基于响应面法秸秆利用生物抑尘剂制备优化_马思远.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：河北省交通运输厅科技计划项目（）；河北省公路工程绿色施工技术创新中心基金（）作者简介：马思远（），男，硕士，助理工程师，研究方向为环境污染与防治技术，电话：，：；侯永生（），男，教授级高工，通信联系人，研究方向为环境污染防治技术和新型材料研发，电话：，：。基于响应面法秸秆利用生物抑尘剂制备优化马思远，侯永生，吕军军，（河北省公路安全感知与监测重点实验室，河北 石家庄；河北省道路结构与材料技术创新中心，河北 石家庄；河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司，河北 石家庄）摘要：为提高城市空气质量，防治扬尘污染，以植物秸秆为原料制备羟乙基纤维素，与环境友好型助剂进行复配，制备出一种新型生物抑尘剂。在原材料优选的单因素实验基础上，以硫酸镁、椰油酰胺丙基甜菜碱、丙三醇、羟乙基纤维素为自变量，以浸透速度和保水率为响应值，采用响应面设计方法，建立二次回归方程，拟合因素与响应值之间的函数关系，设计四因素三水平试验。实验结果表明：生物抑尘剂的最优配方为羟乙基纤维素的质量分数为.，椰油酰胺丙基甜菜碱的质量分数为 ，硫酸镁的质量分数为 ，丙三醇的质量分数为，与理论预测值吻合。经过测定，抑尘剂的黏度为 ，值为 ，表面张力为 ，密度为 ，浸透速度为 ，保水率为，具有良好的润湿性能和抗蒸发性能，能够有效控制扬尘污染。关键词：生物抑尘剂；秸秆利用；响应面法；羟乙基纤维素中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，；，；，）：，：，.，：；马思远等 基于响应面法秸秆利用生物抑尘剂制备优化 投稿平台：大气污染严重影响居民身体健康和正常生产生活，对公共交通造成不利影响。研究表明，对大气污染贡献率中约 来源于扬尘污染。目前，对扬尘治理的方式主要包括洒水降尘、超声波雾化降尘等，抑尘剂由于抑制扬尘效率高、时效性长的特点得到广泛关注。而传统的抑尘剂多存在功能单一，控制扬尘效果差，存在二次污染等问题。随着材料科学的发展，抑尘剂也朝着环保、固废利用、可降解的方向发展。部分研究者开发出以瓜尔豆胶等天然高分子材料为主要材料的绿色环保型复合抑尘剂、多数研究者践行以废治污的理论，以废纸、甘蔗渣、绿化废弃物等材料为主要原材料合成新型环保抑尘剂。我国农业发达，秸秆资源量巨大，存在地方产能过剩问题，同时，秋冬季节植物秸秆在田间大量燃烧，还会对环境带来严重污染，开发秸秆利用新途径的问题亟待解决。本文从秸秆利用的角度出发，开发出一种新型生物抑尘剂，该生物抑尘剂除满足控制扬尘的作用外，还具有无污染、可降解的特点，可实现以废治污的可持续发展目标。实验 实验材料实验原材料包含羟乙基纤维素，自制；氢氧化钠，亚氯酸钠，醋酸，无水乙醇，环氧乙烷，冰乙酸，丙酮，椰油酰胺丙基甜菜碱，硫酸镁，硅酸钠，硫酸钠，丙三醇，蔗糖，三乙醇胺，均为分析纯；试剂均购于山东优索化工科技有限公司。去离子水，自制。羟乙基纤维素制备工艺：将植物秸秆切为 小段，洗净，烘干，备用；投入万能粉碎机粉碎，过 标准筛后，得到秸秆粉末；称取 秸秆粉末加入烧杯中，加入质量分数的氢氧化钠溶液 ，温度 控制为 ，搅拌速度为 ，反应时间为 ；将产物烘干，加入亚氯酸钠 ，醋酸 ，温度 控制在 ，反应时间为 。经过醇洗、烘干得到纤维素；加入质量分数为的氢氧化钠溶液，反应时间为 ，碱化完成；加入环氧乙烷.，在温度 为条件下，反应，醚化反应完成。加入冰乙酸进行调酸，调节 值至 ；加入 乙二醛，温度 控制在 ，反应时间为 ，使用质量分数为 的丙酮溶液洗涤，烘干，得到羟乙基纤维素。扬尘样品：采集石家庄市槐安路、裕华路、主次干道的粉尘样品，每次清扫 区域的扬尘颗粒，共采集样品数 个，收集混合，在温度为 烘箱中干燥，选择粒径小于 的扬尘颗粒进行实验。实验方法（）吸水率测定。以吸水率为评价指标进行吸湿性实验。配制质量分数为 的吸水剂溶液，称取初始质量，置于温度 为 ，相对湿度为的恒温恒湿箱中，每隔 称量，记录质量变化，吸水率计算公式为（）式中：为吸水率；为吸湿剂与称量杯初始质量，；为一段时间后吸湿剂与称量杯质量，。（）保水率测定。以保水率为评价指标进行抗蒸发实验。配制质量分数为 的保湿剂 ，均匀喷撒在 粉尘表面，称取初始质量，将试样置于温度 为 的鼓风干燥箱中，每隔 称量，计算保水率。计算公式为 （）式中：为保水率；为粉尘与称量杯的质量，；为喷撒保湿剂后粉尘与称量杯质量，；为一段时间后称量杯与粉尘的质量，。（）浸透速度（）测定。在比色管中加入烘干至恒量的扬尘样品 ，轻敲管壁至粉尘密实，使用滴定管将抑尘剂溶液 滴入比色管中，溶液接触粉尘开始计时，记录浸润时间及浸润高度。结果与分析 单因素试验结果 吸水剂的选用对抑尘剂性能影响对硫酸镁、硅酸钠、硫酸钠进行吸水率测定，测定结果如图 所示，质量分数为 硫酸镁溶液在 之后的吸水率达到，在 种吸水剂中吸水率最高。对不同质量分数的硫酸镁溶液进行吸水率实验，在硫酸镁质量分数大于 时，吸水率保持稳定在 左右。因此选定硫酸镁溶液质量分数为，的 个水平进行响应面优化分析。表面活性剂的选用对抑尘剂性能影响表面张力（）测定，如图 所示，在 种表面活性剂中，椰油酰胺丙基甜菜碱的表面张力下降速率最快，在质量分数为 时表面张力为化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：，达到最小值并趋于稳定。因此选定椰油酰 胺 丙 基 甜 菜 碱 溶 液 质 量 分 数 为 ，.，的 个水平进行响应面优化分析。图 吸水剂吸水率测定 图 表面活性剂表面张力的测定 保湿剂选用对抑尘剂性能影响对丙三醇、三乙醇胺和蔗糖进行保水率测定，测定结果如图 所示。图 保湿剂保水率测定 可以看出，质量分数为 的丙三醇 后的保水率为，在 种保湿剂中的保水率最高，而当丙三醇溶液的质量分数大于 时，保水率趋于稳定在。因此选定丙三醇溶液的质量分数为，的 个水平进行响应面优化分析。羟乙基纤维素对抑尘剂性能影响黏度（）测定的实验结果如图 所示，当羟乙 基 纤 维 素 质 量 分 数 为 时，黏 度 为.，随着羟乙基纤维素质量分数的增加，溶液黏度逐渐增大，较高的黏度是扬尘团聚凝固的前提，但黏度过大，会出现喷撒性下降的问题。因此选定羟乙基纤维素溶液质量分数为 ，.，的 个水平进行响应面优化分析。图 羟乙基纤维素黏度测定 响应面试验结果分析在单因素试验的基础上，对各影响因素进行响应面优化分析，试验因素水平如表 所示。表 响应面分析因素和水平 因素水平编码硫酸镁质量分数 椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数 丙三醇质量分数 羟乙基纤维素质量分数 以抑尘剂性能指标浸透速度 及保水率为响应值，进行多元二次回归拟合得到回归方程，分别为 .马思远等 基于响应面法秸秆利用生物抑尘剂制备优化 投稿平台：分析浸透速度回归方程的各系数可知，羟乙基纤维的质量分数影响最大，椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数次之，丙三醇质量分数和硫酸镁质量分数影响较小，主要由于羟乙基纤维素溶液黏度较大，可有效增强粉尘颗粒之间的粘结力，阻止了水分子的下渗，对浸透速度影响最大。分析保水率回归方程的各系数可知，丙三醇质量分数影响最大，硫酸镁质量分数次之，羟乙基纤维素质量分数和椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数影响较小，由于丙三醇为一种优良保湿剂，其分子结构中含有 个羟基，具有很强的吸水作用，同时能在粉尘表面形成一层薄膜，阻碍水分蒸发。硫酸镁作为吸水剂，能够持续不断从空气中吸收水蒸气，保持粉尘表面湿润。浸透速度的方差分析结果如表 所示，值为，（值为方差分析中 个均方的比值；值为衡量控制组与实验组差异大小的指标），模型高度显著。失拟项 为 ，大于.，失拟项不显著。模型的决定系数为 ，预测决定系数为 ，能够解释 的浸透速度变化，变异系数为 ，小于，偶然误差小，表明浸透速度模型的整体拟合效果良好。各因素对浸透速度的影响程度与浸透速度回归方程分析一致。表 浸透速度的方差分析 方差来源平方和 自由度均方 值 值显著性模型 残差 失拟项 误差 总离度 为 值小于 高度显著；为 值小于 显著。保水率的方差分析结果如表 所示，值为.，模型高度显著。失拟项 为.，大于 ，失拟项不显著。模型决定系数为.，接近于，表明拟合方程可靠度高，预测决定系数 ，变异系数为 ，小于，表明模型拟合效果良好，符合统计学规律。各因素对保水率指标的影响程度与保水率回归方程分析一致。表 保水率的方差分析 方差来源平方和 自由度均方 值 值显著性模型 残差 失拟项 误差 总离度 为 值小于 高度显著；为 值小于 显著。各因素之间交互作用分析浸透速度响应面图分析如图 所示。羟乙基纤维质量分数与椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数交互作用的响应面图变化幅度较大，如图（）所示。这是由于随着溶液质量分数增大，羟乙基纤维对粉尘的粘结作用加强，水分子难以下渗，增加了溶液的浸透难度，而椰油酰胺丙基甜菜碱具备很强的分散乳化作用，可抢先吸收羟乙基纤维素分子链周围的水化水，加快浸透速度，二者交互作用对浸透速度影响明显。丙三醇质量分数与椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数的响应曲面图弯曲明显，如图（）所示。主要原因为丙三醇溶液同样具有一定的黏度，增加了溶液的浸透难度，而椰油酰胺丙基甜菜碱具有分散乳化作用，可有效降低复配溶液的表面张力，加快渗透速度，二者交互作用对浸透速度影响较大。化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：图 各因素对浸透速度交互作用的响应面 保水率响应面图分析如图 所示。图（）为椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数与硫酸镁质量分数交互作用的响应面图。可以看出，响应面变化幅度大，且为抛物面，存在最大值，主要原因为硫酸镁可持续吸收空气中的水蒸气，而椰油酰胺丙基甜菜碱基于其降低复配溶液体系表面张力作用，可有效加快浸透速度，降低溶液体系的蒸发速率，二者协同作用，可有效提高复配溶液体系的保水率。图（）为羟乙基纤维素质量分数与硫酸镁质量分数交互作用的响应面图，可以看出，响应面弯曲明显，由于羟乙基纤维素具备较好成膜效果，可在粉尘表面形成一层致密薄膜，与硫酸镁协同作用可提升保水效果。生物抑尘剂最优配比确定经过响应面优化分析，硫酸镁、椰油酰胺丙基甜菜碱、丙三醇、羟乙基纤维素的最优配比为：，和 ，响应最优值浸透速度为 ，保水率为。同时，为验证预测可靠性，配制最优配比的生物抑尘剂进行测定，测定结果为浸透速度为 ，保水率为 ，误差较小，分别为 和 。图 各因素对保水率交互作用的响应面 抑尘剂理化性质测定参照 水溶性道路抑尘剂及 铁路煤炭运输抑尘技术条件。第 部分：抑尘剂的标准要求，对该生物抑尘剂进行指标测定，测定结果如表 所示，可以看出该生物抑尘剂指标符合现行规范要求，可广泛应用道路、料堆、裸露土方的扬尘治理。表 生物抑尘剂的指标测定 测试指标生物抑尘剂测定值铁路煤炭运输抑尘技术条件第 部分：抑尘剂水溶性道路抑尘剂黏度（）表面张力（）密度（）【下转第 页】化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：，：，（），：范晓光，杨磊，张敏 不同压力下 在光滑铜基表面的饱和池沸腾传热实验 化工进展，（）：魏进家，刘斌，张永海 常 微重力下微结构表面强化沸腾换热研究进展 化工进展，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（），（）：【上接第 页】结论（）通过抑尘剂原料优选及响应面优化分析，确定抑尘剂最优配方为：硫酸镁质量分数为 ，椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数为 ，丙三醇质量分数为，羟乙基纤维素质量分数为 。（）该生物抑尘剂黏度为 ，值为 ，表面张力为 ，密度为 。浸透速度为 ，保水率为，具备良好的润湿性与抗蒸发性，符合现行规范要求。参考文献：，：，（）：李刚，吴将有，金龙哲，等 我国金属矿山粉尘防治技术研 究 现 状 及 展 望 金 属 矿 山，（）：，：李树芳，田进，谢宏，等 造纸废料制备润湿型抑尘剂及其性能研究 煤矿安全，（）：张晓庆，王梓凡，参木友，等 中国农作物秸秆产量及综合利用现状分析 中国农业大学学报，（）：苏璐璐，姬亚芹，张福强，等 水性聚合物对铁矿粉的抑尘性能与现场应用 环境工程学报，（）：张江石，刘绍灿，范召兖 新型煤尘化学抑尘剂配方优选实验 煤矿安全，（）：来水利，高沁，蔡建华，等 响应面法优化丙烯酸羟丁酯