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在装卸、堆取和露天存放过程中，铁矿粉在作业机械的剪切、抛洒以及自然风力作用下容易扬尘，可吸入颗粒物PM10浓度高达182.2 μg·m−3。铁矿粉的无组织排放不仅造成铁矿粉自身的损耗，也危害从业人员健康。钢铁生产企业因此导致的年损耗率高达0.66%[1]，直接经济损失巨大。外逸的铁矿粉影响周边的环境空气质量，超标的铁离子及其伴生的镉离子导致水体和土地污染[2]，金属含量超标的水源灌溉，植物种子的发芽率降低，影响正常成苗和植物生长。铁是人体的必需微量元素之一，但摄入过量则会引起金属中毒。我国饮用水源地的铁含量整体超标且呈不断上升趋势，超标倍数高达8.80倍，超标率高达86.1%[3]。因此，提高钢铁企业料场和矿区等污染源的控制效率，提高空气、水体和土地安全性的意义重大。
作为洒水抑尘的添加剂，抑尘剂通过润湿、保湿、聚集和固结等方式显著降低了煤炭[4]、渣土[5]和道路扬尘[6]的排放风险。但铁矿粉呈正电性[7]，颗粒表面Fe-OH的极性大，这也决定了铁矿粉抑尘剂的特殊性。由于物理化学性质特殊，国内外对铁矿粉抑尘剂的技术研发进展缓慢，研究内容仍然停留在传统品种。表面活性剂可以润湿铁矿粉但无法提高内聚力，对PM10的控制效果不及水[8]。氯化钙和偏硅酸钠对PM10的控制效率达到85%，但这些无机盐腐蚀金属、严重影响植物生长，而且SiO2影响高炉冶炼[9]。制备安全、高效的抑尘剂，改善颗粒之间的相互作用，提高铁矿粉的稳定性和控制效率尤为必要。
铁矿粉是一种特殊的污染源，既影响空气质量、又影响水体和土地安全；铁矿粉扬尘既危害环境，又导致直接经济损失[1]；其表面性质不同于常见的颗粒物[7]，且矿粉品质容易受抑尘剂影响[9]，因此抑尘剂技术研发进展缓慢。本研究从含水率、Zeta电位、表面形貌、化学组成与晶体结构等基本性质出发，探讨铁矿粉与水性聚合物的之间的相互作用，估算装卸过程和露天堆场的湿控制效率、现场测定露天堆场的规模化效果，提高铁矿粉扬尘的控制效率。
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丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和苯乙烯通过幂级加料方式合成水性聚合物抑尘剂[10]，水溶胶状态，105 ℃固含量为39.7%，pH 为6.7。
选择澳洲产铁矿粉，红褐色，某钢铁公司提供，自然干燥。过80目筛的粒级用于实验，其中，过200目筛的粒级占47.3%。由于扬尘主要来自75 μm以下的颗粒，参照AP-42方法[11]，采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定200目筛下粒级的粒度分布，如图1所示。可以看出，铁矿粉的中值粒径为18.81 μm，30 μm以下粒级的质量分数为66.93%。以ARL QUANT型X射线荧光光谱仪(XRF)测得其化学组成，结果见表1，Fe2O3含量为82.56%。
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1)含水率。铁矿粉的真密度为5.2 kg·m−3，但堆密度只有1.5 kg·m−3左右[12]。洒水的主要作用是增加堆密度和内聚力，在一定时间内降低风力侵蚀性。春夏之交是高扬尘季节，以此作为测试条件。将初始质量W0为20.0 g的铁矿粉置于φ100 mm培养皿中，喷洒5.0 g浓度为2.0%的抑尘剂水溶液至充分湿润，纯粹聚合物的质量为铁矿粉的0.5%；作为对比，蒸馏水代替抑尘剂水溶液，重复以上操作。测定30 ℃、35%相对湿度下t时刻的样品质量Wt，其含水率如式(1)所示。
式中：P为含水率；Wt为t时刻的样品质量，g；W0为初始样品质量，g。
2) Zeta电位。根据式(2)，在重力加速度g、空气密度ρ0、空气黏度γ和悬浮颗粒物密度ρ已确定时，其沉降速度ug取决于直径D[13]。直径增大，则降尘加快、空中滞留时间短、漂移范围小；粉体稳定性提高，风力扬尘量降低。
式中：g为重力加速度；ρ0为空气密度；γ为空气黏度；ρ为悬浮颗粒物密度；ug为沉降速度；D为直径。
铁矿粉呈正电性[7]，聚集能力差，聚集体粒径低。借助Zeta电位，分析聚合物与铁矿粉颗粒之间的相互作用，藉以促进颗粒聚集。配制浓度为0.1%的铁矿粉悬浮液，以Nano-ZS90型电位分析仪测定Zeta电位。
3)表面形貌。聚集体进一步聚集，即可相互胶结成膜[14]，以篷布覆盖的方式封闭粉体表面，从根本上避免了扬尘，摆脱了对含水率的依赖。喷洒之后的铁矿粉在室温下干燥，喷金制样，以Nova Nano SEM450型电镜观察表面状态特征。
4) X射线衍射分析。采用Bruker-D8 Focus型X-射线衍射仪(XRD)测定晶体结构，考察抑尘剂对铁矿粉结构和组成的影响[9]。扫描角度5°~80°，扫描速度12 (°)·min−1。
5)现场应用。在实验室评价的基础上，实施露天堆场的规模化抑尘。如图2所示，料场占地约60 hm2，南侧的料条以尼龙网苫盖，北侧料条正在堆取、装卸作业。中间料条为棱台状，地面长度740 m宽度40 m垂直高度7.5 m，东西两段相隔6 m。选择西段料条和料场地面为抑尘区域，东段料条作为对比区域。
距地面1.5 m处安置Trak 8530型气溶胶监测仪，跟踪监测PM2.5和PM10浓度。根据《环境空气质量监测点位布设技术规范(试行)》(HJ 664-2013)布设监测点位，A1、A2、A3和A4的浓度平均值作为抑尘区域的浓度，B1和B2的平均值作为对比区域的浓度。
2018年9月16日，架设扬尘在线物联网(IOT)系统，实时监测2.5 m高处的气象参数和颗粒物浓度(图3)。在上午10点30分，气温18 ℃相对湿度25%，晴，西北风，风速7.8 m·s−1，PM2.5和PM10浓度分别为46 μg·m−3和85 μg·m−3。
根据气象参数、颗粒物浓度和现场条件，采用多功能抑尘车喷洒地面，如图4所示。抑尘剂浓度为1.0%，喷洒量为1.0 kg·m−2，调整喷嘴的间隙和角度，后向喷洒、逆风行驶，车速不高于8 km·h−1；使用车载式高压喷枪喷洒西段料条，喷洒量约1.2 kg·m−2，自上而下蛇形操作。对比区域不做喷洒。
1.1. 实验材料
1.2. 实验方法
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1)平均含水率。如图5所示，喷洒抑尘剂后，铁矿粉在30 ℃、35%相对湿度下失水缓慢。聚合物质量用量为0.25%、0.5%和0.75%时，含水率依次增大，但至完全干燥，即失水达到平衡时3者差别不大。因此，集中讨论0.5%用量的铁矿粉。其平衡时间(te)为8 h，平衡含水率为2.35%。洒水样品的含水率为0.95%，平衡时间为4 h。
含水率P随时间t的变化规律[6]如式(3)所示。
式中：P为含水率；A、B为常数。
方程(3)取自然对数，回归结果见图6。根据式(4)，抑尘铁矿粉从开始干燥的时刻t0到平衡时刻te，即干燥过程中抑尘铁矿粉的平均含水率为10.77%，洒水铁矿粉为4.8%。
式中：Pav为平均含水率；t0为开始干燥时间，h；te为平衡时间，h。
2)装卸过程扬尘的控制效率。根据式(5)，可估算抑尘铁矿粉和洒水铁矿粉的排放系数Es和E0[15]，结果见表2。根据式(6)，可计算抑尘剂对装卸过程扬尘的控制效率η，结果为67.78%。
式中：E为堆场装卸扬尘的排放系数，g·t−1；ki为物料的粒度乘数，TSP、PM10和PM2.5分别为0.74、0.35和0.053；u为地面平均风速，以9.5 m·s−1计，属5级风力。
式中：η为控制效率；Es为抑尘铁矿粉的排放系数，g·t−1；E0为洒水铁矿粉的排放系数，g·t−1。
3)露天堆场扬尘的控制效率。式(7)是刘琴[16]建立的澳洲铁矿粉扬尘排放模型，据此计算9.5 m·s−1风速下洒水铁矿粉的扬尘量Q0，结果为33.68 g·(kg·h)−1，抑尘之后的扬尘量Qs为2.03 g·(kg·h)−1。参照式(6)，抑尘剂对露天堆场铁矿粉扬尘的控制效率为93.96%。
式中：Q为扬尘量，g·(kg·h)−1；u为风速，m·s−1。
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1) Zeta电位变化。铁矿粉在中性介质中以颗粒形式存在，表面呈正电性，Zeta电位仅为−14.6 mV。随聚合物用量的增加，图7的Zeta电位增强，说明铁矿粉与聚合物发生了化学吸附，吸附量增加，颗粒分散性提高；用量为0.5%时，极值电位达到−41.9 mV。用量持续增加，颗粒表面的负电荷则阻碍进一步吸附。
在干燥过程中，铁矿粉的含水率不断降低，由于聚合物羧基与Fe3+交联、Fe―OH氢键作用[14]，铁矿粉的内聚力逐渐提高。如图8所示，颗粒密实堆砌，聚集体粒径增加，细颗粒相应减少，粉体稳定性提高，风力侵蚀性则降低[17]。
2)聚集体的表面形貌。水性聚合物的分散和交联作用可促进颗粒团聚，空隙降低，如图9(a)所示，有效阻塞水分传输，平均含水率因此提高了1.2倍。干燥之后，铁矿粉颗粒相互胶结成膜，形成致密的表面封闭层，风力侵蚀性显著下降。尽管澳洲铁矿粉的吸水性强、粒径小，但水的内聚能力低且有可逆性，洒水铁矿粉干燥之后的聚集状态较差，在图9(b)中表现为松散堆积，空隙可见。
此外，聚合物羧基与铁矿粉表面Si―OH、Al―OH的氢键作用可进一步增加内聚力[14]。而且，聚合物与颗粒之间的长程作用力具有加和性，其强度不亚于化学键。因此，铁矿粉的封闭层在干燥状态下有足够的强度抵御风力侵蚀，如果没有人为破坏和外来降尘，可以长期抑尘。
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1)铁矿粉的晶体结构。图10为铁矿粉样品在喷洒抑尘剂前后的XRD图谱，Fe2O3和SiO2特征衍射峰的衍射角θ、晶面间距d和半峰宽度见表3。
聚合物抑尘剂不含VOC等低分子化合物，只与颗粒表面的官能团结合，不可能进入晶格。由表3看出，铁矿粉的结构和组成没有变化。
2)铁矿粉的化学组成。对比洒水铁矿粉和抑尘铁矿粉的化学组成(表4)，有害元素S和P以及CaO、SiO2和Al2O3等杂质互有消长，但均在测试误差范围之内[18]，故可以认为二者没有区别。结合XRD结果，足以说明抑尘剂没有影响铁矿粉的原料品质。
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表5为现场监测的结果，0 h即抑尘剂喷洒施工之前，抑尘区的悬浮颗粒物浓度Cs和对比区浓度C0相当。喷洒之后Cs下降，根据式(8)计算控制效率，结果见图11。
式中：η为控制效率；Cs为抑尘区的悬浮颗粒物浓度，μg·m−3；C0为抑尘区的悬浮颗粒物浓度，μg·m−3。
在图11中，喷洒后5 h的PM2.5和PM10控制效率分别为76.19%和83.73%，24 h后分别为75.0%和80.95%，与估算结果非常接近，证实了以上评价方法的可行性。
因设备条件所限，北侧料条无法控制更新界面的扬尘，受风力和装卸作业的持续影响，48 h的PM2.5和PM10控制效率分别降至51.52%和71.51%，72 h后分别为46.88%和58.66%。尽管如此，在30 d的观察期间，抑尘的堆体和料场地面保持完好，封闭状态未受风力影响(图12)。
2.1. 聚合物的湿抑尘作用
2.2. 聚合物的湿抑尘作用
2.3. 聚合物对铁矿粉品质的影响
2.4. 现场应用
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1)聚合物对铁矿粉的原料品质无不良影响，不会影响后期冶炼。该聚合物可通过离子交联和氢键作用，促进铁矿粉颗粒团聚、提高内聚力，使其平均含水率明显提高。装卸过程和露天堆场扬尘估算的控制效率分别为67.78%和93.96%。干燥状态下可形成封闭层，从而有效降低风力侵蚀，可实现半年以上的长期抑尘。
2)铁矿粉露天堆场PM2.5和PM10的24 h控制效率分别达到75.0%和80.95%，30 d内粉体的封闭状态稳定。现场与实验室结果接近，证实了实际应用和评价方法的可行性。今后应开展不同类型铁矿粉的应用研究，完善堆取作业面的扬尘控制设施。
