一种铁路煤炭运输用抑尘剂及其制备方法与流程

1.本发明属于应用材料技术领域，具体涉及一种铁路煤炭运输用抑尘剂及其制备方法。


背景技术：

2.我国原煤产区集中在晋陕蒙等省区，而煤炭消费的主要区域则在东南沿海地区。生产和消费间的跨度形成了“西煤东送”、“北煤南运”的格局，造成了煤炭长距离跨地区运输成为常态。其中，铁路运输，尤其是敞篷式铁路运输是煤炭运输的主要形式。煤炭在长距离运输中，由于机车的高频振动和经过隧道等强对流区域，如果不加处理，煤炭会产生大量扬尘和碎屑，不仅污染环境，还造成经济损失。
3.目前常用且经济的治理铁路运输煤炭扬尘的方法是在煤炭装车完成后在煤炭表面喷洒抑尘剂，随着抑尘剂的渗入，在煤炭表面形成了具有一定强度的固化层，从而能够防止运输过程中煤粉和煤屑的飞扬和遗洒。
4.在行业标准tb/t3210.1-2020《铁路煤炭运输抑尘技术条件》中对抑尘剂的技术条件做了规定，具体见表1。
5.表1铁路煤炭运输用的抑尘剂技术参数
6.[0007][0008]
现有技术中已经出现了多种用于煤炭铁路运输的抑尘剂。如公开号cn109609093a(公开日2019年4月12日)的中国发明专利申请公开了一种煤炭抑尘剂，包括二甲基乙基脲和聚乙烯醇的配合物50-80％、香豆胶2-20％、十二烷基二甲基苄基溴化铵1-12％和聚苯乙烯乳液5-20％。聚苯乙烯及其乳液不可降解，有污染环境的风险，伴随煤炭燃烧，对煤炭性能有影响。再如公开号cn112210020a(公开日2021年1月12日)的中国发明专利申请公开了一种高直链淀粉的制备方法和在制备煤炭抑尘剂中的应用。该发明采用冷水速溶高直链淀粉在乙醇中反应，在高直链淀粉分子上引入了磺乙基基团，从而得到粘性、亲水性、成膜后强度和韧性都得到显著提升的功能化的高直链淀粉。该文件记载的检测项没有腐蚀、皮肤刺激、毒性等测试数据，仅公开了粘度、ph值和抑尘效果，测试数据不完全；而且该高直链淀粉中可能残留2-氯乙基磺酸钠，其对水体有害，不能接触地下水、水道或污水系统，并对金属有一定腐蚀作用。公开号cn112920776a(公开日2021年6月8日)的中国发明专利申请也公开了一种煤炭抑尘剂，包含1.54-3.85重量份的成膜组分、0.40-0.70重量份溶剂组分、0.10-0.20重量份增塑剂组分、0.10-0.70重量份固化剂组分、0.10-0.25重量份增韧剂组分、1.10-2.30重量份增稠剂组分、0.07-0.10重量份增黏剂、0.02-0.05重量份消泡剂组分、0.15-0.27重量份辅助助剂、100-160重量份水；其中，成膜组分包含醋酸丁酸纤维素、聚醋酸乙烯中的一种或多种；所述溶剂组分包含蔗糖醋酸异丁酯、甲基乙基酮、环己酮、甲酸乙酯、乙酸乙酯中的一种或多种；所述固化剂组分包含脂肪族胺类、酰胺基胺类、改性聚醚胺固化剂中的一种或多种；所述增塑剂组分包含邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酚酯、聚乙二醇、磷酸三辛酯、磷酸三丁酯中的一种或多种；所述增韧剂组分包含聚乙烯醇、羧基丁睛胶乳、聚醋酸乙烯乳液中的一种或多种；所述增稠剂组分包含改性淀粉、羧甲基淀粉、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、琼脂、聚氧化乙烯、瓜尔胶粉、羟丙基纤维素中的一种或多种；所述增黏剂包含复合增黏剂、羧甲基纤维素钠中的一种或多种。但抑尘剂含有一定量溶剂、增塑剂，长期使用对环境有污染，容易产生次生问题；此外，磷酸脂类增塑剂容易引起金属腐蚀；醋酸丁酸纤维素不溶于水，容易引起抑尘剂的沉淀和结团。
[0009]
总之，现有技术中已经披露的抑尘剂，都存在一些不足，或者测试项点不全，多数只片面强调抑尘效果，但没有关键的腐蚀、毒性等数据，无法证明这些抑尘剂的可应用性；
或者抑尘剂含有环境不友好物质或者酸碱性物质，会对水体、煤炭或车体金属造成不良问题；或者抑尘剂溶解速度慢或溶解工艺复杂，或生产工艺复杂，造成成本较高；或者抑尘剂配制成溶液后稳定性差，容易出现沉淀，从而损坏喷淋设备，并影响抑尘效果，或者在环境温度高时容易变质、发霉、产生异味。


技术实现要素：

[0010]
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于铁路运输的煤炭抑尘剂。该抑尘剂结壳后强度高，不会随车体振动开裂；溶解速度快，不结团、无沉淀，便于大规模喷洒作业；不含硫、氮等物质，对煤炭燃烧性能无影响。此外，本发明的抑尘剂原料均可降解，对环境友好。
[0011]
为达到上述技术效果，本发明采用了如下的技术方案：
[0012]
一种用于煤炭抑尘剂的组合物，按重量100份计由以下组分组成：
[0013]
改性淀粉10-50份、可降解植物胶2-25份、成膜剂10-50份、纤维素20-70份、防腐剂0.1-1.5份和杀菌剂0.1-1.5份；
[0014]
其中，所述改性淀粉是以环糊精或单脂肪酸甘油酯为改性剂；所述成膜剂选自聚丙烯酸及其衍生物、聚乙二醇、聚乙烯醇、水溶性聚乙烯醇纤维中的至少一种。
[0015]
优选地，所述组合物按重量100份计由以下组分组成：
[0016]
改性淀粉15-40份、可降解植物胶2-20份、成膜剂15-40份、纤维素25-60份、防腐剂0.1-1.5份和杀菌剂0.1-1.5份。
[0017]
更优选地，所述煤炭抑尘剂按重量100份计由以下组分组成：
[0018]
改性淀粉20-30份、可降解植物胶5-15份、成膜剂20-35份、纤维素30-50份、防腐剂0.1-0.9份和杀菌剂0.1-0.9份
[0019]
优选地，所述改性剂选自β-环糊精、羟丙基-β-环糊精和月桂酸单甘酯中的一种粉。
[0020]
还优选地，所述淀粉选自玉米淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉或红薯淀粉。
[0021]
作为一个优选的实施方案，本发明提供上述改性淀粉的一种制备方法：
[0022]
以淀粉的重量为基准，将所述改性剂按照1
‰‑3‰
的比例与淀粉进行混合，加入适量水，加热搅拌糊化，然后60℃
±
5℃下继续搅拌至少1小时，至无结团，然后置于50℃
±
5℃烘箱内烘干，得到所述改性淀粉。
[0023]
优选地，所述成膜剂选自聚乙二醇4000、聚乙二醇6000、聚乙烯醇pva2488和水溶性聚乙烯醇纤维中的一种。
[0024]
优选地，所述可降解植物胶选自黄原胶、瓜尔胶、角豆胶、田菁胶以及它们的改性胶中的至少两种。
[0025]
更优选地，所述可降解植物胶为黄原胶、瓜尔胶和田菁胶的组合；其中，黄原胶和瓜尔胶的总重量与田菁胶的重量比为5：1～15：1。
[0026]
进一步优选地，所述黄原胶和瓜尔胶的总重量与田菁胶的重量比为10∶1。
[0027]
更优选地，当所述煤炭抑尘剂在≤5℃的温度下使用时，黄原胶与瓜尔胶的重量比为1∶0.7～1∶1，当所述煤炭抑尘剂在＞5℃的温度下使用时，黄原胶与瓜尔胶的重量比为1∶1.5～1∶2.5。
[0028]
优选地，所述纤维素选自羟丙基甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素中的至少一种。
[0029]
更优选地，所述纤维素选自羟丙基甲基纤维素和羟甲基纤维素中的一种。
[0030]
优选地，所述防腐剂选自对羟基苯甲酸酯、山梨酸钾、脱氢乙酸钠中的至少一种。
[0031]
优选地，所述对羟基苯甲酸酯选自对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丙酯或对羟基苯甲酸丁酯。
[0032]
优选地，所述防腐剂选自山梨酸钾和脱氢乙酸钠中的一种。
[0033]
优选地，所述杀菌剂选自聚季铵盐、异噻唑啉酮类，苯并异噻唑啉酮类中的至少一种。
[0034]
更优选地，所述杀菌剂选自聚季铵盐-10和卡松中的一种。
[0035]
本发明的第二个目的在于提供上述组合物的制备方法。包括如下步骤：
[0036]
(1)按照重量配比准备各组分；
[0037]
(2)将改性淀粉和可降解植物胶混合，加水充分溶解后，经孔径≤35目的滤网过滤，通过高压均质机，将均质液置于50℃
±
5℃烘箱内烘干，得到易溶粉体；其中，高压均质机均质压力为26000-30000psi；
[0038]
(3)将步骤(2)得到的所述易溶粉体和纤维素、成膜剂、防腐剂和杀菌剂放入无重力固体分散设备进行混合，混合均匀后出料分装，即得。
[0039]
另外，本发明还有一个目的在于提供上述组合物或按照上述制备方法制备得到的组合物在抑制煤炭因运输造成的煤尘飞扬的用途。
[0040]
优选地，所述运输是指铁路运输。
[0041]
具体地，所述用途是指将本发明所述组合物加水搅拌、溶解，得到质量百分比浓度为1％的胶体溶液，按照规定量喷洒在已装车的煤炭表面。
[0042]
所述规定量，根据煤炭的装载量决定；其中，如果运输的煤炭不超出货车端侧墙高度，则煤炭单位表面积喷洒量不小于2.2l/m2；如果运输的煤炭超出货车端侧墙高度，则煤炭单位表面积喷洒量不少于3.5l/m2。
[0043]
本发明还提供一种煤炭抑尘剂，包括上述组合物和水，其中所述组合物和水的重量比为1:99。
[0044]
本发明提供的用于煤炭抑尘剂的组合物，溶解速度快，不结团、无沉淀，不堵塞喷头，不损坏喷洒装置，便于大规模喷洒作业。此外，本发明的组合物原料均可降解，对环境友好。由该组合物配制的抑尘剂稳定性好，不易霉变；喷洒在煤炭表面，结壳强度高，不会随车体振动开裂；不含硫、氮等物质，对煤炭燃烧性能无影响。
具体实施方式
[0045]
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
[0046]
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
[0047]
实施例1一种用于煤炭抑尘剂的组合物
[0048]
所述组合物的组成为(其中1份＝10kg)：
[0049][0050]
所述组合物的制备方法如下：
[0051]
1)改性淀粉制备
[0052]
将β-环糊精和玉米淀粉加入反应釜中，加热搅拌，向反应釜中分次缓慢加入水，直至糊化，加热温度控制在60℃，继续搅拌至少1小时，至无结团，将得到的改性糊化玉米淀粉置于50℃烘箱内烘干，得到改性玉米淀粉。
[0053]
2)易溶粉体制备
[0054]
将改性玉米淀粉、黄原胶、瓜尔胶、田菁胶、水在反应釜中充分溶解后，过滤，溶液通过高压均质机形成均质液，均质压力为26000psi，均质2次，将均质液置于50℃烘箱内烘干，得到易溶粉体。
[0055]
3)抑尘剂制备
[0056]
将制备的易溶粉体、羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇4000、山梨酸钾、聚季铵盐-10放入无重力固体分散设备进行混合，混合均匀后出料分装。
[0057]
将本实施例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0058][0059][0060]
本实施例的组合物配制成的抑尘剂适于环境温度于5℃时使用。
[0061]
实施例2一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0062]
本实施例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0063][0064]
本实施例所述组合物通过与实施例1相似的方法和步骤制备，只是在“易容粉体制备”步骤中，高压均质机的均质压力28000psi。
[0065]
本实施例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0066]
[0067][0068]
本实施例的组合物配制的抑尘剂适于环境温度高于5℃时使用。
[0069]
实施例3一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0070]
本实施例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0071][0072][0073]
本实施例所述组合物通过与实施例1相似的方法和步骤制备，只是在“易容粉体制备”步骤中，高压均质机的均质压力30000psi。
[0074]
本实施例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0075][0076][0077]
本实施例的组合物配制的抑尘剂适于环境温度低于5℃时使用。
[0078]
实施例4一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0079]
本实施例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0080][0081]
本实施例所述组合物通过与实施例1相似的方法和步骤制备，只是在“易容粉体制备”步骤中，高压均质机的均质压力28000psi。
[0082]
本实施例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0083]
[0084][0085]
本实施例的组合物配制的抑尘剂适于环境温度低于5℃时使用
[0086]
实施例5一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0087]
本实施例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0088][0089]
本实施例所述组合物通过与实施例1相似的方法和步骤制备，只是在“易容粉体制备”步骤中，高压均质机的均质压力30000psi。
[0090]
本实施例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0091][0092]
本实施例的组合物配制的抑尘剂适于环境温度高于5℃时使用。
[0093]
对比例1一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0094]
本对比例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0095][0096]
本对比例的组合物的制备方法如下：
[0097]
将玉米淀粉、黄原胶、瓜尔胶、田菁胶、羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇4000放入无重力固体分散设备进行混合，混合均匀后出料分装。
[0098]
本对比例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0099]
[0100][0101]
本对比例的组合物与水混合时较难溶解，有较多沉淀，会堵塞喷淋设备；且水溶液常温放置72h后，有异味和长霉现象。
[0102]
对比例2一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0103]
本对比例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0104][0105]
本对比例的组合物制备方法如下：
[0106]
1)易溶粉体制备
[0107]
将木薯淀粉、黄原胶、瓜尔胶、田菁胶、水在反应釜中充分溶解后，过滤，溶液通过高压均质机形成均质液，质压力为28000psi，均质2次，将均质液置于50℃烘箱内烘干，得到易溶粉体。
[0108]
2)抑尘剂制备
[0109]
将制备的易溶粉体、羟甲基纤维素、聚乙二醇6000、脱氢乙酸钠、卡松放入无重力固体分散设备进行混合，混合均匀后出料分装。
[0110]
本对比例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0111]
[0112][0113]
本对比例的组合物水溶液常温放置72h后，有絮状沉淀产生，为淀粉不稳定析出。该沉淀会堵塞喷淋设备，造成设备的损坏。
[0114]
对比例3一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0115]
本对比例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0116]
[0117][0118]
本对比例的组合物制备方法如下：
[0119]
1)改性淀粉制备
[0120]
将羟丙基-β-环糊精和木薯淀粉加入反应釜中，加热搅拌，向反应釜中分次缓慢加入水，直至糊化，加热温度控制在60℃，搅拌1小时，至无结团，将得到的改性糊化玉米淀粉置于50℃烘箱内烘干，得到改性木薯淀粉。
[0121]
2)抑尘剂制备
[0122]
将改性木薯淀粉、黄原胶、瓜尔胶、田菁胶、羟甲基纤维素、聚乙烯醇水溶性纤维、山梨酸钠、卡松放入无重力固体分散设备进行混合，混合均匀后出料分装。
[0123]
本对比例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》的规定，测定的性能如下：
[0124]
[0125][0126]
本对比例的组合物加水溶解速度较慢，有“鱼眼”状结块悬浮物，可能是因为黄原胶难以溶解所致。这些悬浮物会堵塞喷淋设备。
[0127]
对比例4：一种用于煤炭运输抑尘剂的组合物
[0128]
市售大部分抑尘剂含有丙烯酸树脂、十二烷基硫酸钠、烷基苯磺酸盐、无水硫酸钠、硅酸钠等缓蚀无机盐或无机盐类分散剂。按照某市售的抑尘剂说明书中示出的产品配方组成，将各组分充分混合，即得。其中抑尘剂配方如下(1份＝1kg)：
[0129]
名称用量(份)聚丙烯酸盐45丙烯酸树脂15乙醇15亚硝酸钠9硅酸钠8十二烷基苯磺酸钠8
[0130]
本对比例的组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》测量，其腐蚀性能如下：
[0131][0132]
[0133]
可以看出，上述抑尘剂对q450nqr1钢材平均腐蚀率超标，对5083铝合金平均腐蚀率、t4003不锈钢平均腐蚀率虽然符合要求，但是接近上限。此外，该抑尘剂因为含有大量的硫、氮等物质，对煤炭燃烧性能有较大影响，灰分超标。
[0134]
对比例5一种用于煤炭抑尘剂的组合物
[0135]
本对比例的组合物的组成为：(1份＝10kg)
[0136]
名称用量(份)复合成胶剂3土豆预糊化淀粉2改性秸秆粉2异噻唑啉酮0.003亚硝酸钠0.003水92.994
[0137]
注：复合成胶剂制备：角豆胶2份、田菁胶3份、瓜尔胶15、黄原胶3份、天然乳胶4份，加入90份水中，搅拌充分溶解后，边搅拌边加热升温，升温速度控制在每分钟3-4℃，温度升至60℃后恒温搅拌1小时，制得所述复合成胶剂。
[0138]
改性秸秆粉按如下方法制备得到：将秸秆清洗干净，烘干后粉碎筛选得到0.1～0.15mm的秸秆粉，秸秆粉中加入质量浓度为10％的naoh溶液，固液质量比1:5，80～90℃下浸泡2-3h，然后加稀盐酸中和至中性，抽滤，烘干得到改性秸秆粉。
[0139]
将上述组分充分混合，得到本对比例的用于煤炭抑尘剂的组合物。然后将该组合物与水按照1：99(重量比)混合后，按照tb/t 3210《铁路煤炭运输抑尘技术条件》测量，其风蚀率、固化层厚度性能如下：
[0140][0141]
测定结果显示，该抑尘剂风蚀率超过规定，会造成运输过程中煤炭损失过大。
[0142]
总之，本发明提供了一种用于煤炭抑尘剂的组合物以及包括该组合物的煤炭抑尘剂。该组合物溶解速度快，不结团、无沉淀，不堵塞喷头，不损坏喷洒装置，便于大规模喷洒作业。本发明的抑尘剂稳定性好，不易霉变；喷洒在煤炭表面，结壳强度高，不会随车体振动开裂；不含硫、氮等物质，对煤炭燃烧性能无影响。此外，本发明的组合物原料均可降解，对环境友好。