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水性聚合物对铁精矿粉的抑尘和稳定作用研究
2019-09-29
为控制铁精矿粉的扬尘排放,研究了水性聚合物抑尘剂对研山铁精矿粉化学组成、晶体结构、Zeta 电 位、SEM表面形貌和含水率的影响,讨论了湿润状态下的抑尘效率和干燥状态下的稳定作用。结果表明,抑尘剂通 过交联和氢键促进颗粒物聚集,提高铁精矿粉的保湿能力,降低风力侵蚀性。聚合物用量为0.5%时,30 ℃、35%相 对湿度下的平均含水率比洒水提高了 1.4 倍,9.5 m/s 风速下装卸过程和露天堆场估算的抑尘效率分别达到 71.43% 和 94.86%。聚合物提高了团聚体的内聚力,28 d 压缩强度为 0.91 MPa,是洒水样品的 10.6 倍。以致密的聚集体表 面封闭粉体,节约水资源,可实现半...
Series No. 519 金 属 矿 山 总第 519 期 September 2019 METAL MINE 2019 年第 9 期 水性聚合物对铁精矿粉的抑尘和稳定作用研究 1 1 1,2 1 1 2,31 殷福星 苏璐璐 柳 鹏 张福强 韩 浩 杨红健 ( 1. 河北工业大学化工学院,天津 300130;2. 河北工业大学能源装备材料研究院,天津 300130; 3 . 天津市材料层状复合与界面控制技术重点实验室,天津 300130) 摘 要 为控制铁精矿粉的扬尘排放,研究了水性聚合物抑尘剂对研山铁精矿粉化学组成、晶体结构、Zeta 电 位、SEM 表面形貌和含水率的影响,讨论了湿润状态下的抑尘效率和干燥状态下的稳定作用。结果表明,抑尘剂通 过交联和氢键促进颗粒物聚集,提高铁精矿粉的保湿能力,降低风力侵蚀性。聚合物用量为 0.5%时,30 ℃、35%相 对湿度下的平均含水率比洒水提高了 1.4 倍,9.5 m/s 风速下装卸过程和露天堆场估算的抑尘效率分别达到 71.43% 和 94.86%。聚合物提高了团聚体的内聚力,28 d 压缩强度为 0.91 MPa,是洒水样品的 10.6 倍。以致密的聚集体表 面封闭粉体,节约水资源,可实现半年以上的有效抑尘。抑尘剂未引入有害因素和杂质,对铁精矿粉的原料品质无 不良影响,不影响后续使用。 关键词 铁精矿粉 扬尘 露天堆场 悬浮颗粒物 PM2.5 抑尘剂 节水 中图分类号 X513,TD926 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-09-185-04 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201909030 Study on Suppressing and Stabilizing Effect of Water-based Polymers on Iron Concentrate Powder 1 1 1,2 1 1 2,32 Su Lulu Liu Peng Zhang Fuqiang Han Hao Yang Hongjian Yin Fuxing (1. School of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;2. Research Institute for Energy Equipment Materials, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China;3. Tianjin Key Laboratory of Materials Laminating Fabrication and Interface Control Technology, Tianjin 300130, China) Abstract To control the dust emission of iron concentrate powder, chemical components, crystal structure, Zeta poten⁃ tial, SEM morphology and moisture content of Yanshan iron ore concentrate powder were investigated with water-based poly⁃ mers dust suppressant. The suppressing efficiency in wet and stabilizing effect in dry were discussed. The results showed that dust suppressant promoted agglomeration of particles via crosslinking and H-bonding, improved the moisturizing ability of iron concentrate powder and thus effectively reduced wind erosion. At the temperature of 30 ℃, relative humidity of 35% and poly⁃ mer dosage of 0.5%, the average moisture content was increased by 1.4 times compared with watering, and at wind rate of 9.5 m/s, the estimated suppressing efficiency in handling and open yard reached 71.43% and 94.86%, respectively. Cohesive forc⁃ es of aggregates enhanced by polymers, and compressive strength was 0.91 MPa after 28 d, which was 10.6 times of the water⁃ ing samples. Iron concentrate powder was sealed with dense aggregates surface, which saved water and suppressed dust over half a year. No harmful elements and impurities were induced by polymers. No adverse impacts which influences the future use were caused for the quality of iron concentrate raw materials. Keywords Iron concentrate powder, Dust emission, Open yard, Suspended particles, PM2.5, Dust suppressant, Water saving 在铁精矿粉的装卸、搬运和露天存放过程中,作 业机械和自然风力的卷扬容易产生扬尘。扬尘造成 的铁精矿粉损耗不仅给企业带来直接的经济损失, 荷电,因而煤炭行业抑尘效果较好的洒水抑尘抑尘 [4-7] 剂并不能有效地提高铁精矿粉微粒的内聚力 。氯 化钙和硅酸钠虽然对粒度小于 10 μm 的铁精矿颗粒 的抑尘效率达到 85%,但这些药剂对金属有腐蚀作 [1-3] 而且污染空气、水体和土地 。 由于铁精矿粉颗粒荷正电,而煤炭粉尘颗粒不 2 用,且严重影响植物的生长,而且 SiO 不利于高炉冶 收稿日期 2019-08-10 基金项目 河北省科技计划项目(编号:17273703D),天津市科技计划项目(编号:16ZXCXSF00010)。 作者简介 苏璐璐(1994—),女,硕士研究生。通讯作者 张福强(1965—),男,教授。 · 185 · 总第519期 金 属 矿 山 2019年第9期 [ 8] 炼 。因此,研究适合铁精矿粉抑尘的高效、环保、低 成本抑尘剂具有现实意义。 3 试验结果与讨论 3. 1 湿抑尘作用 河北工业大学化工学院研制出一种水性聚合物 抑尘剂,对比了其水溶液对微细粒铁精矿粉的抑尘 效果与生产现场常采用的洒水抑尘效果的差异。并 通过Zeta 电位、SEM和抗压强度等分析手段,表征了 水性聚合物抑尘剂在抑制铁精矿粉扬尘中的作用。 3. 1. 1 静置时间对试验原料含水率的影响 洒水尽管有效时间短,但依然是抑制试验原料 [ 7] 扬尘的常见措施,其中关键指标是含水率 。图1为 30 ℃、35%相对湿度下试验原料含水率的变化情况。 1 试验原料与水性聚合物抑尘剂的合成 1 . 1 试验原料 由于风力扬尘的主要颗粒粒度为-200 目,参照 [ 9] 美国环保局 AP-42 方法 ,选用研山铁精矿粉中 的-200 目粒级为试验原料,其主要矿物成分为磁铁 矿,-30 μm以下粒级的质量分数为38.92%。 1 . 2 水性聚合物抑尘剂的合成 醋酸乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和丙烯酸羟乙酯 单体通过幂级加料方式合成乳白色醋丙乳液类水性 从图1可以看出:(1)喷洒抑尘剂后,试验原料干 燥较慢,含水率始终高于洒水样品。(2)至完全干燥, 即水挥发达到平衡,使用抑尘剂需要7.5 h,对应的含 水 率 为 2.19% ;洒 水 仅 需 3.5 h,对 应 的 含 水 率 为 [10] 聚合物抑尘剂 ,其105 ℃固含量为39.7%,pH=6.7。 2 试验方法 2 . 1 含水率试验 将初始质量为 20.0 g 的试验原料置于 ϕ 100 mm 0.85%。因此,抑尘剂有利于减少水分蒸发。 培养皿中,喷洒 5.0 g 浓度为 2.0%的水性聚合物抑尘 剂水溶液或蒸馏水,测定30 ℃、35%相对湿度下某一 时刻的样品质量,并计算含水率。 3 . 1. 2 露天堆场的抑尘效率 在露天存放过程中,铁精矿粉尽管处于静态,自 然风力侵蚀也会导致扬尘。根据刘琴建立的排放模 2 . 2 Zeta电位 [12] ,在风速为 9.5 m/s 下,洒水的铁精矿粉扬尘量 型 用试验原料配制浓度为0.1%的悬浮液,以Nano- 为 41.35 g(/ kg·h),使用抑尘剂对应的扬尘量为 2.13 g(/ kg·h),即对露天堆场而言,抑尘剂相对洒水的抑 尘效率为94.86%。因此,在露天堆场上,抑尘剂可以 高效抑制铁精矿粉的扬尘。 ZS90 型电位分析仪测定 Zeta 电位,研究水性聚合物 抑尘剂与试验原料颗粒间的相互作用。 2 . 3 形貌分析 将表面喷洒抑尘剂的铁精矿粉在室温下干燥、 3 . 1. 3 装卸过程的抑尘效率 喷金制样,以 Nova Nano SEM450 型电镜观察该样品 的表面形貌,分析水性聚合物抑尘剂对试验原料颗 粒状态的影响。 铁精矿粉在装卸和堆取过程中,粉体自由降落 的冲击力、物料与空气的摩擦力以及作业机械的剪 切力都可能导致扬尘。由于因素复杂,环境科学领 域通常采用经验模型估算扬尘的排放量。根据环保 2 . 4 压缩强度 取 220.0 g 试验原料与 55.0 g 浓度为 2.0%的抑尘 [ 11] 部建议使用的模型 ,在风速为 9.5 m/s 情况下装卸 铁精矿粉,抑尘剂相对洒水的抑尘效率为 71.43%。 因此,在装卸过程中,抑尘剂可以有效抑制铁精矿粉 的扬尘。 剂溶液混合均匀,在规格为 40 mm´40 mm´40 mm 黄 铜模具内成型、脱模,室温下干燥。依《GB 17671- 1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试不同龄期 试块的抗压强度,研究聚合物对试验原料的增强作 用。作为对比,使用等质量蒸馏水重复以上操作。 3. 2 干燥状态下的稳定作用 3. 2. 1 Zeta电位 磁铁矿水溶性低,在中性水介质中以固态形式 存在。由于试验原料表面呈正电性,在不同抑尘剂 浓度的水溶液中的Zeta电位见图2。 2 . 5 X射线衍射分析 对-200 目粒级的试验原料用研钵进一步磨细 后,采用 Bruker-D8 Focus X 射线衍射仪(XRD)测定 抑尘剂对铁精矿粉晶体结构的影响,以确保其品质 的安全性。 由图2可以看出,试验原料在纯水中的Zeta电位 为-18.4 mV;随着抑尘剂浓度的升高,试验原料的 · 186 · 苏璐璐等:水性聚合物对铁精矿粉的抑尘和稳定作用研究 2019年第9期 低风力侵蚀,可实现干燥矿堆的稳定,有效抑尘长达 半年以上,摆脱对含水率的依赖,可实现节约水资源 的目标。与之相对,洒水矿堆干燥后粉体颗粒界面清 晰,堆积体表面颗粒松散,颗粒间无结合力可言,表明 水的聚集能力低且有可逆性,抑尘能力难以持久。 3 . 2. 3 抑尘铁精矿粉的强度 不同龄期抑尘原料试块的抗压强度见图4。 Zeta电位显著下降,说明聚合物抑尘剂在试验原料表 面发生了化学吸附,主要是聚合物羧基与颗粒表面 3 + [6] 的 Fe 发生了交联反应 ;聚合物抑尘剂的浓度增大 至 0.5%,试验原料的 Zeta 电位下降至最低点-51.7 [ 13] mV,铁精矿粉的分散性不断提高 ;继续增大抑尘剂 的浓度,颗粒水化层的负电荷阻碍进一步吸附,Zeta 电位反而小幅上升。 3 . 2. 2 铁精矿粉团聚体的表面形貌 干燥过程中试验原料的含水率不断降低,磁铁 - 从图 4 可以看出:随着干燥过程水分的蒸发,游 离水的减少,水的内聚作用显现,抑尘剂试块和洒水 试块 7 d 的抗压强度分别为 1.19 MPa 和 0.34 MPa,表 明抑尘剂有利于提高原料试块的强度。龄期的继续 延长,试块含水率持续下降,其内聚作用逐渐丧失, 洒水试块 28 d 的抗压强度降至 0.086 MPa;由于抑尘 剂聚合物的交联和氢键作用,抑尘剂试块的抗压强 度仅小幅下降,28 d 天的抗压强度为 0.91 MPa,是洒 矿颗粒水化层的 OH 浓度逐渐降低,聚合物抑尘剂 3 + 的羧基与 Fe 发生交联反应,与 Fe—OH、Si—OH、 [14] Al—OH 的氢键作用不断增强 ,磁铁矿颗粒相互聚 集、密实堆砌,间隙缩小,水挥发因此变慢。与洒纯 [15] 。 水不同,聚合物抑制剂可以聚集-10 μm的细颗粒 图 3 为试验原料在抑尘剂溶液或纯水干燥后集 合体表面的微观形貌。 [10] 。 水试块的10.6倍,足以抵御八级风力的侵蚀 . 3 抑尘剂对试验原料品质的影响 图5为试验原料喷洒抑尘剂前后的XRD图谱。 3 从图5可以看出,试验原料喷洒抑尘剂前后均仅 可见 Fe 的特征衍射峰,表明抑尘剂只能与颗粒表 3 O 4 面的铁原子和溶液离子结合,不能进入磁铁矿晶格, 因而不影响铁精矿粉的结构。 从图 3 可以看出,抑尘剂溶液完全干燥后,粉体 颗粒相互胶结,形成了平整、致密的表面封闭层。因 此,在没有人为破坏的情况下,用篷布遮盖矿堆以降 4 结 论 (1)喷洒抑尘剂水溶液有利于延缓铁精矿粉的 · 187 · 总第519期 金 属 矿 山 2019年第9期 and PM10 from open storage piles in China[C]//2018. 3] Sarkar A,Shekhar S. Iron contamination in the waters of Upper Ya⁃ muna basin[J]. Groundwater for Sustainable Development,2018, :421-429. 4] Xi Z,Jin L,Richard Liew J Y,et al. Characteristics of foam sol 干燥速度,且含水率始终高于洒水样品;水分挥发至 平衡,使用抑尘剂情况下需要7.5 h,对应的含水率为 [ 2 .19%;洒水仅需 3.5 h,对应的含水率为 0.85%,即抑 尘剂有利于减少水分蒸发。 2)根据经验模型,露天存放的铁精矿粉在风速 7 [ ( clay for controlling coal dust[J]. Powder Technology,2018,335: 401-408. 为9.5 m/s下,洒水扬尘量为41.35 g(/ kg·h),使用抑尘 剂的扬尘量为 2.13 g(/ kg·h),即对露天堆场而言,抑 尘剂相对洒水的抑尘效率高达 94.86%;铁精矿粉的 装卸和堆取过程中,在风速为9.5 m/s下,抑尘剂相对 洒水的抑尘效率为71.43%。 [ 5] Inyang H I,Bae S,Pando M A. Contaminant dust suppression ma⁃ terials:A cost- effectiveness estimation methodology[J]. Measure⁃ ment,2016,93:563-571. [ 6] Quast K. The use of Zeta potential to investigate the interaction of oleate on hematite[J]. Minerals Engineering,2016,85:130-137. [7] Copeland C R,Kawatra S K. Design of a dust tower for suppression of airborne particulates for iron making[J]. Minerals Engineering, (3)在一定范围内提高抑尘剂溶液的浓度,试验 原料的 Zeta 电位显著下降,抑尘剂在试验原料表面 2 011(13):1459-1466. 发生了化学吸附,主要是聚合物羧基与颗粒表面的 [8] Srivastava U,Kawatra S K,Eisele T C. Study of organic and inor⁃ 3+ Fe 发生了交联反应,有利于抑制铁精矿粉的扬尘。 ganic binders on strength of iron oxide pellet[J]. Metallurgical & Materials Transactions B,2013(4):1000-1009. (4)抑尘剂溶液完全干燥后,粉体颗粒相互胶 结,形成了平整、致密的表面封闭层。在没有人为破 坏的情况下,用篷布遮盖矿堆以降低风力侵蚀,可实 现干燥矿堆的稳定,有效抑尘长达半年以上,摆脱对 含水率的依赖,可实现节约水资源的目标。与之相 对,洒水矿堆干燥后粉体颗粒界面清晰,堆积体表面 颗粒松散,颗粒间无结合力可言,表明水的聚集能力 低且有可逆性,抑尘能力难以持久。 [9] US EPA. Emission factor documentation for AP-42:section 13.2.2 unpaved roads[R]. Research Triangle Park,NC:Measurement Poli⁃ cy Group Office of Air Quality Planning and Standards,2011. [10] 佟云华,刘永刚,苏璐璐,等. VAc共聚乳液对道路浮尘的粘接 作用[J]. 中国胶粘剂,2018(11):21-23,36. Tong Yunhua,Liu Yonggang,Su Lulu,et al. Adhesion of VAc co⁃ polymer emulsion to road floating dust[J]. China Adhesives,2018 (11):21-23. 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