第 1 章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
近年来，我国经济增长迅速，城市规模不断扩大，先后形成了长三角、珠三角、京津冀等协同发展经济圈。但在经济高速发展的背后，诸多环境污染问题也在凸显，其中大气污染问题已经日益成为阻碍我国经济可持续发展和影响居民正常生产生活和身体健康的重大难题之一[1]。自 2013 年开始，我国多城市爆发严重的雾霾天气，特别是京津冀等地区最为严重。对居民的正常出行、生产生活带来极大的困扰[2]。雾霾也会导致呼吸系统疾病、心脏病等发病机率增加，对城市居民的身体健康造成极大危害。且雾霾天气会导致空气能见度降低，对公共交通系统造成不利影响。同时雾霾中含有大量的悬浮颗粒，堵塞了植物的毛孔，影响植物呼吸和光合作用，使得植物生长缓慢，严重影响生态环境及农业的发展[3~5]。因此，雾霾的治理工作已经成为刻不容缓的头等大事。
雾霾作为一种新的天气现象，其主要成分是雾和霾的混合物，雾的主要成本是由悬浮于空气中的微小水滴聚合形成的气溶胶系统。霾主要由大气中的细小尘粒、烟粒、盐粒悬浮于空气中组成。雾霾的存在会使得空气变浑浊，导致水平能见度降低。雾霾的主要成分是霾，霾粒子粒径较小，且在空气中分布均匀，肉眼无法看到[6]。雾霾发生的主要原因便是由于在空气中悬浮的微小颗粒等，通俗的讲便是我们生产生活所造成的大气污染。造成大气污染的主要原因一是煤炭的使用和燃烧，由于煤炭长期作为我国的第一大能源[7,8]，在发电、炼钢、水泥等行业应用广泛，随之带来的便是以煤烟型为主的大气污染。二是机动车尾气排放。据统计，到 2018 年底，我国机动车保有量已达 3.27 亿辆，尾气排放的污染也越来越严重，已经成为造成大气污染的重要因素之一。三是基础建设施工，近年来我国基础建设如火如荼的进行，在城市逐渐扩张、路网不断完善的过程中，基础建设造成的扬尘污染愈演愈烈。研究表明，在 PM2.5 的贡献率中约 50％来自于煤炭、工业燃料、汽油的燃烧过程，33％则来源于扬尘，17％来源于溶剂使用等其它污染[9]。
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1.2 化学抑尘剂简介
1.2.1 化学抑尘剂抑尘机理
抑尘剂的抑尘机理主要包括润湿机理、凝聚机理、固结机理[13]。润湿机理是指通过减小溶液体系的表面张力，使得溶液的润湿能力大大增加，扬尘颗粒能够被较快润湿，增大了扬尘颗粒的密度，从而抑制扬尘。凝聚机理是指通过增加溶液体系的吸水能力，喷洒在扬尘颗粒表面后能持续吸收空气中的水分，形成水膜，水膜用来捕获空气中的其它扬尘颗粒。增大了扬尘颗粒的比重，加快沉降。粘结机理是指通过增加溶液体系的黏度，喷洒之后将粉尘颗粒相互粘结，降低了扬尘的分散度。且能够在喷洒物表面形成坚固外壳，将扬尘颗粒包裹在内，从源头上解决扬尘污染。
1.2.2 化学抑尘剂分类
根据化学抑尘剂的作用机理，我们将抑尘剂分为润湿型、凝聚型、粘结型和复合型四种类型[14]。
(1) 润湿性抑尘剂 润湿型抑尘剂的研究最早出现在 1940 年美国矿业局的抑制巷道路面粉尘的报告中[15,16]，随后便开始大力的发展，润湿型抑尘剂通常是指能够降低溶液表面张力的化学试剂，由表面活性剂、吸湿性无机盐、水组成[17]。表面活性剂作为一种有机类的化合物，其分子结构主要包括亲水基和亲油基两部分，两种性能相反的基团处于同一分子的两端[18]。这种特殊的“双亲结构”在气体和液体交界处紧密排列，在有效增大液体界面的吸附能力的同时减小了水与空气的接触面积，使溶液的表面张力大大降低，在润湿、乳化、增溶等方面功能显著[19]。
(2) 凝聚型抑尘剂 凝聚型抑尘剂主要通过吸收空气中的水分，使得喷洒物表面长时间保持湿润状态，而且可以在扬尘颗粒表面形成一层水膜，对空气中的其它扬尘有吸附作用。使得扬尘相互凝聚在一起，增加比重，快速下沉[20]。凝聚型抑尘剂主要包括无机盐类和吸水树脂两类。无机盐类吸湿剂一般选用氯化镁、氯化钙、硅酸钠等材料，具有良好的吸湿性能。但是无机盐对土壤和水体二次污染较大，影响植物生长，且有一定的腐蚀性能。吸水树脂又称为超强吸水剂，与水接触之后能够迅速发生水化反应，其吸水能力强大，可吸收自身百倍千倍的水分，同时还具有很好的保水能力以及重复吸水能力，是一种效果极佳的吸湿材料[21,22]。
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第 2 章 秸秆利用型抑尘剂原料优选试验
2.1 试验材料及仪器
2.1.1 尘样收集与处理
本试验在查阅相关资料的基础上对石家庄市未来科技城施工现场进行采点取样调查。采样方法参照土壤采样中的蛇形采样法[49]，共设采样点 9 个。沿整个施工现场按“Z”字形均匀分布。采样时用扫帚清扫采样点附近 5 平方米的表层土样，装入尘样收集筒，待 9 个采样点全部采样完成之后，带回实验室备用。尘样处理时，首先清除粒径较大的沙石、枯枝、塑料废弃物等建筑垃圾，而后对扬尘样品进行研磨处理。将研磨处理后的扬尘样品过 100 目标准分样筛，筛下的扬尘在 105℃的恒温鼓风干燥箱中干燥 8 小时后放入干燥器冷却至常温，称重、装袋、备用。
2.1.2 试验材料
本次试验针对化学抑尘剂的作用机理，首先对农林秸秆进行提取分离，将提取分离纤维素进行的常温碱化反应，加温醚化反应得到羟乙基纤维素作为抑尘剂的核心原料，优选性能较好的表面活性剂、吸水树脂、保水剂，复合配制而成。涉及的主要试验材料如表 2-1 所示：
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2.2 抑尘剂核心原料的制备工艺及黏度测定
2.2.1 无污染零排放植物秸秆提取纤维素工艺
以植物秸秆为原料通过粉碎、浸泡、加热得到固体纤维素和液体木质素及半纤维素的混合物质，再经固液分离处理后，得到固体纤维素，液体部分再经过木质素固化反应，经固液分离得到固体木质素，固体木质素再经炭化、洗涤、烘干得到高纯炭粉，洗涤液可用于浸泡工序；液体为半纤维素。整个过程不产生“三废”，是无污染的清洁工艺技术。流程图如图 2-1 所示，具体操作过程如下：、
1) 取过 100 目标准分样筛的植物秸秆粉末 50 g，放入烧杯内，加入氢氧化钠 10g，植物秸秆的质量与水的比例为 1:5，即加入 250 ml 水。然后放入恒温水浴中加温至 170℃，持续时间为 2.5 h。经固液分离后，烘干即可得到纤维素，纤维素质量为 15 g。
2) 提取纤维素后的富含木质素和半纤维素的水溶液，经加的木素絮凝剂，将烧杯放入恒温水浴中加热到 80-85℃，搅拌 0.5 h，沉淀后，固液分离，固体即为木质素，经过碳化、洗涤、干燥得到碳粉 8 g。
3) 液体部分为半纤维素，质量为 14 g。
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第 3 章 秸秆利用型抑尘剂配比确定试验.....................21
3.1 正交试验方案设计.......................21
3.2 正交试验考核指标及测定方法 ........................21
第 4 章 秸秆利用型抑尘剂性质表征及性能测定.........................39
4.1 秸秆利用型抑尘剂性质表征........................39
4.1.1 黏度测定..........................39
4.1.2 PH 值测定.....................39
第 4 章 秸秆利用型抑尘剂性质表征及性能测定
4.1 秸秆利用型抑尘剂性质表征
4.1.1 黏度测定
抑尘剂溶液黏度测定仪采用数显黏度计，将溶液在恒温水浴中进行加热，使得溶液保持在 25 摄氏度后可进行测试，具体测试方法与第二章相同。为避免误差，本次试验共进行三次读数，然后取平均值。最终测得该抑尘剂浓度为 106.3 mpas。
4.1.2 PH 值测定
对抑尘剂溶液PH 值的测定采用数显酸度计，首先对数显酸度计进行校准，将数显酸度计浸入 PH 值为 6.86 的标准缓冲液及 4.01 的邻苯二甲酸氢钾溶液中校准，使得显示值与标准值的差值在误差允许范围之内。具体测定方法与第三章相同。对抑尘剂溶液的 PH 值进行三次读数。取平均值为 7.23。可以看出该抑尘剂溶液的 PH 值接近中性，对环境的影响较小。
4.1.3 表面张力测定
对该抑尘剂溶液的表面张力测定采用界面张力测定仪，对仪器进行校准之后，将待测溶液倒入波杯之中进行测量，具体的测定方法与第二章相同。对抑尘剂溶液的表面张力进行三次测定，取平均值为 49.29 mN/m。可以得到该抑尘剂溶液的表面张力远低于水的表面张力 72 mN/m。对扬尘颗粒有很好的润湿效果。
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结论
本文从环保角度出发，结合抑尘剂润湿、凝聚、固结的抑尘机理，制备出一种集粘结、吸水、保水、润湿性能为一体的秸秆利用型抑尘剂。该抑尘剂在无污染零排放植物秸秆提取工艺基础上，对提取的纤维素进行常温碱化反应、加温醚化反应得到抑尘剂的核心原料羟乙基纤维素。从 9 种功能性原材料中优选保水性能较佳的保水剂、润湿性能较好的表面活性剂、吸水性能较好的吸水剂作为辅料，抑尘剂由核心原料和三种功能性辅料复合配制而成。通过正交试验，确定了抑尘剂的最佳配比。最后对抑尘剂性质性能、工程应用效果进行了详细研究，全文主要的结论如下：
1) 通过对农林秸秆进行无污染零排放的提取分离，将提取得到的纤维素进行常温碱化反应、加温醚化反应得到抑尘剂的核心原料羟乙基纤维素，对羟乙基纤维素进行黏度测试，得到羟乙基纤维素的黏度跨度范围较大，可通过调节溶液的浓度的大小，满足各种黏度需求。是一种性能良好的粘结、分散、成膜性材料。
2) 对羟丙基甲基纤维素（自制）、丙三醇、蔗糖进行保水率测定试验，得到羟丙基甲基纤维素溶液的保水率高于丙三醇及蔗糖，选用羟丙基甲基纤维素作为保水剂。对异构十三醇聚氧乙烯醚、磺化琥珀酸二辛酯钠盐、十二烷基苯磺酸钠进行表面张力测试实验，得到异构十三醇局氧乙烯醚的表面张力小于其余两种溶液，选用异构十三醇聚氧乙烯醚作为表面活性剂原材料。以吸水率为指标，对聚丙烯酸钠、羧甲纤维素、羧甲基淀粉钠进行吸水率试验，聚丙烯酸钠无论是在第一次吸水率实验还是经过 6 次干燥重复吸水后，其吸水率始终是三种材料中最高的，选择聚丙烯酸钠作为吸水剂。
3) 通过设计正交试验，以黏度、PH 值、失水率、抗压强度、渗透时间为指标，对试验数据进行极差方差分析，得到抑尘剂的最佳配比为羟乙基纤维素的质量浓度为 0.3%、聚丙烯酸钠质量浓度为 0.05%、羟丙基甲基纤维素质量浓度为 0.025%、异构十三醇聚氧乙烯醚质量浓度 0.35%。
参考文献（略）