Preparation and effect analysis of cedar sawdust-based super absorbent dust suppressant material
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摘要:
煤矿生产及运输过程中存在大量煤炭残渣和粉尘，对作业环境和当地居民造成极大影响，为提高抑尘剂的抑尘效率，改善作业空间及周边环境，笔者遵循废物利用原则，实现了废物再利用。提出了以杉木锯屑为原材料，经过NaOH、Na2SO3等溶液处理后获得脱木素木粉(DWF)，通过微波辅助-原位合成的手段，制备了一种新型绿色高吸水抑尘剂(AA-DWF-PAM/GD)。试验结果表明：借助SEM、FTIR、TG-DTG及溶胀动力学试验手段，对AA-SW-PAM/GD的微观形貌、反应机理、热稳定性及吸水性能进行研究，发现该抑尘剂呈现网状空间结构且稳定性较高，DWF与丙烯酸(AA)和聚丙烯酰胺(PAM)反应良好，在73 ℃之前不会发生任何活性破坏，且最高吸水倍率为325倍，在NaCl、MgCl2、CaCl2三种盐溶液溶度为1%时，最高吸盐水倍率为100左右。在AA-DWF-PAM/GD与煤尘性能测试中发现，当风速14 m/s时抑尘率在90%左右；抑尘材料与煤混合后的燃烧后，热释放速率提高了4.53 kW/m2，燃烧时间延长了15 s左右，在喷洒使用后不会对煤的热值产生负面影响。分子动力学模拟(MS)结果表明抑尘剂主要作用于煤−水界面处，煤−水界面吸附层的厚度增大至28×10−6 mm (13×10−6～41×10−6 mm)，促进了水分子在煤表面的扩散，吸引水分子向煤层方向迁移，添加AA-DWF-PAM/GD后水分子的自扩散系数(D)增加了4.3×10−9 m2/s，提高了煤层表面的润湿性。总的来说，该抑尘剂具有成本低、绿色环保、抑尘性能强的优势，有望使其在煤矿现场大规模应用推广。
Abstract:Massive coal debris and dust are generated in the process of coal production and transportation, greatly affecting coal mine working environment and local residents. This study is aimed at promoting the dust suppression efficiency of dust suppressors and improving the working space and surrounding environment following the principle of waste reuse. Specifically, a new type of green superabsorbent dust suppressor (AA-DWF-PAM/GD) was prepared by treating the raw material, i.e., China fir sawdust, with solutions such as NaOH and Na2SO3 through microwave-assisted in-situ synthesis. The following findings were obtained. The microscopic morphology, reaction mechanism, thermal stability and water absorption performance of AA-SW-PAM/GD were investigated by means of SEM, FTIR, TG-DTG and swelling kinetics experiments. The results show that AA-SW-PAM/GD presents a network structure and boasts high stability. DWF reacts well with acrylic acid (AA) and polyacrylamide (PAM), and no activity damage occurs before 73 ℃. Besides, the dust suppressor has the highest water absorption rate of 325 times, and its highest salt water absorption rate is about 100 when the solubility of NaCl, MgCl2 and CaCl2 salt solutions is 1%. In the dust suppression performance test, AA-DWF-PAM/GD reaches a dust suppression rate of about 90% when the airflow velocity is 14 m/s. After AA-DWF-PAM/GD is mixed with coal for combustion, the heat release rate is increased by 4.53 kW/m2, and the combustion time is prolonged by about 15 s. That is, after being sprayed during its use, AA-DWF-PAM/GD will not pose a negative impact on the calorific value of coal. According to the results of molecular dynamics simulation, AA-DWF-PAM/GD primarily acts on the coal-water interface, raising the thickness of the coal-water interface to 28×10−6 mm (13-41×10−6 mm), enhancing the diffusion of water molecules on the coal surface and attracting water molecules to migrate toward the coal seam. Moreover, after its addition, the self-diffusion coefficient (D) of water molecules grows by 4.3×10−9 m2/s, which means that the wettability of the coal seam surface is promoted. Overall, considering its low cost, environmental friendliness and remarkable dust suppression performance, AA-DWF-PAM/GD proposed in this study is a promising dust suppressor that can be widely used in coal mines.
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0. 引 言
煤炭是中国的主要能源之一，一直处于能源结构的核心地位，且占一次能源消费的70%左右[1]。煤炭的开采、运输和储存过程中会产生大量粉尘，成为大气污染的重要源头，同时也极大地增加了煤矿职业病的患病率[2]。据不完全统计，近十年来，中国共报告职业病27.2万例，其中职业性尘肺病21.2万例，占职业病报告总数的78%，煤炭行业尘肺病人数占职业性尘肺病人数的58%[3-4]。此外，煤尘弥散还会降低工作场所能见度，增加设备磨损减少其使用寿命，威胁工作人员的生命安全[5-6]。因此，有效治理煤尘，是保障煤矿安全生产和工人生命健康的关键，也是我国煤炭行业绿色发展亟需解决的实际问题 [7-9]。
九十年代迄今，化学抑尘领域得到了迅猛发展，新材料层出不穷，专家学者的研发角度逐渐从无机材料转向了有机材料 [10-12]。例如：AMATO 等[13]利用一定的化学反应制成了以链烷醇胺或Triton X-100的吸湿性无机盐抑尘剂，能够较长时间内保持润湿状态；MIKHAIL 等[14]以尿素、KCl、NaHCO3为原料配制成的气溶胶抑尘剂，可以有效抑制油气、粉尘爆炸；DRUMMOND等[15]通过表面活性剂复配得到最佳润湿配比，应用到防尘工作当中，具有较好的抑尘效果。DARRON[16]通过利用炼油场的废物制成一种高效抑尘剂，虽然与煤尘作用持久时间长，抑尘效果明显，但是会造成二次污染；杜翠凤等[17]研制出一种粘结剂溶液，能够让煤粒之间相互黏结形成具有一定强度的硬壳，以起到防尘作用；MA等[18]利用接枝共聚技术制备了一种天然高分子抑尘剂，将抑尘剂与表面活性剂复配取得了良好的抑尘效果，但制备成本偏高；孙三祥等[19]研制出以POL为主的粘结剂，应用于运煤列车煤尘防治并研究了其抑尘效果。从上述文献中可以发现，一种有效针对煤尘强疏水性、抑尘更加高效、具有环境友好、成本低廉的抑尘剂有待于进一步研发与应用。
锯屑(SW)是木材加工的副产品，2021年全球锯屑产量约为400亿t。锯屑的早期处置主要是焚烧和填埋，这不仅导致一系列环境问题，而且也造成资源的浪费[20-22]，锯屑一般作为吸附剂应用于含重金属离子及染料的废水，在煤矿和抑尘材料领域开发应用不多[23-25]。在这项研究中，以预处理的杉木锯屑为引发位点，以回收锯屑为目标，以简化操作流程为导向，以合成环保高效抑尘剂为初衷，通过微波辅助-原位合成手段，制备了高吸水生物基环保抑尘剂(AA-DWF-PAM/GD)。采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对产物的微观结构进行了分析，通过溶胀动力学、TG-DTG试验对抑尘剂的吸水性和热稳定性进行了评估。值得注意的是，本研究利用分子动力学模拟技术，对水-煤-抑尘剂作用体系中官能团的迁移和结合进行了分析，从分子角度阐释了微观抑尘机理。
1. 制备方法及试验测试
1.1 试 剂
锯屑(SW)来自青岛晨丰木材加工厂，丙烯酸(AA)、聚丙烯酰胺(PAM)、过硫酸铵(APS)、硫代硫酸钾(PTS)、N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、甘油(GLY)、十二烷基葡萄糖苷(DP)、无水乙醇、蒸馏水、氮气、NaOH、H2O2、KCl溶液、NaCl溶液、CaCl2溶液、MgCl2溶液、煤粉(枣庄矿业集团七五煤矿粒径小于0.3 mm的气煤)。
1.2 AA-DWF-PAM/GD制备
1.2.1 制备脱木素木粉(DWF)
配制2.5 mol/L NaOH 溶液和0.4 mol/L Na2SO3溶液的混合溶液500 mL，加热至沸腾后，将木粉置于溶液中，95 °C条件下磁力搅拌2 h。再用去离子水清洗，使体系中和，过滤得到初步脱木素木粉。为提高木质素和半纤维素的脱除效果，将初步脱木素木粉分散在3 mol/L H2O2沸腾溶液中反应2 h，最后清洗至中性并过滤，经过冷冻干燥得到DWF。
1.2.2 制备抑尘剂(AA-DWF-PAM/GD)
首先，将DWF过孔径小于0.3 mm的筛子后称量2 g置于300 mL烧杯中，搅拌均匀，再加入一定量的APS-PTS(1∶1)作为双引发体系，将反应体系在500 W超声波功率下进行超声处理；随后，将混合物放入不同温度下的磁力搅拌水浴锅中，加入中和后的AA搅拌20 min后，依次添加 PAM 和 MBA并在恒温下反应2 h后，加入一定量的GLY和DP获得AA-DWF-PAM/GD。最后，将高倍吸水抑尘材料在60 ℃的烘箱中干燥至恒重，然后磨成粉末(所有粉末均通过60目（0.42 mm）筛网)。制备步骤如图1所示。
1.3 AA-DWF-PAM/GD性能表征
通过扫描电子显微镜(SEM，Quanta 200)确定样品的形态；在傅里叶变换红外(Nicolet 380)分光光度计上进行红外光谱(FTIR)测试；热重分析 (TG-DTG)可获得AA-DWF-PAM/GD热分解的失重与温度关系；AA-DWF-PAM/GD的溶胀率通过Ws/Wd×100%计算，其中Ws和Wd分别是完全溶胀和非溶胀样品的质量。
1.4 AA-DWF-PAM/GD与煤尘相互作用
将煤粉分成每300 g为一份，每份分别喷洒水、5 wt%十二烷基葡萄糖苷溶液、5 wt%增润剂及5 wt% AA-DWF-PAM/GD各20 g，待煤堆表面干燥后，使用风机模拟自然风速，称量不同时间煤堆质量，抑尘率通过θ=S2/S1×100%计算，其中S1和S2分别为总质量（320 g）和不同时间煤堆质量。
在100 mm×100 mm×3 mm的铝箔纸盒中放入干燥后的煤粉、AA-DWF-PAM/GD以及混合煤样(煤粉：AA-DWF-PAM/GD为5:1)，使用锥形量热计(R–S/FTT0007)，设置辐射照度为(35±1) kW/m2，调节排气流量为(0.024±0.002) m3/s，测试样品单位面积的热量释放速率[26]。
2. 试验结果讨论
2.1 AA-DWF-PAM/GD最佳合成工艺
响应面中心设计组合能通过非线性模型拟合来预测最佳试验条件。本研究将基体DWF的用量固定(2 g)，利用EXPERT DESIGN8.0.6中的响应面—中心组合设计模块，对因素及水平值进行编码[27]，各参数及水平设置见表1。由于PAM和AA中含有大量的羟基、羧基和酰胺基等吸水基团，其浓度对产物的吸水倍率影响较大；而PAM中酰胺基等基团对盐溶液不敏感，引发剂用量对凝胶最终三维结构有一定影响，也表现出一定的耐盐性。因此试验通过经验及试验确定：AA中和度为60%，交联剂用量1.6%，反应温度为75 ℃，GLY用量为2%，DP用量为1.3%。分析PAM和AA浓度对凝胶吸水倍率的影响，PAM浓度和引发剂用量对耐盐性能的影响。
表 1 各个参数及水平设置Table 1. Parameters and their levels to be examined试剂 最小值 小值 中间值 大值 最大值 PAM/g 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 AA/mL 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 APS-PTS/% 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 图2a为PAM、AA浓度对吸水倍率的影响。通过分析发现，AA对产物吸水倍率的影响相比于PAM更大；当PAM、AA用量继续增加时，AA-DWF-PAM/GD吸水倍率呈现上升趋势，这是由于在引发剂作用下，生成大量自由基和活性官能团，使得后期交联能够顺利完成，表现出较好的吸水性能；在当PAM用量达到2.0 g，AA用量为8 mL时，产物吸水倍率最高达325倍；当PAM、AA用量继续添加后，产物吸水倍率逐渐下降，因为超量后单体会发生自聚，导致其三维空间结构不稳定，表现出吸水性能降低。图2b为PAM、APS-PTS浓度对耐盐性能的影响，通过分析发现，引发剂浓度对产物的吸水倍率比PAM大；引发剂及单体浓度增加时，反应中的初级自由基和活性自由基也随之增加，能够使得分子链的长度逐渐增加，导致AA-DWF-PAM/GD三维结构更加稳定和紧密，因此在当APS-PTS用量达到0.9%，PAM用量为2.0 g时，产物在盐水(质量浓度为0.9%)中最高吸水倍率为120倍左右；随着PAM和APS-PTS用量继续增加时，产生的自由基较多，而使得接枝率降低、接枝链较短，产物难以形成空间网络结构进而影响产物结构稳定性，表现出耐盐性能下降。
![图 2 PAM、AA、APS-PTS浓度对产物性能的影响]()
图 2 PAM、AA、APS-PTS浓度对产物性能的影响Figure 2. Effect of PAM, AA, and APS-PTS concentrations on product properties2.2 AA-DWF-PAM/GD性能表征
2.2.1 扫描电镜分析
试验进程中各阶段产物的微观形貌如图3所示。图3a为SW表面形貌，经过破碎过60目筛后，可以发现SW表面具有较多“凸起”和“空腔”，但由于木质素和半纤维素与纤维素相互交织缠绕，能够连接、固定细胞结构，其表面基本平整且各部分紧密结合；图3b为DWF微观形貌，对木材进行脱木素处理后，使木材细胞壁结构中结壳物质与填充物质减少，孔隙增多，结构连接松动导致DWF表面翘曲褶皱；图3c、图3d为AA-DWF-PAM/GD电镜图片，可以看出抑尘剂整体存在较为孔洞，能够为抑尘剂吸水提供较多场所，且整个表面具有很多不规则的凸起，呈现网状结构，这有利于抑尘剂在溶胀过程中吸附水分子；对图3d进行EDS光谱，C、N、O和S元素映射如图3e所示，发现各元素分布均匀，证明产物具有较高的稳定性。结果表明，经过反应后SW表面结构发生改变，生成了网状空间结构且稳定性较高的抑尘材料[28]。
2.2.2 红外分析
红外光谱是研究反应进程中官能团变化和反应机理的重要手段之一，AA-DWF-PAM/GD制备过程中各个样品FTIR谱图如图4所示。图4a为SW谱图，在3 343 cm−1处观察到—OH拉伸振动峰，位于2 906 cm−1处的谱带属于纤维素中亚甲基的C—H拉伸振动，在1 623 cm−1处的峰归因于木质素中苯环碳骨架的振动，在1 372 cm−1处观察到纤维素和半纤维素分子中C—H键的弯曲振动峰，这表明锯屑含有纤维素、半纤维素和木质素；图4b为DWF谱图，—OH和C—H拉伸振动峰没有发生变化，而纤维素中的2 906、1 372以及1 267 cm−1特征峰消失，表明经过处理后半纤维素、木质素基本去除；试验中基体AA和PAM红外如图4c和图4d所示，通过自由基聚合反应后，生成AA-DWF-PAM/GD的谱图如图4e所示，对比3条曲线发现，1 616 cm−1处的吸收峰为酰胺基团C=O伸缩振动峰，1 398 cm−1为C—N伸缩振动峰，623 cm−1为NH2面外弯曲振动的吸收峰，据此说明DWF与AA和PAM反应良好[29-30]。因此，推测其反应过程如图5所示。
2.2.3 热重分析
根据AA-DWF-PAM/GD的TG-DTG参数，绘制曲线如图6所示。AA-DWF-PAM/GD在整个氧化自燃过程中，有5个温度点其质量变化较为明显，据此可分析该抑尘凝胶的失重特性。其中T1为临界温度(73 ℃)，此时AA-DWF-PAM/GD质量基本没有变化，说明该抑尘凝胶在73 ℃之前没有遭到任何破坏；T2为干裂温度(266 ℃)，AA-DWF-PAM/GD质量第一次达到最小值，煤对氧气消耗量和气体脱附量相等；T3为活性增速温度(318 ℃)，此时抑尘材料活性结构开始裂解，吸附的氧气与氧化产生的气体量一致；T4为最大失重速率温度(401 ℃)，质量损失呈指数下降趋势，AA-DWF-PAM/GD燃烧基本结束；T5为燃尽温度(578 ℃)，AA-DWF-PAM/GD燃烧后质量达到稳定[31-33]。通过TG-DTG曲线可以发现，AA-DWF-PAM/GD具有较高的热稳定性，在73 ℃之前不会发生任何活性破坏，在气候较为恶劣的地区不会因当地温度过高而影响其作用性能。
2.2.4 溶胀动力学曲线
将干燥后的AA-DWF-PAM/GD放在纱布中，然后用大量蒸馏水、NaCl、MgCl2、CaCl2溶液浸泡，得到如图7所示的吸(盐)水性能曲线。图7a是重复吸水变化趋势，在初次吸水时最高吸水倍率达325倍，随着溶胀次数增加(1号～3号)，吸水速率和吸水倍率有所降低，达到平衡所需的时间也逐渐延长，这是由于吸水干燥后的抑尘剂再次溶胀时，聚合物内部各基团及分子链伸展受限，导致经过几次溶胀-干燥循环后，AA-DWF-PAM/GD三维空间结构发生一定的破坏。图7b是AA-DWF-PAM/GD在不同浓度NaCl、MgCl2、CaCl2溶液中的溶胀曲线，随着盐溶液浓度增加，吸水倍率逐渐降低，其中在盐溶液浓度为0.8%下降较为明显，当浓度超过1.4%时，吸水倍率变化不大；不同盐溶液比较发现，降低凝胶吸水的程度按照如下顺序：NaCl＜MgCl2＜CaCl2，造成此现象归结于等离子效应，阳离子的相对分子质量、价位与凝胶吸水能力成反比[34]。
2.3 AA-DWF-PAM/GD与煤尘相互作用分析
2.3.1 抑尘性能
喷洒相同质量的水、DP、GLY及AA-DWF-PAM/GD干燥后状态如图8a所示。喷洒水干燥后，煤尘表面较为松散，没有形成保护层；喷洒DP干燥后，表面形成薄薄的一层壳体，但存在“皲裂”现象，并不能很好的覆盖底部煤尘；喷洒GLY干燥后，润湿效果较好，但样品干燥困难；喷洒AA-DWF-PAM/GD后，会在表面产生一层硬壳，且具有一定的强度，能够覆盖在煤粉表面防止二次扬尘。利用图8b所示，在风机不同位置模拟蒲福风力级(16、14、12、10、8、6 m/s)，处理30 min计算剩余质量及抑尘率，结果如图9所示[35]。
![图 8 喷洒水、DP、GLY及AA-DWF-PAM/GD作用效果]()
图 8 喷洒水、DP、GLY及AA-DWF-PAM/GD作用效果Figure 8. Effect of spraying water, DP, GLY and AA-DWF-PAM/GD![图 9 不同风速下各个样品剩余质量及抑尘率]()
图 9 不同风速下各个样品剩余质量及抑尘率Figure 9. Residual mass and dust suppression rate of each sample at different wind speeds由图9可知，在风速8 m/s以前，各样品剩余质量相差不大，这是由于粉尘自重足以应对当前风速；随着风速增加，喷洒水的样品逐渐风蚀，并产生的扬尘较大，在14 m/s(风力学中7级风)时仅剩120 g左右；DP和GLY抑尘率大致相同，这是由于DP形成的硬壳会产生皲裂，煤粉受风力影响从破裂的缝隙中飞出，而GLY能够渗透到煤尘底部，使一部分粉尘粘结团聚增加其质量，因此导致其两者抑尘性能相近，在风速14 m/s时DP和GLY抑尘率分别为44.1%、61.9%，剩余质量相差57 g；在喷洒AA-DWF-PAM/GD后表面形成一定强度的壳体，具有良好的覆盖效果，阻止粉尘的产生，在风速14 m/s时抑尘率达到89.7%，主要质量损失来源于壳体干燥后表面收缩，粉尘从四周产生的缝隙中扬起。
2.3.2 协同燃烧性能
协同燃烧避免了产物的后续处理，提高了资源的利用率，试验探讨AA-DWF-PAM/GD、煤及两者混合的燃烧性能，各样品的HRR曲线如图10所示。可以发现，在加热至209 s左右，AA-DWF-PAM/GD产生一个较小的峰值a，这是由于糖苷链及其他结构破坏所致，同样也能侧面验证，AA-DWF-PAM/GD具有较高的热稳定性；此外，AA-DWF-PAM/GD与煤具有较高的热释放速率，说明其本身能够释放大量热量；混合样品中，其热释放速率比AA-DWF-PAM/GD减少35.9 kW/m2，与煤粉相比提高了4.53 kW/m2，燃烧时间t3延长了15 s左右，这是由于AA-DWF-PAM/GD与煤粉(1:5)混合，导致热释放速率峰值及燃烧时间有所提升。综上所述，AA-DWF-PAM/GD作用后不会影响煤的燃烧热值，在进行抑尘保护环境的同时，又能与煤协同燃烧。
3. 抑尘微观机理分析
图11为AA-DWF-PAM/GD的迁移趋势以及在煤表面动态润湿过程。其中煤分子模型在wender模型的基础上添加N元素改进而来，在Compass力场下进行分子动力学模拟，将300 ps的模拟数据用于动态分析[36]。研究中的抑尘材料如图3所示具有三维网状结构，在模拟初始设置时没有将网状结构平铺在煤表面，而是选择将抑尘剂纵向布置在煤与水之间，这样既解决了网状结构抑尘剂难以确定头部和尾部基团的难题，又可以促进模拟反应的进行。随着模拟反应的进行（0～200 ps），抑尘剂的形态变化过程，在反应初期抑尘剂及水分子之间相互独立，随着反应进行，抑尘剂分子朝向煤层的一端相互交叉结合；经过300 ps模拟达到饱和扩散之后，水分子在煤表面出现扩散，并且有部分水分子及AA-DWF-PAM/GD运动到煤分子孔隙内部，放大煤−水界面，可以看到抑尘剂结构中的疏水基团与煤分子表面官能团稳定连接，而抑尘剂中的亲水基团能够将周围水分子吸引到煤分子内部。
![图 11 煤、水及AA-DWF-PAM/GD作用机理]()
图 11 煤、水及AA-DWF-PAM/GD作用机理Figure 11. Action mechanism of coal, water and AA-DWF-PAM/GD上述体系平衡状态下各组分沿Z轴的相对浓度分布及均方位移，如图12所示。图12a是在不加入抑尘剂情况下，水在煤表面的润湿程度有限，煤−水界面吸附层的厚度仅为18×10−6mm(28×10−6mm～46×10−6mm)；图12b表明在煤−水界面处检测到了抑尘剂，表明抑尘剂主要作用于煤−水界面交界处，煤−水界面吸附层的厚度增大至28×10−6mm(13×10−6mm～41×10−6mm)，表明抑尘剂促进了水分子在煤表面的吸附，提高了煤表面的润湿性。
![图 12 平衡状态下相对浓度及均方位移]()
图 12 平衡状态下相对浓度及均方位移Figure 12. Relative concentration and azimuth shift in equilibrium state此外构建时间/MSD曲线如图12c所示，说明了液体与煤分子之间的扩散情况。通过计算均方位移(MSD)和自扩散系数(D)来分析AA-DWF-PAM/GD对水分子在煤表面吸附特性的影响，拟合不同情况下的曲线斜率，分析得出运动剧烈程度：煤分子<AA-DWF-PAM/GD<水分子，这是由于AA-DWF-PAM/GD含有的各种官能团在范德华力、库仑力和液体表面张力等力的作用下向下运动，其运动程度比水分子更加剧烈，因此表现出的曲线斜率越大。通过计算可知，添加AA-DWF-PAM/GD后水分子的自扩散系数(D)增加了4.3×10−9 m2/s，可以看出加入抑尘剂后，煤表面亲水基团数量增加，吸引更多的水分子朝煤的方向迁移扩散，煤表面的润湿性增强。
综上所述，AA-DWF-PAM/GD促进了水分子在煤表面的吸附，提高了煤表面的润湿性，抑尘过程如图13所示。当AA-DWF-PAM/GD喷洒在煤表面时，一方面，粉尘与AA-DWF-PAM/GD相互接触过程中，溶液中的DP和GLY会在较短时间内润湿粉尘并形成一层水化膜，使粉尘在溶液中分散(图13a、图13b)；另一方面，煤尘表面长链基团很容易进入抑尘剂的网络层状结构中，并与其空隙相互纠缠，团聚润湿的粉尘因自重增加降落，干燥后在表面形成覆盖层(图13c、图13d)。
![图 13 AA-DWF-PAM/GD抑尘过程示意]()
图 13 AA-DWF-PAM/GD抑尘过程示意Figure 13. Schematic of AA-DWF-PAM/GD dust suppression process由于煤尘和岩粉均具有一定的疏水性，而水的表面张力又较大，煤尘和岩尘不易被水迅速、有效地湿润和捕捉，达不到理想的抑尘效果。而AA-DWF-PAM/GD能够起到良好的润湿、抑尘效果，与传统喷雾、及无机盐类抑尘剂相比，抑尘效率提升30%左右，在风速14 m/s时抑尘率约为90%；此外，AA-DWF-PAM/GD制备材料无毒、无害、无腐蚀性，选用农林废弃物大大降低本产品成本，与OP-10（1.6万元/t）、快T（1.4万元/t）以及市面销售抑尘材料（1.2万～2.0万元/t）相比，成本相对较低，仅为0.4万元/t左右。研究的新型抑尘材料对于粉尘的抑制，尤其是粉尘积聚、难润湿区域的抑尘效果，相对于常规手段的喷洒水、表面活性剂及增润剂等措施较为明显。
4. 结 论
1）通过响应面优化试验得到，WDWF：WAA：WPAM=1:8:2，引发剂用量0.9%，交联剂用量为1.6%，反应温度为75℃，GLY用量为2%，DP用量为1.3%时，AA-DWF-PAM/GD具有最高吸水倍率325倍。
2）通过SEM试验，确认了最终产物的三维空间网状结构，且具有较大的比表面积；通过FTIR试验，得到了AA-DWF-PAM/GD的反应机理；TG-DTG试验可以看出，AA-DWF-PAM/GD在73 ℃之前不会发生任何活性破坏；溶胀动力学试验发现，AA-DWF-PAM/GD最高吸水倍率为325倍。
3）经过产物性能试验测试，当风速14 m/s时抑尘率在90%左右，热释放速率提高了4.53 kW/m2，燃烧时间延长15 s左右，因此AA-DWF-PAM/GD不会降低煤的燃烧热值。
4)通过分子动力学模拟，从微观角度分析进一步解释了其抑尘机理和润湿效果，AA-DWF-PAM/GD主要作用于煤/水界面处，吸附层的厚度增大至28×10−6mm，水分子的自扩散系数增加了4.3×10−9 m2/s，经过干燥蒸发后形成一层壳体覆盖在煤尘表面，起到良好的抑尘效果。
利用废弃木屑制备高吸水抑尘材料，实现了废物的二次利用，且制得的高吸水抑尘材料具有良好的固尘粘尘效果，大幅降低产品成本，对环境友好，能够确保工矿环境健康清洁。当前“以废治尘”的工作任重而道远，下步应结合实际应用，为实现化学抑尘向废物利用化、复合化和降解化方向发展提供可能。
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图 2 PAM、AA、APS-PTS浓度对产物性能的影响
Figure 2. Effect of PAM, AA, and APS-PTS concentrations on product properties
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图 8 喷洒水、DP、GLY及AA-DWF-PAM/GD作用效果
Figure 8. Effect of spraying water, DP, GLY and AA-DWF-PAM/GD
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图 9 不同风速下各个样品剩余质量及抑尘率
Figure 9. Residual mass and dust suppression rate of each sample at different wind speeds
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图 11 煤、水及AA-DWF-PAM/GD作用机理
Figure 11. Action mechanism of coal, water and AA-DWF-PAM/GD
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图 12 平衡状态下相对浓度及均方位移
Figure 12. Relative concentration and azimuth shift in equilibrium state
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图 13 AA-DWF-PAM/GD抑尘过程示意
Figure 13. Schematic of AA-DWF-PAM/GD dust suppression process
表 1 各个参数及水平设置
Table 1 Parameters and their levels to be examined
试剂 最小值 小值 中间值 大值 最大值 PAM/g 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 AA/mL 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 APS-PTS/% 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 
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