一种环保防冻型抑尘剂及其制备方法
文献发布时间：2023-06-19 19:28:50
技术领域
本发明涉及一种环保防冻型抑尘剂及其制备方法，属于抑尘剂领域。
背景技术
煤炭是地球上储量最丰富、分布最广泛的化石燃料，其占全球不可再生能源消耗的25％。但是，煤炭在被开采和利用的同时，却也给周围环境带来了严重的粉尘污染问题。在露天矿山中通常采用洒水抑尘，其操作简单且成本低，但有效抑尘时间短，抑尘效率低。在北方寒冷季节最低气温达到-30℃，洒水抑尘会使路面结冰，不利于行车安全。
近年来针对北方冬季温度低导致抑尘剂易结冰这一问题，防冻剂被广泛研发。目前市场上存在的防冻剂大多以CaCl
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种环保防冻型抑尘剂及其制备方法,将该抑尘剂喷洒到煤上，可形成一层具有强度的固化膜，达到很好的抑尘、固尘效果，可防止二次扬尘；同时，在寒冷的冬季不会结冰，防冻能力强。
本发明是采用以下的技术方案实现的：
一种环保防冻型抑尘剂，由以下质量百分比的原料制备而成：
固尘剂4％-10％、润湿剂0.1％-1％、防冻剂4％-10％、余量为水；
所述固尘剂由聚乙烯醇、黄原胶、丙烯酸和过硫酸铵反应而成；优选的，所述聚乙烯醇、黄原胶、丙烯酸和过硫酸铵的质量比为1.5：0.1：6：0.15。
所述防冻剂由贝壳和醋酸反应而成；优选的，所述贝壳和醋酸的质量比为1:3。
进一步的，所述润湿剂选自烷基糖苷或十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
此外，本发明还提供了上述环保防冻型抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备固尘剂：
a)在温度为85℃时，缓慢且均匀地添加和分散PVA后恒温搅拌1.5h的过程中，柔性PVA分子链在高温加热的情况下舒展开，均匀分散在溶液中。
b)然后在75℃时向上述溶液中缓慢且均匀地添加和分散适量XG，恒温搅拌1.5h，在这一过程中柔性聚合物链(PVA)扩散到结构化聚合物(XG)中，两者化学结构中大量的-OH发生氢键相互作用，形成第一层网络结构。
c)温度降至55℃，在氮气保护下，加入AA和中和度为70％的NaOH，10min后添加过硫酸铵(APS)作为引发剂，大约1h后，反应结束，得到PVA-XG-PAA。在此过程中，加入溶液中的AA会均匀分散到第一层网络结构中，随后加入的APS在加热下分解自由基，可以引发AA发生聚合反应使其形成聚丙烯酸链。聚丙烯酸链在反应过程中不断增长，逐次贯穿第一层网络结构，其上面的-COOH与PVA、XG上的-OH发生氢键相互作用，形成第二层网络结构，得到具有双网络结构的水凝胶。
d)最后干燥研磨成白色粉末，即得固尘剂；
(2)制备防冻剂：
(a)贝壳先用清水漂洗，除去贝壳表面的色素层和可溶性有机质；晾干，粉碎后在110℃干燥除水，得灰白色贝壳粉备用；
(b)将醋酸加热至60℃，搅拌下逐步加入贝壳粉，有气泡生成，继续加入贝壳粉，直至加入少量贝壳粉不再分解，继续恒温搅拌30min，过滤除去不溶物，得澄清的乙酸钙溶液；
(c)将乙酸钙溶液加热蒸发浓缩，溶液中有固体析出时，冷却，溶液迅速凝固，得白色块状乙酸钙，放入干燥箱中120℃烘干脱水30min，粉碎后得白色粉末状防冻剂；
(3)制备环保防冻型抑尘剂：
将固尘剂、润湿剂、防冻剂和水混合，恒温搅拌30min，即得环保防冻型抑尘剂。
本发明的使用方法为喷施，抑尘剂用量为0.3-0.5公斤/平方米。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明固尘剂是一种具有双网络结构的水凝胶。双网络水凝胶是由刚性网络与柔性网络互穿并交联而成，不仅粘弹性高、保水性好，而且双网络结构保证了水凝胶的力学强度和良好的拉伸特性，突破了传统单网络水凝胶力学性能差的缺点,拉伸强度和压缩强度均可高达兆帕数量级，是单网络水凝胶不可比拟的。另外，双网络水凝胶还具有生物相容性和绿色环保的优点。聚乙烯醇、黄原胶、丙烯酸中包含丰富的羟基和羧基，能与煤中含N官能团发生静电相互作用，与煤中含O官能团发生氢键相互作用，故固尘剂能很好地粘结、固结煤尘，增强团聚效果。随着外界空气的吸热，附着在煤尘表面的水分逐渐蒸发，从而不断降低水分含量。固尘剂最后形成坚硬的固化层能保持一定的水分，防止固化层干燥后开裂，降低水分蒸发速率，增强抑尘效果；同时，固尘剂的原料来源广泛、环保，对环境无污染；
防冻剂是由贝壳中的CaCO
润湿剂可以增加煤尘颗粒表面的亲水性和润湿性，使抑尘剂很好地渗透到煤尘颗粒间隙之间，填补煤尘颗粒之间的间隙；
本发明环保防冻型抑尘剂粘度适中，可以很好的通过喷头喷洒在煤上，形成一层具有强度的固化膜，有效地将煤尘粘结、固结，同时具有很优秀的保水性能，防止煤尘二次扬起；可渗透到煤尘颗粒间隙之间，填补煤尘颗粒之间的间隙；且本发明在寒冷的天气下不会冻结。本发明环保防冻型抑尘剂的原料均是环保型材料，绿色可降解，对环境无污染。
附图说明
图1为不同组抑尘剂粘度测试结果；
图2为不同组抑尘剂抗风蚀率测试结果；
图3为不同组抑尘剂保水率测试结果；
图4为不同组抑尘剂防冻性测试结果；
图5为不同组抑尘剂抗压强度测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1一种环保防冻型抑尘剂及其制备方法
环保防冻型抑尘剂由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：聚乙烯醇为0.78％，黄原胶为0.052％、丙烯酸为3.12％、过硫酸铵为0.078％；
润湿剂：烷基糖苷为0.1％；
防冻剂：贝壳粉为1％，醋酸为3％；
余量为水。
上述环保防冻型抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备固尘剂：在85℃水浴锅中，缓慢且均匀地添加和分散PVA后恒温搅拌1.5h；然后将水浴温度调至75℃，缓慢且均匀地添加和分散XG，恒温搅拌1.5h；最后，将水浴温度降至55℃，在氮气保护下，加入AA，10min后添加APS作为引发剂，大约1h后，得到反应产物；干燥研磨成白色粉末，得到固尘剂；
(2)制备防冻剂：
(a)贝壳先用清水漂洗，除去贝壳表面的色素层和少量可溶性有机质。晾干，粉碎后在110℃干燥除水1h；得灰白色贝壳粉备用；
(b)将醋酸加热至60℃，搅拌下逐步加入贝壳粉，有气泡生成，继续加入贝壳粉，直至加入少量贝壳粉不再分解，继续恒温搅拌30min，过滤除去不溶物，得澄清的乙酸钙溶液；
(c)将乙酸钙溶液加热蒸发浓缩，溶液中有少量固体析出时，冷却，溶液迅速凝固，得白色块状乙酸钙，放入干燥箱中110～130℃烘干脱水30min，粉碎后得白色粉末状防冻剂；
(3)制备环保防冻型抑尘剂：将固尘剂、润湿剂、防冻剂和水混合，恒温搅拌30min，得到成品。
实施例2一种环保防冻型抑尘剂及其制备方法
环保防冻型抑尘剂由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：聚乙烯醇为1.94％，黄原胶为0.13％、丙烯酸为7.74％、过硫酸铵为0.194％；
润湿剂：十二烷基苯磺酸钠为1％；
防冻剂：贝壳粉为1％，醋酸为3％；
余量为水。
上述环保防冻型抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备固尘剂：在85℃水浴锅中，缓慢且均匀地添加和分散PVA后恒温搅拌1.5h；然后将水浴温度调至75℃，缓慢且均匀地添加和分散XG，恒温搅拌1.5h；最后，将水浴温度降至55℃，在氮气保护下，加入AA，10min后添加APS作为引发剂，大约1h后，得到反应产物；干燥研磨成白色粉末，得到固尘剂；
(2)制备防冻剂：
(a)贝壳先用清水漂洗，除去贝壳表面的色素层和少量可溶性有机质。晾干，粉碎后在110℃干燥除水1h；得灰白色贝壳粉备用；
(b)将醋酸加热至60℃，搅拌下逐步加入贝壳粉，有气泡生成，继续加入贝壳粉，直至加入少量贝壳粉不再分解，继续恒温搅拌30min，过滤除去不溶物，得澄清的乙酸钙溶液；
(c)将乙酸钙溶液加热蒸发浓缩，溶液中有少量固体析出时，冷却，溶液迅速凝固，得白色块状乙酸钙，放入干燥箱中110℃烘干脱水30min，粉碎后得白色粉末状防冻剂；
(3)制备环保防冻型抑尘剂：将固尘剂、润湿剂、防冻剂和部分水混合，恒温搅拌30min，得到成品。
实施例3一种环保防冻型抑尘剂及其制备方法
环保防冻型抑尘剂由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：聚乙烯醇为0.78％，黄原胶为0.052％、丙烯酸为3.12％、过硫酸铵为0.078％；
润湿剂：烷基糖苷为0.1％，十二烷基苯磺酸钠为0.1％；
防冻剂：贝壳粉为1％，醋酸为3％；
余量为水。
上述环保防冻型抑尘剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备固尘剂：在85℃水浴锅中，缓慢且均匀地添加和分散PVA后恒温搅拌1.5h；然后将水浴温度调至75℃，缓慢且均匀地添加和分散XG，恒温搅拌1.5h；最后，将水浴温度降至55℃，在氮气保护下，加入AA，10min后添加APS作为引发剂，大约1h后，得到反应产物；干燥研磨成白色粉末，得到固尘剂；
(2)制备防冻剂：
(a)贝壳先用清水漂洗，除去贝壳表面的色素层和少量可溶性有机质。晾干，粉碎后在110℃干燥除水1h；得灰白色贝壳粉备用；
(b)将醋酸加热至60℃，搅拌下逐步加入贝壳粉，有气泡生成，继续加入贝壳粉，直至加入少量贝壳粉不再分解，继续恒温搅拌30min，过滤除去不溶物，得澄清的乙酸钙溶液；
(c)将制备的澄清乙酸钙溶液移入蒸发皿中，加热蒸发浓缩，溶液中有少量固体析出时，冷却，溶液迅速凝固，得白色块状乙酸钙，放入干燥箱中110～130℃烘干脱水30min，粉碎后得白色粉末状防冻剂；
(3)制备环保防冻型抑尘剂：将固尘剂、润湿剂、防冻剂和部分水混合，恒温搅拌30min，得到成品。
对比例1：(不加聚乙烯醇)防冻型抑尘剂
由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：黄原胶为0.052％、丙烯酸为3.12％、过硫酸铵为0.078％；
润湿剂：烷基糖苷为0.1％；
防冻剂：贝壳粉为1％，醋酸为3％。
制备方法同实施例1。
对比例2：(不加丙烯酸)防冻型抑尘剂
由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：聚乙烯醇为0.78％，黄原胶为0.052％、过硫酸铵为0.078％；
润湿剂：烷基糖苷为0.1％；
防冻剂：贝壳粉为1％，醋酸为3％。
制备方法同实施例1。
对比例3：(不加润湿剂)防冻型抑尘剂
由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：聚乙烯醇为0.78％，黄原胶为0.052％、丙烯酸为3.12％、过硫酸铵为0.078％；
防冻剂：贝壳粉为1％，醋酸为3％。
制备方法同实施例1。
对比例4：(不加防冻剂)抑尘剂
由以下质量百分含量的组分构成混合水溶液，其中
固尘剂：聚乙烯醇为0.78％，黄原胶为0.052％、丙烯酸为3.12％、过硫酸铵为0.078％；
润湿剂：烷基糖苷为0.1％；
制备方法同实施例1。
抑尘剂的性能测试
对实施例1-3和对比例1-4制备的抑尘剂进行性能测试，主要测试其抗风蚀性、保水性、抗压强度和防冻性。测试结果见表1、图1-5。
表1抑尘剂的性能测试对照表
从表1中可以看出，本发明实施例1、实施例2、实施例3获得的环保防冻型抑尘剂抗风蚀性均在95％以上，保湿率均在90％以上，抑尘、固尘效果良好。
从图1中可以看出，实施例2的粘度最高(42.74)，对比例2的粘度最低(21.56)。实施例2中的丙烯酸含量最多，而对比例2中没有加入丙烯酸，故由此可以推断出，丙烯酸是影响该发明环保防冻型抑尘剂粘度的主要因素。
从图2和图5中可以看出，对比例1和对比例2的粘度、抗风蚀性以及抗压强度都是最低的。原因是对比例1中未加入聚乙烯醇，对比例2中未加入丙烯酸，最后只能形成单网络结构的水凝胶(固尘剂)，单网络水凝胶存在力学性能差、网络结构不均匀等问题，在较低的应力或应变下会发生断裂，故与煤尘相互作用后形成的壳体易被破坏，固尘效果差。
从图3中可以看出，对比例3的保水率是最低的。原因是对比例3中没有加入润湿剂，抑尘剂不能很好的润湿煤尘表面，更不能很好地浸透煤尘，填补煤尘颗粒的间隙。所以喷洒一段时间后，水分很快蒸发。
从图4可以看出，对比例4的抗冻性是最差的。原因是对比例4中没有加入防冻剂，无法使抑尘剂承受较低温度。
综上所述，只有将聚乙烯醇、黄原胶以及丙烯酸共同制备的固尘剂、防冻剂和润湿剂一起混合制备成的环保防冻型抑尘剂才能同时具备优异的保水性、抗风蚀性、防冻性和抗压强度，才能在北方寒冷的冬季既能承受低温不结冰，又能保持良好的抑尘、固尘性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。