李 明，赖慧楠，关子杰，仇林玲

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙410083)

0 引言

粉尘污染是我国环境污染主要问题之一，同时也会给作业场所人员的职业健康安全带来不利影响，水雾除尘作为主要粉尘防治技术，在工矿企业、城市公共区域、建筑施工现场等开放空间广泛应用[1-3]。但水雾除尘技术对呼吸性、憎水性粉尘捕尘效率较低，抑尘持续作用时间短，且易出现2次扬尘等问题。研究人员通过引入化学抑尘技术[4-6]，弥补水雾除尘技术不足：Zhou等[7]研究表面活性剂与无机盐配合煤尘抑尘优化配方；Wang等[8]用表面张力、接触角、CMC等参数研究多种表面活性剂湿润性能；Zhou等[9]研究不同表面活性剂溶液浓度下静态润湿特性和抑尘效率；Shi等[10]研究阴离子和非离子表面活性剂复配时抑尘效果；Yao等[11]研究表面活性剂与粉尘表面化学结构相似性对润湿效果影响；Wang等[12]研究表面活性剂浓度、雾化效率与捕尘效率间关系。现有研究对复合抑尘剂组分选取具有一定随机性和主观性，针对抑尘剂选择没有明确方案[13]。因此，本文通过分析水雾抑尘作用过程，从理化分析角度提出水雾抑尘剂优选方法。

1 水雾抑尘作用机理

水雾抑尘分为水雾捕尘沉降与尘雾沉降后2个阶段：

1)水雾捕尘沉降阶段：细分为尘雾碰撞、尘雾耦合、尘雾结合体沉降过程，水雾捕尘沉降过程如图1所示。尘、雾颗粒在空气中发生接触、碰撞作用，但因尘雾理化性质、运动参数不同，可能发生浸湿包裹(即尘雾耦合，形成尘雾结合体)、黏附或弹开等现象[14]。尘雾耦合成功率直接决定宏观水雾捕尘效率。尘雾形成的结合体沉降受大气环境运动参数、结合体理化参数等影响，沉降过程存在2次耦合、尘雾分离等情形。

图1 水雾捕尘沉降过程

2)尘雾沉降后阶段：尘雾结合体沉降至地面后，为防止2次扬尘，应考虑延长尘雾结合体保水性能、与地面黏结强度及持续时间。抑尘剂吸湿作用机理如图2所示。当尘雾结合体部分水分蒸发后，因过饱和析出的抑尘剂物质存在大量微孔隙，空气中水蒸汽因气压扩散进入微孔隙,并因毛细凝聚作用液化，从而完成吸湿过程[15]。

图2 抑尘剂吸湿作用机理

此外，可从提高尘雾结合体黏结性能考虑,具体包括化学成键作用，粉尘与抑尘剂形成化学键，或尘雾结合体与沉降接触表面形成化学键，进而形成稳定整体；粉尘与抑尘剂分子间存在范德华引力作用；抑尘剂渗入尘堆或沉降接触面孔隙，增大抑尘剂与粉尘、接触面间黏结作用，进而增加抑制2次扬尘所需摩擦力[16]。

2 抑尘剂优选主要理化因素

尘、雾耦合作用效果取决于粉尘与抑尘水雾理化性质，良好抑尘效果需要两者最佳匹配。

2.1 粉尘理化因素

一般粉尘粒径分布越小，润湿所需液滴表面张力越低[17-18]。粉尘表面孔隙大小、分布及形状等影响抑尘剂物理吸附。粉尘表面成分影响抑尘剂中黏结剂选择，当黏结剂与粉尘以化学键连接时黏结效果较好。粉尘荷电量及电性影响与抑尘水雾液滴相互作用，最终影响抑尘效果[19-21]。

2.2 抑尘剂理化因素

本文针对抑尘剂3大重要组分(润湿剂、吸湿剂和黏结剂)理化性质展开分析讨论。

1)润湿剂理化性质

润湿剂主要用于降低水雾表面张力，增强对粉尘表面润湿性，组分一般为表面活性剂、辅助性无机盐或pH调节剂。

①表面活性剂

一般疏水基结构影响表面分子紧密排列时分子间距，间距越小，分布在抑尘水雾表面活性剂分子越多，其降低表面张力能力越强[22]。如八烷基磺酸钠，可通过在疏水端中引入碳碳双键、醚基(—O—)改变疏水基结构，通过利用Chemdraw 3D能量最小化功能，找到分子间距使分子能量最小位置，分析得到2个分子化学能最低状态时，亲水端间距分别为4.4 Å、3.9 Å，相比疏水基5.4 Å小。即在八烷基磺酸钠疏水端引入碳碳双键和—O—基团后，两分子间距变小，分子排列更加紧密。不同疏水基表面活性剂分子距离如图3所示。此外，在表面活性剂疏水链间引入氢键，可改变其相互作用，拉近分子间距离，疏水链间有无氢键间距对比如图4所示。

图3 不同疏水基表面活性剂分子距离

图4 疏水链间有无氢键间距对比

综上，通过在抑尘表面活性剂疏水链间引入碳碳双键、—O—基团，或使其疏水链间形成氢键，均能减少分子紧密排列间距，降低抑尘剂表面张力。

粉尘亲水、亲油性通过油水分配系数(LogP0)表征，通过测定粉尘在正辛醇和水中溶解度，计算2者比值对数得到LogP0值。为实现粉尘与表面活性剂亲水、亲油性匹配(即2者油水分配系数接近)，采用Chemdraw 3D中ClogP预测不同亲水基类型、碳原子数、支链数和不饱和度表面活性剂LogP变化规律，不同类型表面活性剂LogP如图5所示。其中图5(a)A1分子结构为CH3—(CH2)11—C6H6—SO3—Na，A2为CH3—(CH2)11—SO3—Na。

图5(a)以12个直碳链疏水基为例，不同亲水基类型结果表明多元醇、聚氧醚及硫酸盐型表面活性剂亲水性较强，亚砜型和磺酸盐型亲油性较强；图5(b)以十二烷基磺酸钠为基准，不同碳链长度结果表明抑尘剂碳原子数越少，亲水性越强；图5(c)以十二烷基磺酸钠为基准，通过依次在疏水链中加入1～4个双键改变不饱和度，结果表明不饱和度越高，亲水性越强；图5(d)以十二烷基磺酸钠为基准，将主链分2、3、4个支链进行分析，表明支链数越多，亲水性越强。

图5 不同类型表面活性剂LogP

综上，多元醇、聚氧醚及硫酸盐型表面活性剂亲水性较强；表面活性剂亲水、亲油性可通过改变疏水链碳原子数、支链数和不饱和度实现。

②辅助性无机盐或pH调节剂成分

对离子型表面活性剂而言，引入与其相反、移动能力强的离子，能削弱离子型表面活性剂亲水基静电排斥作用，使排列更紧密[23]。

引入离子会影响荷电性粉尘，当粉尘、离子型表面活性剂电性相同时，可加入异号高强度离子，离子被吸附在荷电粉尘周围，降低荷电粉尘对外表现净电量，从而促进表面活性剂对荷电粉尘吸附作用。

2)吸湿剂理化性质

吸湿剂一般为多孔结构能自发吸湿的物质，如吸湿性盐类、小分子有机物和低分子聚合物等，吸湿能力受组成、结构及性质影响。

①组成：对于盐类吸湿剂电量高、半径小的离子对极性水分子能产生较大静电引力，吸湿性更强；对于聚合物和小分子有机物类吸湿剂，吸湿性与亲水官能团有关，亲水官能团极性越强、数量越多对水分子吸引越强，吸湿效果越好。

②结构：吸湿剂孔隙大小、数量直接影响水蒸汽吸附量及液化能力，孔隙越小、数量越多，吸湿性越强[24]。其中，对于盐类吸湿剂，不同晶胞类型、结晶生长环境均会导致孔隙大小、数量不同，晶体结构中杂质原子也会造成结晶时晶体变形，产生新间隙。由于有机高分子聚合物具有多级结构，其分子结构、分子间缠绕方式均会影响其孔隙大小。

（3）更好地设计研发计划的组成，成立欧洲创新理事会，加大对创新活动的支持，用新机构、新机制有效支持计划对各类创新行为的投入。

③性质：对于降解周期短的吸湿剂，如尿素、氨基酸、聚合糖类物质，虽然吸湿效果好，但易被微生物降解或变性而失效，有效作用时间较短；当吸湿剂过饱和析出，才可从空气中吸附水蒸汽；当其溶解度较小时，较少蒸发量就能饱和析出，重新吸收水分，不易引起2次扬尘。

3)黏结剂理化性质

黏结剂多为高分子聚合物或小分子无机物，影响黏结性能主要因素包括黏结剂组份、结构、性质及与粉尘相互作用。高分子类具多级结构，其支链数、组成和分子间缠绕方式均会影响其与粉尘黏结效果，当分子结构为立体网状结构时，黏结作用效果更佳。

一般抑尘剂溶液黏度越高，黏结性越强，黏结剂存在多孔结构具有一定吸湿功能。可在满足黏结性要求前提下，优选析出后结晶物孔隙较多物质的黏结剂。

3 从理化角度优选抑尘剂

从润湿剂、吸湿剂和黏结剂角度分别分析不同抑尘剂优选策略，以湿润剂优选为主进行阐述。

3.1 润湿剂优选

润湿剂优选主要通过表面活性剂优选、辅助性无机盐优选以及pH调节剂优选3个方面进行：

1)表面活性剂优选：通过在抑尘剂疏水端引入双键、—O—基团或使链间形成氢键，降低抑尘液滴表面张力，提高湿润性能。表面活性剂优选主要通过以下4个方面进行：

①荷电粉尘：荷电粉尘对极性水分子吸引力强，润湿效果好。应避免选择亲水基荷电性与粉尘相反的表面活性剂，避免亲水端吸附在粉尘上，降低粉尘可湿性。荷电粉尘与异号离子型表面活性剂不良吸附状态如图6所示。

图6 荷电粉尘与异号离子型表面活性剂不良吸附状态

一般优选策略包含2部分：考虑非离子活性剂或与粉尘荷电同性离子型活性剂；考虑在疏水链端引入亲水基团以增加疏水端极性，如—OH、—NH2等，促进粉尘与活性剂间荷电吸引。对于正电荷粉尘，可在疏水链尾端引入苯环、不饱和键等电子密度较高基团；对于负电荷粉尘，可在疏水链尾端引入硝基、羧基等吸电子基团，促进疏水基在粉尘上吸附作用。

②亲水、亲油性匹配：粉尘与表面活性剂LogP相近，可促进表面活性剂吸附。对亲水性粉尘，可选择硫酸盐、聚氧乙烯醚和多元醇类等LogP较小的表面活性剂；对疏水性粉尘，如煤尘，可选择LogP较大的磺酸盐、亚砜型等表面活性剂。可通过改变疏水基链长、不饱和度及支链数调整LogP值。

图7 粉尘与液滴接触状态

④表面活性剂浓度：一般当表面活性剂分子能单层包裹粉尘且紧密排列在液滴表面时，其使用效率最高，最佳浓度c如式(1)所示：

(1)

式中：As为单个分子平均占有面积，m2；M为摩尔质量，g/mol；r为结合体半径，m；rd为液滴初始半径，m；rp为粉尘特征半径，m。

对于PM10粉尘，最佳水雾捕尘粒径为粉尘粒径6～13倍[25]，取rd=10rp，代入可得最佳浓度c。

2)辅助性无机盐优选

根据粉尘表面物质组成及已选表面活性剂，不应选用与粉尘反应生成沉淀、与表面活性剂生成弱电解质或沉淀、造成表面活性剂盐析的无机盐作为辅助无机盐。

可通过在荷电水雾中加入导电性较好的强电解质盐，使水雾更易荷电。常见强电解质包括氯盐、硫酸盐等，但应注意离子溶液环境，防止发生化学反应。

当粉尘与离子型表面活性剂电性相同，如负电荷粉尘使用阴离子表面活性剂时，可引入移动能力强、离子强度高的正离子，降低粉尘净负电性，减少粉尘与表面活性剂排斥。

3)pH调节剂优选

pH调节剂应选用不与其它组份发生化学反应的物质。对酸性情况，pH值调节范围∈[max(皮肤耐受最低pH，环境耐受最低pH，不破坏其他组份的最低pH)，7]；对于碱性情况，pH值调节范围∈[7，min(皮肤耐受最高pH，环境耐受最高pH，不破坏其他组份的最高pH)]。一般pH取6～8为宜。

3.2 吸湿剂优选

湿润剂优选原则，不选与湿润剂发生反应或破坏湿润效果的化学材料。对无机盐类吸湿剂，优选孔隙相对大的体心立方晶胞结构，能充分溶解但溶解度相对较小的物质，或使用混合无机盐增加结晶孔隙。对有机类吸湿剂，可优选含—OH、—NH3等极性强能形成氢键的基团，增大与水分子间相互吸引力。优选空间结构复杂(有支链网状结构或体型结构)，能形成较多孔隙的吸湿剂，可通过显微镜观察析出物孔隙数目。

3.3 黏结剂优选

优选黏度性能高、交联网状、结构复杂的黏结剂。在不考虑粉尘回收再利用情况下，可优选能与粉尘发生化学反应的黏结剂。水雾粒径受抑尘溶液黏度直接影响，为满足水雾粒径要求，应考虑溶液黏度上限值。根据雾化粒径与液滴性质关系式[26]，通过计算可获得最大动力黏度η1max如式(2)所示：

(2)

式中：dd为雾滴直径，m；γ为表面张力系数，N/m；ρ为液滴密度，kg/m3；Q为质量流量，kg/s。

综上可知，在初选润湿、吸湿和黏结组分时，需考虑各组份间相互影响。通常采用综合抑尘性能实验合理确定各组分最优浓度配比，例如全面实验法、正交实验和均匀实验法等。

4 结论

1)复合抑尘水雾分为水雾捕尘沉降阶段和尘雾沉降后阶段。其中，沉降阶段可细分为尘雾碰撞、尘雾耦合、尘雾结合体沉降过程。

2)润湿剂组份，首先考虑降低抑尘溶液表面张力，优选疏水端含有碳碳双键、醚基或链间有氢键的表面活性剂；对于亲水性粉尘，可选硫酸盐、聚氧乙烯醚及多元醇型；对于亲油性粉尘，可选磺酸盐、亚砜型表面活性剂。通过改变疏水基链长、不饱和度和支链数，实现尘雾亲水、亲油性匹配。对于荷电粉尘，优选非离子或与粉尘电荷同性的离子型表面活性剂，也可在疏水链末端引入亲水或异性电荷基团。

3)吸湿剂组份，可选体心立方晶胞结构、易溶且溶解度较小的无机盐或混合配方无机盐，或者含—OH、—NH3等极性强，能形成氢键的基团及空间结构复杂的有机吸湿剂成份。

4)黏结剂组份，优选黏度性能高、交联网状、结构复杂的高分子聚合物，当不考虑粉尘回收利用时，可优选能与粉尘发生化学反应的物质。