，且从冰箱取出至第一液滴落下的时间最短。因此筛选出的防冻吸湿剂浓度组合为10％无水氯化镁+15％甲酸钠。此时无水氯化镁和甲酸钠的比例约为0.67。在响应面法优选实验中，对该比例进行上下调整，其他因素同理。利用Design-Expert 12软件设计四因素三水平实验，以吸湿率、失水率和粘度为指标，最终优选出最佳浓度配方。

以下实施例中，凝并剂采用的聚丙烯酰胺为阴离子型，分子量为800万，无水氯化镁、甲酸钠、山梨糖醇的含量规格均为98％以上且为固体状态，椰油酰胺丙基甜菜碱为市售水溶液，其质量含量规格为30％，呈液体状态，实施例中的椰油酰胺丙基甜菜碱加入量是溶液中实际的该物质含量。

实施例：

本实施例提供一种防冻型复合抑尘剂，由以下质量浓度的组分构成：无水氯化镁9％，甲酸钠16％，山梨糖醇3％，聚丙烯酰胺0.12％，椰油酰胺丙基甜菜碱0.11％，余量为水。

本实施例抑尘剂制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.15ml的椰油酰胺丙基甜菜碱加入容器1中，加入总水量的10％-20％，常温下搅拌至完全溶解，形成溶液1；

(2)将总水量的30％-35％加入容器2中，加入12.67g甲酸钠，搅拌至完全溶解，再将2.37g山梨糖醇加入充分溶解后的溶液，继续搅拌至完全溶解，形成溶液2；

(3)将总水量的30％-35％加入容器3中，缓慢加入7.33g无水氯化镁，边加入边不断搅拌至无水氯化镁充分溶解，静置并自然冷却后，得到溶液3；

(4)将溶液1、2、3混合，形成溶液4，加入聚丙烯酰胺后，加水至80ml处，自然放置12h使其完全溶解，且各组分混合均匀，得到所述抑尘剂。

然后将抑尘剂用喷头以1.5L/m²的用量均匀喷洒在粉尘表面。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

含水率的测定：

将配制好的抑尘剂溶液取5ml，均匀喷洒在含20g粉尘的内径65mm的培养皿中，记录样品的初始质量后，将样品放置于室温环境下，每隔24h测一次样品的重量。通过下列公式得出15天后粉尘的含水率。

其中，ε-样品的含水率，％；

m_l-5ml溶液的质量，g；

m₀-初始培养皿的重量，g；

m_i-一段时间后培养皿的重量，g；

m_f-培养皿中含有的粉尘的重量，g。

冰点的测定：

使用DSC25型差示扫描量热仪，通过反向测熔点的方式测试抑尘剂的冰点(凝固点)，测试方案为先以10℃/min的速率降温至-60℃，恒温2min后，以10℃/min的速率升温至30℃。通过降温过程和升温过程的热流变化曲线，对比抑尘剂溶液开始冻结和开始融化时的温度，基线与焓变曲线起始熔融段的切线的交点处的温度即为抑尘剂的冰点。

pH值的测定：

利用Mettler Toledo pH计(已校准)测试抑尘剂产品的pH值，测试前先用去离子水清洗pH电极，并用干净的软纸擦净后充分插入待测溶液，按下开关键后进行测试，待数值稳定后读取pH值。对数值读取三次并取平均值。

粘度的测定：

使用NDJ-5S数显粘度计测定抑尘剂的粘度值，使用0号转子，设置60r/min的转速，测定5次，取平均值作为最终的粘度值。

腐蚀性的测定：

根据JB/T 7901-2001《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，采用全浸试验测试抑尘剂对铁、铝、黄铜、不锈钢304四种金属的腐蚀性。腐蚀性计算方法见下列公式。

其中，R—腐蚀速率，mm/a；

M—试验前的试样质量，g；

M_A—试验后的试样质量，g；

S—试样的总面积，cm²；

T—实验时间，h；

D—材料的密度，kg/m³。

提前配制好所需的抑尘剂溶液，使用400目的砂纸对四种金属进行打磨，用清水洗净并自然干燥后，用电子天平称重，记录试验前的试样质量，之后放置于盛放着80ml抑尘剂溶液的烧杯中，7天(168h)后，从溶液中取出试样，先用水进行冲洗，再利用毛刷清除掉试样上没有被水冲掉的腐蚀产物，进行称重，记录试验后的试样质量。

表3为各指标测试结果。可以得出，在自然放置15天后，样品的含水率仍能保持在6％以上，证明该抑尘剂配方的吸湿保湿性较好。冰点值为-30℃左右，能够抵抗低温环境不结冰。粘度值为6.2mpa·s，在提高抑尘剂粘结效果的同时易于喷洒。pH值为8.6，呈弱碱性且接近中性，不会对土壤造成较大的影响，有利于环境的保护。

表3

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求确定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂，其特征在于，其各组分及质量百分含量如下：防冻吸湿剂为无水氯化镁和甲酸钠，两者的质量百分含量共计25％，保湿剂为山梨糖醇1％-5％，凝并剂为聚丙烯酰胺0.1％-0.25％，表面活性剂为椰油酰胺丙基甜菜碱0.02％-1％，余量为水。

2.根据权利要求1所述的露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂，其特征在于，其各组分及质量百分含量如下：无水氯化镁和甲酸钠共计25％，保湿剂为山梨糖醇1％-3％，凝并剂为聚丙烯酰胺0.1％-0.15％，表面活性剂为椰油酰胺丙基甜菜碱0.08％-0.12％，余量为水。

3.根据权利要求1或2所述的露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂，其特征在于，所述无水氯化镁与甲酸钠的质量比为(0.5-0.8):1。

4.根据权利要求3所述的露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂，其特征在于，其各组分及质量百分含量如下：无水氯化镁9％，甲酸钠16％，山梨糖醇3％，聚丙烯酰胺0.12％，椰油酰胺丙基甜菜碱0.11％，余量为水。

5.根据权利要求4所述的露天矿运输路面防冻型复合抑尘剂，其特征在于，所述抑尘剂的冰点为-30℃左右。

6.一种溶液冰点对比方法，其特征在于，对权利要求1至5任一项所述的抑尘剂冰点进行检测，包括以下步骤：将配制的抑尘剂放入冰箱中冷冻12h以上，将彻底冻结后的样品取出置于室温下自然融化，测试样品冰水混合物的温度；将冻结后的样品倒置于滤水网中，记录从冰箱取出至第一液滴落下的时间。

7.权利要求1至5任一项所述的抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将椰油酰胺丙基甜菜碱加入容器1中，加入总水量的10％-20％，常温下搅拌至完全溶解，形成溶液1；

(2)将总水量的30％-35％加入容器2中，加入甲酸钠，搅拌至完全溶解，再将山梨糖醇加入充分溶解后的溶液，继续搅拌至完全溶解，形成溶液2；

(3)将总水量的30％-35％加入容器3中，缓慢加入无水氯化镁，边加入边不断搅拌至无水氯化镁充分溶解，静置并自然冷却后，得到溶液3；

(4)将溶液1、2、3混合，形成溶液4，加入聚丙烯酰胺，再将其余的水加入，低速搅拌或自然放置12h以上使其完全溶解，且各组分混合均匀，得到所述抑尘剂。

8.权利要求1至5任一项所述的抑尘剂在露天矿运输路面中的应用。