一种无机纳米材料在粉尘抑尘中的应用

摘要

本发明公开了一种无机纳米材料在粉尘抑尘中的应用。所述的无机纳米材料为纳米二氧化硅、纳米氧化铜、氧化石墨烯中的至少一种。所述的应用中，将所述的无机纳米材料和溶剂混合，得无机纳米材料溶液，随后将该无机纳米材料溶液喷洒在粉尘表面。本发明人研究发现，将无机纳米材料用作粉尘抑尘剂，具有良好的粉尘固尘效果。本发明所述的方法，能够很好覆盖粉尘表面、填充粉尘间隙，粘结粉尘颗粒，提高粉尘抗风蚀性能，从而达到除尘的目的。本发明所述抑尘剂具有无毒、无腐蚀、环保性等特点，可广泛应用于抑尘领域，不会造成二次污染。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用无机纳米材料作为粉尘抑尘剂的应用方法，属于环境与粉尘控制领域。

背景技术

粉尘是大气的主要污染物，也是城市雾霾形成的主要诱因之一，长期接触高浓度粉尘会增加尘肺患病几率，特别是某些有毒、有害粉尘污染问题更加严重，化学抑尘作为一种粉尘防治技术手段之一，在工业生产、建筑施工等领域得到迅速发展和广泛应用，大量各类化学材料被广泛用于抑尘剂开发，其中尤以表面活性剂应用最为突出，目前已广泛开展了阳离子、阴离子、两性、非离子、高分子等类型的抑尘剂开发，且已形成不同抑尘作用机理(湿润性、吸湿性、粘结型和复合型)的化学抑尘剂系列。其中针对铁矿石等类型的粉尘，公开号为CN105907373A的中国专利文献公开了一种磁性抑尘剂，该抑尘剂含有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、瓜尔胶、羧甲基纤维素钠、十二烷基硫酸钠、羧甲基淀粉钠和磁性纳米颗粒，且相对于1重量份的聚丙烯酰胺，聚乙烯醇的含量为0.3-3重量份，瓜尔胶的含量为0.3-3.5重量份，羧甲基纤维素钠的含量为0.6-4重量份，十二烷基硫酸钠的含量为0.3-1.5重量份，羧甲基淀粉钠的含量为1.3-5重量份，磁性纳米颗粒的含量为3-5重量份。再如，公开号为CN106010452A的中国专利文献一种环境友好型可降解抑尘剂的制备方法，将油茶籽粕、氢氧化钠、羟甲基纤维素钠、碳酸氢钠、酵母粉、聚乙烯醇、硅酸钠等材料，通过一定的制备工艺可获得一种可降解的粘结型抑尘剂。

然而，传统化学抑尘剂本身材料的化学性质所致，化学抑尘剂大量应用存在潜在的环境安全风险问题。在粉尘抑尘领域中，本领域需要一种对环境负荷较小的抑尘剂方法。

为降低处理过程对环境的影响，本领域技术人员也做了一些尝试，但主要集中在固体表面污染物预防和处理方面，例如，在涂层材料中添加某些纳米材料，赋予材料的自洁净功能。如公开号为CN102618219A的中国专利文献公开了一种纳米防尘预处理剂，以亲水性TiO2溶液作为基料，C60纳米材料作为添加剂，两者混合制备而成；所述亲水性TiO2溶液的具体成分为钛酸丁酯、冰醋酸以无水乙醇溶液的混合溶液，成分体积比例为1∶1∶1。该技术方法主要利用TiO2在紫外光照射下对有机物的氧化催化效应，减轻有机物类的粉尘粘附和催化氧化变性，使其减少粘附；C60球状纳米颗粒能在表面形成微纳结构，具有一定的憎水性能，形成的纳米级结构层不利于粉尘表面附着，具有一定的防尘功效。

现有的无机纳米材料主要应用于添加至防尘涂料中，未涉及一种直接覆盖在粉尘表面，达到防止粉尘飘扬、且环境友好的粉尘抑尘方法。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种无机纳米材料在粉尘抑尘中的应用，为一种全新的粉尘抑尘思路。

一种无机纳米材料在粉尘抑尘中的应用。

本发明人研究发现，将无机纳米材料用作粉尘抑尘剂，具有良好的粉尘固尘效果。

作为优选，所述的无机纳米材料为纳米二氧化硅、纳米氧化铜、氧化石墨烯中的至少一种。

研究表明，采用该三种类型的纳米材料，其粉尘抑尘效果更优异。

进一步优选发现，所述的无机纳米材料为氧化石墨烯。采用经过氧化处理后的石墨烯在粉尘抑尘方面效果优于纳米二氧化硅和纳米氧化铜。

本发明中，利用石墨烯的片状结构和微纳尺度效应，充填粉尘表面微裂隙，通过纳米产生吸附作用，形成稳定结构，使其不宜飘扬；再则通过片状石墨烯，使其能够在粉尘表面形成一层膜状覆盖物，抵御风蚀的扬尘作用，起到固定防风的功效；其次纳米颗粒物具有特殊的理化和吸附特性，增强对水分子的吸附性能，具有一定的保水作用，有利于发挥水对粉尘的湿润功能，提高和延长洒水防尘的效果。

作为优选，氧化石墨烯采用片状结构。

进一步优选，所述的氧化石墨烯的单层率＞98％，厚度0.6～1nm，片层直径0.5～5μm。在该优选参数下的氧化石墨烯的抑尘性能更优。

本发明所述的应用，将所述的无机纳米材料和溶剂混合，得无机纳米材料溶液，随后将该无机纳米材料溶液喷洒在粉尘表面。

作为优选，所述的溶剂为水，或者为与水无限比混溶的溶剂-水混合溶剂。

进一步优选，所述的溶剂为水。

本发明中，直接将无机纳米材料分散在水中，得纳米材料溶液；随后将该纳米材料溶液喷洒在粉尘表面。

本发明方法，无需辅助于如现有技术通用的添加有机粘结剂，直接采用水分散即可。

作为优选，无机纳米材料溶液中，无机纳米材料的质量百分数大于或等于1％。

为了进一步降低处理成本，作为优选，无机纳米材料溶液中，无机纳米材料的质量百分数为1～3％。在该优选的质量百分数下，处理成本低，且处理效果好。

本发明方法，理论上可适用于任何粉尘污染环境的处理。

进一步优选，无机纳米材料溶液中，无机纳米材料的质量百分数为1～2％；最优选为1.5～2％。

优选地，本发明方法特别适合于露天矿山、建筑施工、港口码头物料堆场、交通道路施工等场地的抑尘。

作为优选，所述的粉尘的粒径为0.5μm～100μm。

作为优选，所述的无机纳米材料为氧化石墨烯，将氧化石墨烯分散在水中，配制得到质量浓度为1～3％的氧化石墨烯水溶液，随后将该氧化石墨烯水溶液喷洒在粉尘表面，进行粉尘固化处理。

进一步优选，本发明所述的应用中，采用浓度为1.5％的氧化石墨烯水溶液作为粉尘抑尘剂，喷洒在粉尘表面，进行粉尘固化处理。

本发明实验研究了多种不同类型的纳米颗粒溶液的抑尘作用机理和特性，突破了常规的化学抑尘剂材料选择范围，选用了纳米级二氧化硅、纳米级氧化铜和纳米级氧化石墨烯溶液开展了对比研究，开发了一种新型的氧化石墨烯的抑尘剂，该抑尘剂具有较高的粘度、较低的表面张力以及微纳米特有的尺度效应，喷洒该抑尘剂后能明显改善粉尘的保水性能、增强粉尘颗粒间的粘结作用，抑尘剂在粉尘表面形成覆盖石墨烯膜层，显著提高了粉尘表面的抗风蚀性能。

本发明应用，为一种基于纳米颗粒溶液的抑尘剂，为非传统化学试剂类抑尘材料的应用。本发明选用工业化的纳米级材料作为抑尘剂，包括纳米二氧化硅、纳米氧化铜、氧化石墨烯。所述纳米抑尘溶液所具有的较高粘度、较低表面张力以及微纳米尺度效应。所述溶液的质量浓度适宜区间在1.0％-3.0％。所述氧化石墨烯质量浓度为1.5％时综合抑尘性能最优。片状氧化石墨烯所形成的膜层结构与尘样表面覆盖作用。

本发明中，将采用纳米级颗粒溶液相对于水溶液(空白对照)，具有良好的导热性、稳定性和热交换特性，其微纳米尺度下所特有的微纳米尺度效应，使纳米颗粒溶液的基本物理化学特性发生显著改变，符合化学抑尘作用机理的基本特征，具有良好的抑尘作用。

有益效果：

1)纳米级颗粒能增强水溶液的粘度，防止溶液中的水分子大量蒸发，表现为具有一定的保水性与抗蒸发性能，实验结果表明其性能依次为氧化石墨烯＞SiO₂＞CuO。

2)获得了纳米溶液抑尘性能的基本规律，一般而言纳米溶液的粘度值越高、表面张力越小，其抗风蚀性能效果越好，实验结果表明其性能依次为氧化石墨烯＞SiO₂＞CuO，其中1.5％氧化石墨烯的抗风蚀性最好。

3)纳米溶液具有良好的微纳米尺度效用，特别是针对微米级粉尘颗粒而言，能在粉尘表面形成覆盖层、充填粉尘颗粒间的间隙，通过微纳米作用，粘结与固定粉尘颗粒，具有良好的抗风蚀性能。

附图说明

图1为对比例1、实施例1～9的纳米溶液抑尘剂在3.5m/s风速条件下的抗风蚀性能测试结果；

图2为对比例1、实施例1～9的纳米溶液抑尘剂在4.5m/s风速条件下的抗风蚀性能测试结果；

图3为对比例1、实施例1～9的纳米溶液抑尘剂在5.5m/s风速条件下的抗风蚀性能测试结果；

图4为实施例8(1.5％氧化石墨烯)抑尘测试尘样表面抗风蚀的表面微观分析图；

图5为实施例6(2.0％SiO₂)抑尘测试尘样表面抗风蚀的表面微观分析图；

图6为实施例2(1.5％CuO)抑尘测试尘样表面抗风蚀的表面微观分析图；

图7为对比例1(水)抑尘测试尘样表面抗风蚀的表面微观分析图。

具体实施方式

本发明通过技术实验方案实现，采用常见的化学抑尘性能的评价指标(蒸发率、吸湿率、抗风蚀率)对纳米颗粒溶液的多个抑尘性能进行了多指标对比分析。

采用的纳米二氧化硅和纳米氧化铜的纳米颗粒的粒径为40nm(上海迈坤化工)。

氧化石墨烯采用粒径小于100nm的纳米溶液(苏州碳丰)。

抑尘剂制备：选用纳米级二氧化硅、氧化铜和氧化石墨烯，水为对照样。合理配制质量浓度为1.0％、1.5％、2.0％的抑尘溶液，采用搅拌机和超声波震荡机对溶液中的纳米颗粒进行充分分散与悬浮。

分别为：

对比例1：空白对照，用于抑尘的溶液为水。

实施例1～3为纳米CuO抑尘溶液；浓度为1.0％～2.0％。

其中，实施例1，采用浓度为1.0％纳米CuO溶液作为抑尘溶液。

实施例2，采用浓度为1.5％纳米CuO溶液作为抑尘溶液。

实施例3，采用浓度为2％纳米CuO溶液作为抑尘溶液。

实施例4～6为纳米SiO₂抑尘溶液；浓度为1.0％～2.0％。

其中，实施例4，采用浓度为1.0％纳米SiO₂溶液作为抑尘溶液。

实施例5，采用浓度为1.5％纳米SiO₂溶液作为抑尘溶液。

实施例6，采用浓度为2％纳米SiO₂溶液作为抑尘溶液。

实施例7～9为氧化石墨烯抑尘溶液；浓度为1.0％～2.0％。

其中，实施例7，采用浓度为1.0％氧化石墨烯溶液作为抑尘溶液。

实施例8，采用浓度为1.5％氧化石墨烯溶液作为抑尘溶液。

实施例9，采用浓度为2％氧化石墨烯溶液作为抑尘溶液。

测试尘样制备：选用经筛分和干燥后的10g黄土尘作为室内测试尘样，均匀铺在洗净的表面皿上(d＝80mm)，尘样厚度约3mm，每次测试所用纳米溶液体积为6ml，均匀喷洒在测试尘样表面。

粘度及表面张力：采用溶液粘度计和表面张力仪对纳米抑尘溶液进行了测量，所获数据见表1。

表1纳米溶液基本参数表

注：表面张力测试环境：温度17.0±2℃，湿度86.0±2％；粘度测试环境：温度18.0±2℃，湿度88.0±2％

抗蒸发性实验：采用恒温恒湿干燥箱测试，设定测试温度分别为40℃、50℃、60℃，连续干燥，每隔30min测量一次测试样的质量变化，直到质量不变为止，蒸发率的计算公式如下：

η₁＝(ω_i-ω_i+1)/ω₀×100％

(1)

式中：η₁-测试样的蒸发率，g.m^-2.h^-1；ω₀-测试前的试样质量，g。ω_i-第i次测试样的质量，g。

吸湿性实验：将经过干燥后的测试样置于室内自然环境条件下进行吸湿对比实验，连续测试，每隔30min测量一次测试样的质量变化。吸湿率的计算公式如下：

η₂＝(ω_i+1-ω_i)/ω₀×100％

(2)

式中：η₂-测试样吸湿率，g；ω₀-测试前干燥测试样质量，g；ω_i-第i次测试样的质量，g。

抗风蚀性实验：将测试样分别置于不同风速(3.5/4.5/5.5m/s)的稳定流场中进行抗风蚀性能测试，连续测试，每隔10min测试一次测试样的质量变化，风蚀率的计算公式如下：

η₃＝(ω_i-ω_i+1)/ω₀×100％

(3)

式中：η₃-测试样风蚀率，％；ω₀-测试样干燥后质量，g；ω_i-第i次风蚀后的测试样质量，g。

图1、图2和图3中，横坐标的编号分别为：1为水(空白对照)；2为1.0％CuO(实施例1)；3为1.5％CuO(实施例2)；4为2.0％CuO(实施例3)；5为1.0％SiO₂(实施例4)；6为1.5％SiO₂(实施例5)；7为2.0％SiO₂(实施例6)；8为1.0％氧化石墨烯(实施例7)；9为1.5％氧化石墨烯(实施例8)；10为2.0％氧化石墨烯(实施例9)。

由附图1可获知，在风速为3.5m/s时，纳米溶液的抗风蚀性能优于纯水，其中1.5％氧化石墨烯的性能最好(水的18.9倍)。

由附图2可获知，在风速为4.5m/s时，纳米溶液的抗风蚀性能较纯水提升明显，在此风速下，1.5％氧化石墨烯性能最好(水的44.62倍)。

由图3可获知，在风速为5.5m/s时，纳米溶液的抗风蚀性能较纯水显著提高，其中1.5％氧化石墨烯性能最好(水的254.43倍)。

由图4可获知，氧化石墨烯溶液可在粉尘表面形成油状薄膜层，起到覆盖作用；粉尘微裂隙中形成连续充填物，发挥固结粉尘颗粒的作用。

由图5可获知，二氧化硅纳米溶液可在粉尘表面形成致密的覆盖薄层，增强了尘粒之间的相互作用，充填了粉尘表面微裂隙，达到抑制尘粒飞扬的目的。

由图6可获知，低质量浓度的氧化铜纳米颗粒在粉尘表面呈现散粒状分布，填充和覆盖粉尘表面，具有一定的抑尘作用。

由图7可获知，水溶液作用后的粉尘依旧呈松散状分布，水份蒸发后粉尘颗粒间的间隙依旧没有得到改善和加固，抑尘作用不明显。

实施例10

高炉除尘灰露天堆场小型工业放大

实施场地：某炼钢厂高炉除尘灰露天堆料场；

纳米溶液：选用纳米级片状氧化石墨烯(同实施例7的氧化石墨烯)溶液作为基料，按照质量浓度1.5％配比制备纳米溶液抑尘剂，通过喷洒装置将上述纳米溶液均匀的喷洒在除尘灰露天堆场的粉尘堆表面，经自然风干后，纳米溶液在除尘灰表面形成一层石墨烯膜状覆盖物，具有良好的抗风蚀作用。