工地扬尘化学防治技术研究进展

章定文　张艺　张维锋　朱宝广　王宇

摘要：随着中国基础设施和城市化建设迅速发展，在施工过程中带来的扬尘污染日益增长，对工地扬尘采取防治措施十分必要，其中化学抑尘方法得到快速创新发展和应用。文章简要地介绍了中国扬尘来源、危害以及当前的主要防治方法，阐述了抑尘的启动和沉降过程，重点总结了湿润型、粘结型、凝聚型和复合型四类化学抑尘剂的作用机理、主要成分、新研究与工程应用，并分析了各类抑尘剂的优缺点。通过归纳总结化学抑尘剂的效果评价指标规范，探讨了化学抑尘法防治建筑工地扬尘存在的问题，提出化学抑尘剂的发展方向。

关键词：施工扬尘；化学抑尘；机理；发展趋势

中圖分类号：X513 文献标志码：B

前言

随着中国经济的快速发展，部分城市展开了大规模扩张和扩建，在此过程中带来了扬尘污染，使得空气环境污染日益严重。扬尘是中国城市环境空气颗粒物的重要来源，扬尘源对环境空气颗粒物的贡献率较高，其中PM2.5和PM10能分别达到20%-30%和30%-40%的高水平，扬尘源PM10排放量可以对标其他所有人为源排放量。扬尘会降低城市的能见度和空气质量，造成恶劣气候问题，对人体的健康有不可逆的危害，受风力的影响在大气中会发生移动，附着在植物、建筑物等物体表面。

中国对其防治需求越来越旺盛，发布了与扬尘防治有关的规范与指南，明确了扬尘的定义。在中国大部分城市的空气颗粒污染来源中，建筑施工扬尘占主导地位。对于建筑施工造成的扬尘污染，目前应用较多的防治方式是洒水抑尘、设置挡风墙、封闭结构和防尘网等，但均有局限性。在化学抑尘方法问世和发展过程中，国内外学者对其重视程度不断提高，并通过各种方法对其进行创新研究，因此采用化学抑尘剂进行扬尘防治的应用领域较之过去更加多元。

1 扬尘污染与防治现状

1.1 扬尘的定义与分类

扬尘是指具有特定颗粒直径的空气颗粒物，其本质是地表松散颗粒物质，这类颗粒物质通过自然力或人类活动产生并存在于环境空气中。施工扬尘是指产生在建筑施工过程中的扬尘，它存在于施工场所，例如建筑物建造与拆迁、城市市政基础设施建设、装修工程和设备安装工程等。

扬尘在大气污染控制中，根据颗粒物粒径大小可分为：

（1）PM2.5，也称细颗粒物或可入肺颗粒物，是指空气动力学当量直径≤2.5um的颗粒物。PM2.5极易起动且被空气长时间、长距离运输，在运输过程中，附着大量有毒、有害物质的PM2.5颗粒对环境造成严重影响。

（2）PM10，也称可吸入颗粒物，是指空气动力学当量直径≤10um的颗粒物。PM10颗粒直径很小，会长期在空气中漂浮，随着空气的流动，颗粒携带污染物运移，扩大污染区域。

（3）TSP，也称总悬浮颗粒物，是指空气动力学当量直径≤100um的固体颗粒物。TSP的来源复杂，一类是人类生产活动产生的烟尘、粉尘和扬尘，一类是土壤、风沙和气态污染物在空气中经过物理化学反应生成的颗粒。

粉尘颗粒物进入人体呼吸系统的深浅程度与其颗粒大小有关，直径越小，进入部位越深。一般情况下，粒径>10um的颗粒物几乎可全部被人体的口鼻捕获，并可通过咳嗽、打喷嚏等行为排出人体；粒径≤10um的浮游状颗粒物可进入人体的鼻腔、咽喉部位；粒径≤2.5um的颗粒物进入口鼻后会移动到更深、更细的支气管，并停留在肺部，更细小的颗粒甚至还会进入人体的肺泡、血液。

1.2 扬尘污染的来源

中国城市扬尘主要来源包括施工扬尘、矿区扬尘、土壤扬尘、堆料扬尘和道路扬尘。施工扬尘是指产生在建筑施工过程中，存在于施工场所的扬尘；矿区扬尘是指矿山或矿区内由于煤矿爆破、开采等生产活动产生的扬尘；土壤扬尘是指地表及裸露土壤中的土颗粒在大风天气中进入大气形成的扬尘；堆料扬尘是指长时间存放在城市的堆料例如钢铁废渣、煤灰渣等由于风力和人力等环境影响产生的扬尘；道路扬尘是指上述来源的积尘在传输过程中由于车辆扰动等产生的扬尘。上述各扬尘源中，建筑工地的施工扬尘通常是首要贡献源，其起尘环节包括施工生产活动本身、建筑工地车辆扰动以及工地环境扰动等。

1.3 扬尘防治方法分类

当前对建筑工地扬尘主要通过物理结构和喷洒溶液这两类手段进行防治，其中物理结构的抑尘方法包括挡风墙抑尘、封闭结构抑尘和防尘网覆盖抑尘等，喷洒溶液的抑尘方法包括洒水抑尘和化学抑尘等，其抑尘原理及优缺点，可归纳见表1。

2 化学抑尘剂

2.1 抑尘基本原理

2.1.1 粉尘起动

Brunt D研究发现当风速超过1m/s时，空气发生湍流运动，该运动对粉尘颗粒进行搬运，此时粉尘颗粒受到多种作用力，包括粉尘颗粒本身的重力、空气在水平方向作用于粉尘颗粒的冲击力，粉尘颗粒之间互相碰撞引起的上升力。当风速持续增加时，空气对粉尘颗粒作用的水平冲击力随之增大，粉尘在原地进行小幅度运动，例如震动和摆动，当粉尘颗粒运动增加到一定强度后可以克服空气阻力，进而在水平方向产生滑动并发生碰撞，通过碰撞改变运动方向，开始进行无规则运动，见图1。

Bagnold R A认为粉尘颗粒受到的迎面阻力与自身重力平衡时，尘粒开始移动。尘粒起动速度表达式为式（1）：

式（1）中，ut为起动风速／（m-s-1）；ρs为尘粒密度／（kg·m-3）；ρ为空气密度／（kg·m-3）；z为高度/m；z0为粘阻力常数；g为重力加速度／（m·s-2）；d为扬尘粒径/m；A为经验系数。

2.1.2 扬尘沉降

李占军认为在气流中，尘粒的状态通常由随气流继续运动和由于重力作用自然沉降两种，在湍流情况下尘粒的运动状态如图2所示。在湍流气流中，粗尘粒（粒径d>10um的尘粒）呈直线或抛物线进行下落，且下落轨迹与尘粒的起动速度有关，细尘粒（粒径d=5-10um的尘粒）和亚微尘粒（粒径d<0.5um的尘粒）继续在湍流中随气流飘移，无法沉降。

扬尘沉降速度表达式为式（2）：

式（2）中，vt为扬尘沉降速度／（m·s-1）；r为颗粒粒径/m；ρ粒为颗粒密度／（kg·m-3）；ρ流为气流密度／（kg·m-3）；μ为运动黏性系数；θr为外摩擦系数；g为重力系数／（m·s-2）。

2.2 化学抑尘剂的分类

化学抑尘剂根据抑尘机理可划分为四大类：湿润型抑尘剂、黏结型抑尘剂、凝聚型抑尘剂和复合型抑尘剂。

2.2.1 湿润型抑尘剂

从宏观角度分析，湿润发生在固体表面，此时湿润型液体代替原有液体；从微观角度分析，在固体表面湿润型液体发生展开现象，将该界面上原有的液体分子替换。润湿过程包含粘湿过程、铺展过程和浸湿过程。湿润型抑尘剂的主要成分是吸湿性化学物质和表面活性剂。吸湿性化学物质可以吸收空气中的水分，具有很強的吸湿能力，加强表面活性剂的应用效果。表面活性剂是一种具有两亲性结构的有机化合物。当湿润型抑尘剂以水溶液形式存在时，两亲性结构中的亲水基被水分子吸引，在水溶液体系的表面和界面上进行排列，形成紧密定向、亲水基朝向溶液、疏水基朝向空气的单分子吸附层，从而减小溶液的表面张力。此时，面向空气的疏水基和空气中的粉尘颗粒相吸引，粉尘颗粒被吸引进入水溶液并产生湿润作用。

高轲研制出一种以十二烷基硫酸钠作为阴离子表面活性剂，聚氧化乙烯作为高分子聚合物，氯化钠作为吸湿性无机盐的新型粉尘湿润剂，可有效湿润煤尘，抑尘效果良好。刘家进等采用绿色表面活性剂烷基糖苷（APG）作为主剂，K12作为起泡剂、PAM作为稳泡剂、LAS作为湿润剂，均匀喷洒后粉尘样品保水性较好，能有效抵抗外界扰动，抑尘效果良好，且该抑尘剂产生的污染较少，满足绿色环境标准。裴叶研究了表面活性剂溶液对焦煤的湿润效果，通过无机盐与表面活性剂复配，制备了一种吸湿量高、对人体安全、生物降解性好的降尘剂。这类抑尘剂的有效作用时间较短，在有效抑尘期结束后，需要二次喷洒抑尘剂，否则会再次形成扬尘，在二次喷洒过程中，无疑增加了化学药品和设备的使用量。

2.2.2 粘结型抑尘剂

粘结型抑尘剂的作用机理可以归结为覆盖、粘结、硅化和聚合等，在这些作用单一或协同发生时，扬尘得到有效抑制。该类抑尘剂按照原料可分为无机粘结型抑尘剂和有机粘结型抑尘剂。

2.2.2.1 无机粘结型抑尘剂

无机粘结型抑尘剂的主要原料是黏土、高岭土、粉煤灰、卤化物、氯化钙等无机材料，这些无机材料喷洒在尘粒后可在尘粒表面形成一层壳／膜，防止尘粒飘散，通过固尘的方式达到抑尘作用。

20世纪90年代，吴超和陈军良在水玻璃和氯化钙溶液中添加十二烷基苯磺酸钠和丁二酸钠制成固土抑尘剂，研究其在粉尘中的渗透规律，试验结果表明添加十二烷基苯磺酸钠的溶液渗透能力可提高10%-20%，添加丁二酸钠的溶液渗透能力可提高10%-15%。

2.2.2.2 有机粘结型抑尘剂

有机粘结型抑尘剂的主要原材料有原油、石蜡、橄榄油废渣、石油渣、生物油渣、纤维素滤料、木质素衍生物、聚合物等。这些原材料经过乳化作用变成乳状液，乳状液使粉尘颗粒间的空隙减少、相互作用力增加，同时粘结剂中的分子链交错缠绕、粘结颗粒，进一步达到固尘效果。

Miguel等对生物柴油进行提炼，以提炼出的甘油作为原材料制成粘结型抑尘剂进行研究，并以低聚甘油作为试验对照，研究结果表明通过生物柴油提炼得到的甘油具备更高的粘度，抑尘效果显著增加。Grogan从生物柴油中提取出副产品丙三醇，在丙三醇中加入表面活性剂、丙烯酸化合物和多羟基酯类制成粘结型抑尘剂。倪小磊等采用接枝聚合方式，以木质素磺酸钙和丙烯酰胺单体为主要原料制备抑尘剂，该抑尘剂的圈含量达到8%，渗透深度至3m，在自然环境放置78h后，土壤保水率依然保持85%以上，抗风试验下质量损失率仅有0.70%且固结层完整，各项性能均满足工程需求。

与湿润型抑尘剂相对比，粘结型抑尘剂的有效期较长，但渗透能力较差，需要添加其他助剂来提升作用效果，同时该类抑尘剂具有较差的乳化性，降解过程很难自行完成，对环境有二次污染。

2.2.3 凝聚型抑尘剂

凝聚型抑尘剂的作用机理主要是凝并作用，在该作用下细的粉尘颗粒聚集形成粒径较大的颗粒，提高了尘粒的沉降速度。这类抑尘剂的主要成分是吸湿剂，吸湿剂良好的吸湿性使得粉尘颗粒长时间处于湿润状态，不易起动，其按照原材料可以分为吸湿性无机盐凝聚型和高倍吸水树脂凝聚型两类。

2.2.3.1 吸湿性无机盐凝聚型抑尘剂

吸湿性无机盐凝聚型抑尘剂的原材料主要包括卤化物（如氯化镁、氯化钙、氯化钠、氯化铝）、活性氧化铝、硅胶等。

杜翠风等在矿山采场路面喷洒由吸湿剂、凝并剂及表面活性剂等组成的抑尘剂，喷洒该抑尘剂的粉尘含水率在测试期内保持4%，吸湿保湿性良好，具有凝并粉尘的性质，同时具有一定的经济效益。添加吸湿性无机盐吸湿性强，可吸收空气中的水分，保持近地面湿润度，同时吸湿性无机盐溶液的冰点与一般溶液相比较低，因此由该成分配制的抑尘剂具有良好的抗低温性能。但无机盐类成分遇到金属会发生置换反应，形成电极结构，这一反应对金属部件有腐蚀作用，影响土壤性质，对植被有危害作用，还可能对水泥、石灰等材料有改性作用。

2.2.3.2 高倍吸水树脂凝聚型抑尘剂

高倍吸水树脂是一种高分子化工产品，由聚丙烯酸钠等一系列原料通过化学反应生成，依据原料来源将其划分，主要有淀粉系、纤维素系、合成树脂系和其他天然材料四类。

吴桂香等利用聚乙二醇（PEC）-硼酸作为保水剂，γ-PGA-黄原胶（XG）为复合粘结剂，烷基糖苷（APG）／油酸为表面活性剂制备出一种可降解型水凝胶生物抑尘剂，该抑尘剂可有效控制室内PM2.5、PM10浓度，同时具有良好的抗风蚀性、抗压性、可降解性。吸水后的高倍吸水树脂渗透到粉尘颗粒之间，不仅增加了粉尘颗粒的质量，而且在粘结作用下促进粉尘颗粒发生凝聚，达到抑尘效果。高倍吸水树脂复杂的制备工艺，高昂的生产费用均对其发展有所限制，同时，高倍吸水树脂的再利用较为困难，且在生物体内易残留、不易降解，这些问题进一步限制其应用范围。

2.2.4 复合型抑尘剂

复合型化学抑尘剂的本质依旧是化学抑尘剂，只是主要成分更加复杂多样，包含了两种或两种以上作用机理不同的抑尘剂，功能兼具湿润、粘结、凝聚等作用，抑尘效果更好，尤其适合在复杂的环境条件下使用，成为化学抑尘剂发展的趋势。

复合型抑尘剂可以广泛应用于施工现场、道路工程等场景中，通过洒水设备将复合型抑尘剂喷洒于扬尘发生区域或运输过程中，达到防治扬尘的效果。朱正荣等在长沙机场改扩建工程交通枢纽工程现场使用复合型植物提取物基质抑尘剂进行扬尘治理，通过施工前后现场监测，各项指标符合规范要求，且与覆盖防尘网相比，抑尘效果较好，成本较低。姜勇等在金沙水电站施工过程中应用以农业秸秆为原料的复合抑尘剂，实验结果表明，该抑尘剂对施工现场主要扬尘均能起到有效抑尘作用，且保湿时间长，渗透速率快。李永强等将由多种可降解高分子材料组成的复合型抑尘剂喷洒于某市主要的十字路口，连续监测3d，结果表明，复合型抑尘剂对PM10的去除效果相较传统洒水可提高40%，对PM2.5和NOx的去除效果为15%。

复合型抑尘剂不仅拥有单一化学抑尘剂的作用机理和性能，而且在这些性能上均有所提升。除此之外，即使外界环境条件有所不同，应用领域有变化，复合型抑尘剂也可进行相应调整，始终保持较高的抑尘效率。为了研发并制备复合型抑尘剂，需要对原材料进行筛选并了解其各自的作用机理，预判各种材料之间可能发生的物理、化学反应，还需要进行大量试验确定其配比，故其制备难度进一步加大。

2.3 化学抑尘剂的效果评价指标与测试方法

国际上，扬尘防治的规范及标准有南非环保部的《国家防尘管理条例》、美国国防部的《道路，机场及邻地抑尘规范》、威斯康星州自然资源部颁布的《建筑工地抑尘标准》和密歇根州环境质量部颁发的《抑尘剂控制抑尘和预防水土流失的选择指导方针》。

目前，中国有国家环境保护总局颁布的《防治城市扬尘污染技术规范》（HJ/T393），规定了施工扬尘、土壤扬尘、道路扬尘和堆场扬尘防治的具体技术要求，江苏省住房和城乡建设厅发布的《建筑工地扬尘防治标准》（DGJ32/J203），规定了扬尘防治要求、检查评分标准和评定等级。由中国环境保护产业协会发布的标准——《水溶性道路抑尘剂》（T/CAEPI 7）对一般性道路抑尘剂的使用安全性和环保性提出了要求；国家铁路局发布的铁道行业标准——《铁路煤炭运输抑尘技术条件第1部分：抑尘剂》（TB/T 3210.1）对铁路煤炭运输降尘过程中使用的抑尘剂提出了控制要求，该控制要求亦适用于类似的货物运输过程。

3 存在问题与展望

3.1 存在问题

3.1.1 质量标准和检测方法

目前中国专门用于规定抑尘剂质量标准的规范和技术指南较少，且不是由国家政府发布。因为这些标准的发布单位并非国家或政府，所以无法强制要求市面上出现的抑尘剂达到其中的技术要求。目前在没有强制性规定抑尘剂标准的行业环境下，中国不仅鲜有针对抑尘剂自身质量标准的检测机构，而且检测机构也无法开展多领域的所有项目的全系列检测，这进一步导致抑尘剂在生产和验收时没有完整的检测报告。

3.1.2 抑尘效果表征指标与测试方法

相关规范中虽然涉及了抑尘剂的相关技术要求，但可以表征抑尘效果的指標较少，实验室多采用风蚀率、固化层厚度和抑尘效率三个指标表征抑尘效果，现场应用大多直接测量空气中颗粒物浓度来评价抑尘效果。这导致实验室测试结果与现场测试结果的表征指标与测试方法不同，且这些指标之间没有换算方法及公式，无法从实验室试验结果直接换算出现场环境的应用效果，形成有效的对比和评价。

3.1.3 抑尘剂用量确定

现有研究已经对抑尘剂开展了大量研究且取得了较多成果，但对抑尘效果的影响因素研究相对较少，因此即使有完整的检测报告和建议用量，也无法在不同环境条件下直接确定合理的抑尘剂浓度、喷洒量及喷洒间隔，需要通过现场测试得出，大大降低了抑尘剂的使用效率。

3.1.4 应用过程对环境的影响

抑尘剂的主要成分为各种无机盐和有机物，虽然生产出厂的抑尘剂自身对人体、生物和环境危害较小，但在使用过程中会不断携带大气中的污染物SO2、TSP、PM10、PM2.5、NOx、重金属等，这些物质经过雨水冲刷和路面清扫后会向土壤下渗、流入城市下水管网，对环境和城市设施的影响还需进一步研究。

3.2 展望

（1）化学抑尘剂受制于使用时的环境条件，致使在实验室内测得的试验结果与现场的实测数据无法对应，因此在研发新型抑尘剂的同时还应该制定严格的检测标准，标准中应规定实验室试验结果和现场实测数据的检测和换算方法，并对抑尘剂的用量进行规定。

（2）在使用化学抑尘剂时，除了抑尘效果以外，还需考虑经济性和生态性，符合国家绿色发展理念，在抑尘剂可能存在二次污染的情况下，及时制定相应的处理措施必不可少。

4 结论

化学抑尘剂具有传统结构抑尘和洒水抑尘不具有的优点，沉降扬尘效果好。复合型抑尘剂更将单一类型抑尘剂的优点进行结合，综合了湿润、粘结、凝聚等功能，有效作用时间长，抑尘效果显著，成为扬尘防治方法的发展趋势。随着新材料、新技术的出现，化学抑尘剂的原料已不单是传统的无机盐类和重油类，新技术使得高分子材料的生产制备更加容易，逐渐发展成为抑尘剂的新原料。在工程活动对抑尘需求与日俱增的过程中，传统的抑尘剂作用机理单一，提供的抑尘效果无法紧跟工程需求，因此制备合成工艺简单、成本低、抑尘效果明显、生物降解性好的抑尘剂在未来的扬尘防治发展中极为重要，具有极大的应用前景。