改性壳聚糖新型抑尘剂的制备及其性能研究

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随着采矿行业的发展,矿区粉尘污染的环境问题日渐突出,如何有效控制矿山粉尘污染是一个亟待解决的环境难题。传统的洒水抑尘法和遮盖抑尘法已不能满足现有抑尘需求,现多数抑尘剂依然存在吸水保水能力不足、施用频繁、作用时间短等诸多不足之处,且鲜有研究探讨抑尘剂的施用对周边土壤环境的影响。因此,开发抑尘效果优异且不会对周边土壤环境造成负面影响的产品是未来抑尘剂发展的重要方向。壳聚糖具有优异的吸湿保湿性、成膜性及生物相容性,有作为抑尘剂材料的优良潜力,但水溶性不佳限制了其应用。因此本文以壳聚糖为原料利用化学改性手段制备了羧甲基壳聚糖(CMS),改善其水溶性,制备了一种抑尘效果优异且具有土壤改良效果的新型多功能抑尘剂。本文主要研究内容及结果如下:(1)本研究以壳聚糖为原料,利用化学改性手段制备了三种不同取代点位的改性材料。通过保水性比较,选择N,O-CMS作为改性目标,并以取代度为指标优化了反应条件,确定其最佳制备条件为:NaOH、氯乙酸、壳聚糖质量比7:4.5:1,异丙醇用量110 ml,反应时间4 h。(2)通过单体试验筛选了 N,O-CMS作为保水剂、十二烷基二甲基甜菜碱作为表面活性剂、羧甲基纤维素Ⅰ型作为粘结剂。设计了三因素三水平正交试验表,测试了各正交试验组的抑尘性能及土壤改良性能,优化了抑尘剂配比,确定其最佳配比为:0.6%N,O-CMS、0.2%十二烷基二甲基甜菜碱、0.3%羧甲基纤维素Ⅰ型。(3)本研究对抑尘剂进行了 SEM表征和接触角测试,结果表明本研究开发的抑尘剂可有效提高粉尘的可润湿性,并通过粘结、凝聚等作用在尘样表面形成三维网络结构。对喷洒抑尘剂后的尘样进行了抗破坏性能测试,结果表明尘样表面的固化层抗风蚀性良好,在20 m/s的风速下风蚀率仅为7.895%;抗压强度在60 d内基本无变化一直维持在70kpa左右,能承受人为踩踏等一般常见的外力破坏;抗雨蚀性良好,5次雨淋后的雨蚀率为21.637%;抗冻融性良好,经历6次冻融循环后表面硬度仍可达69.5 HA。(4)通过现场试验可知,本研究开发的抑尘剂对TSP、PM10及PM2.5均有良好的抑制作用,粉尘粒径越大抑制效果越明显,在90d时仍具备可观的抑制效果,与喷洒清水的对照组相比有良好的时效性。通过与三种市售抑尘剂的性能及成本对比分析可知,本研究开发的抑尘剂保水性及成膜性更为优异,抑尘效果良好且成本可控,使用后可改善土壤持水性和养分水平,有更高的综合环境效益,推广前景良好。
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