专利分析｜化学抑尘剂专利申请现状及技术进展

2024-05-23 11:23 化工矿物与加工

化学抑尘剂专利申请现状及

技术进展*

胡新涛,李占成

(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏苏州 215163)

摘要：随着矿业、建材、冶金等行业的快速发展,可吸入颗粒物已成为大气中的一种主要污染物,化学抑尘剂对于可吸入颗粒物具有有效的控制作用。梳理了化学抑尘剂领域的专利申请量变化趋势和申请人类型分布,总结了化学抑尘剂的技术发展路线,阐述了润湿型、黏结型、凝聚型、生态环保型和功能型化学抑尘剂的技术研究进展,以期为相关领域的企业和科研机构的技术研发及知识产权保护提供参考。

关键词：化学抑尘剂;专利申请;可吸入颗粒物;生态环保型;功能型;高价值专利

0 引言

近年来,在矿业、建材、冶金等行业的快速发展过程中产生了大量的粉尘[1-2],粉尘对人体健康、生产安全、环境保护等均造成了不利影响[3]。目前常用的抑尘方法是喷洒水,但该方法抑尘量少,且水分挥发后粉尘易返回至环境中,产生二次扬尘现象。化学抑尘剂具有抑尘效果好、抑尘周期长等优点,随着我国化学品制造业的发展,其有望成为未来粉尘防治技术研究的重点[4]。目前,我国在化学抑尘方面的研究取得了长足进步,化学抑尘剂的种类已从最初的单一润湿剂发展到了如今的润湿型、黏结型、凝聚型、生态环保型、功能型等多种类型[5-7]。本文对国内外在化学抑尘剂领域的专利技术文献进行了整理,综述了各种常见化学抑尘剂的技术研发进程,以期为相关领域的企业和科研机构的技术研发以及知识产权保护提供参考。

1 化学抑尘剂专利申请现状

1.1 专利申请量变化趋势

图1为2001-2022年国内外化学抑尘剂专利申请量变化趋势。由图1可知:2001-2022年,国内外化学抑尘剂的专利申请量总体呈逐年上升趋势;2001-2002年为抑尘剂研究起步阶段,相关专利申请量很少,仅有50余件;随着社会经济的发展,特别是2005年以后,专利申请量增长迅速,一方面得益于粉尘污染治理日益受到重视,另一方面也说明了化学抑尘剂的研发水平取得了明显进步;2019-2020年,化学抑尘剂专利申请量虽与2017-2018年相比略有下降,但依然保持在250件以上,在该时期,我国更加注重培育高价值专利,不再单纯追求专利数量;由于2021-2022年提交的发明专利申请还有一些尚处于未公开状态,因而显示的专利申请量较少。可以预测,随着环境保护力度的持续加大,化学抑尘剂专利技术将得到快速发展。

图1 2001-2022年国内外化学抑尘剂专利申请量

Fig.1 Number of patent applicants for chemical dust suppressors in China and abroad from 2001 to 2022

1.2 专利申请人分布

图2为自2000年以来国内化学抑尘剂专利申请人类型分布。

图2 国内专利申请人类型分布

Fig.2 Category distribution of domestic patent applicants

由图2可知:企业的专利申请量占全部专利申请量的60%,这主要是因为化学抑尘剂产品能够给企业带来可观的经济效益,因此企业会加大研发投入,同时也更加注重专利保护;大专院校专利申请量占23%,科研单位占2%。在我国,大专院校和科研单位是创新主力,其技术创新性更强,在保持技术先进性的同时,未来应更加重视产学研结合,促进成果转化。另外,个人专利申请量占全部专利申请量的15%,反映了我国民间对专利保护的日益重视。可以预见,随着环境保护政策越来越严格,会有越来越多的企业开始重视化学抑尘剂的研发,企业的专利申请量占比可能还会进一步提高。

1.3 化学抑尘剂专利申请量变化趋势

根据抑尘机理的不同,化学抑尘剂可以划分为润湿型、黏结型、凝聚型、生态环保型和功能型等5种类型。图3展示了各种类型化学抑尘剂的专利申请量变化趋势。由图3可知:2000-2020年,5种类型化学抑尘剂的专利申请量总体呈逐年上升趋势,尤其是润湿型化学抑尘剂,其广泛应用于矿石开采和加工等环节,近年来专利申请量增长显著;另外,生态环保型化学抑尘剂专利申请量也有明显增长,表明化学抑尘剂的环保属性越来越受关注。

图3 各种类型化学抑尘剂的专利申请量变化趋势

Fig.3 Tendency of patent applicants with various chemical dust suppressors

2 化学抑尘剂专利技术研究进展

2.1 化学抑尘剂的技术发展路线

图4为化学抑尘剂的技术发展路线。由图4可知,在保证抑尘性能的基础上,各类型化学抑尘剂的原料选取逐步趋向于绿色化,以更加安全、环保的原料代替具有毒性、腐蚀性,难降解以及易产生二次污染的原料[8-9]。而且,在化学抑尘剂的组成上,更加注重通过原料之间以及原料与辅料之间的复配发挥协同增效作用,这也是提升化学抑尘剂抑尘能力的有效途径。从化学抑尘剂的功能发展来看,抑尘剂研究正向着润湿、黏结和凝并多性能复合以及防火、防冻、防腐蚀等多功能复合的方向发展[10-11]。

图4 化学抑尘剂的技术发展路线

Fig.4 Technical routes for chemical dust suppressors

2.2 各类型化学抑尘剂的重要专利分析

2.2.1 润湿型化学抑尘剂

润湿型化学抑尘剂主要由一种或多种表面活性剂组成,其在矿物粉尘、煤尘控制上得到了广泛应用[12-14]。山东科技大学开发的润湿型化学抑尘剂(专利公开号∶CN101717617A) 能有效解决煤尘不易被水湿润、渗透的难题,降低了工作面煤尘产生量,节约了降尘用水量。华北科技学院(专利公开号∶CN113046027A) 针对目前水降尘能力弱的问题,以表面活性剂为主,辅以吸湿剂、保湿剂得到表面活性剂复配组合物,喷洒于水泥路面后在路面形成了一层固化膜,可阻止粉尘再次进入空气中。中海油天津化工研究设计院有限公司(专利公开号∶CN106701021A) 研发了一种具有节能降耗功能的专用扬尘抑制剂,不仅对生料堆场内的粉料具有良好的抑尘效果,还对生料中碳酸钙化合物的分解具有促进作用,能够明显降低碳酸钙分解所需的煤炭消耗量。煤炭在堆放、装卸、运输以及加工利用过程中产生的煤尘可造成大气中可吸入颗粒物浓度的急剧升高[15-17]。长沙理工大学(专利公开号∶CN104893667A、CN105038709A) 研制的润湿型化学抑尘剂可以显著减少港口卸煤码头的粉尘污染。山东兴达矿山机械有限公司(专利公开号∶CN104087251A)开发的煤尘抑制剂对煤炭运输过程中煤尘的降尘率高达98%。此外,3M创新有限公司(专利公开号∶US2009090890A1)研制了专用于路面的抑制短时粉尘排放的抑尘组合物,可以有效润湿、渗透和改善颗粒黏结以及减少水分蒸发。润湿型化学抑尘剂通过促进水对粉尘的润湿来达到抑尘的目的,能够满足矿业抑尘的一般需求,但是一些简单的润湿型化学抑尘剂功能相对单一,对粉尘的作用时间较短,难以长期抑尘。

2.2.2 黏结型化学抑尘剂

黏结型化学抑尘剂主要是通过化学交联或物理蒸发的方式,在尘源表面形成一层膜结构,从而抑制粉尘的逸出扩散,具有长期抑尘的效果。目前所研究和应用的黏结型化学抑尘剂一般含有原油、石蜡、石蜡油、煤渣油、沥青、木质素衍生物、聚合物以及生物油渣等组分[18-20]。黏结型化学抑尘剂不但广泛应用于煤炭、矿粉运输过程中的粉尘抑制,还可广泛用于道路、施工工地、车站码头等场所的粉尘抑制。佐治亚-太平洋化工品有限公司(专利公开号∶US2011168943A1)研制了一种用于减少运煤车辆煤尘污染的沥青乳液,其包含一种脂肪酸、一种化学修饰的脂肪酸、一种松香酸、一种化学修饰的松香酸或多种成分组合,在煤炭运输、储存或加工期间使用,可有效减少扬尘,类似的专利还有US2009065736A1、US2008-194795A1、US2008179570A1。为了提高黏结效率,吉仁塔布(专利公开号∶CN101638570A) 采用造纸行业的废弃物木质素磺酸盐以及玉米淀粉、烧碱、双氧水,制备了抑制运煤列车煤粉飞扬的黏结剂,该产品用量少,黏结效率高,无二次污染。为了延长抑尘周期,陕西科技大学(专利公开号∶CN111748249A) 研发的硅磷协同煤炭阻燃抑尘剂,将磷系阻燃剂与硅烷偶联剂通过自由基加成反应结合得到阻燃中间体,然后将其水解得到硅醇基团并与硅系阻燃剂上的羟基脱水结合得到硅磷协同阻燃剂,最后与天然高分子、单体、表面活性剂、增塑剂等抑尘组分通过自由基聚合反应结合,得到的产品兼具阻燃和抑尘功能,既可以防止煤尘飘散,又可以有效减缓水分蒸发,大大延长了抑尘周期。黏结型化学抑尘剂可以同时具备润湿和黏结功能,在尘源表面形成一层固化层而达到抑尘效果,但通常容易出现固化层碎裂的问题,因此还需着力提高固化层的强度和韧性。

2.2.3 凝聚型化学抑尘剂

凝聚型化学抑尘剂具有良好的抗压性能和保水性能,其是利用凝并作用使细小扬尘颗粒凝聚成大粒径颗粒而快速沉降,从而达到抑尘的目的[21]。凝聚型化学抑尘剂的主要成分是吸湿剂,其能使扬尘保持较高的含水量从而抑制粉尘飞扬。按照抑尘剂产品组成的不同可分为吸湿型无机盐抑尘剂和高倍吸水树脂抑尘剂。在吸湿型无机盐抑尘剂方面,美国环境技术服务公司(专利公开号∶US2010297358A1)利用氯盐与纤维素衍生物复配得到抑尘剂,将其应用于建筑工地,取得了良好的抑尘效果;但是抑尘剂配方中含有氯盐,氯盐的大量使用会污染环境以及腐蚀金属[22]。随着高分子精细化工技术的发展,具有吸水倍数大、保水性能好的高倍吸水树脂被应用于化学抑尘剂。北京市城市建设工程研究院(专利公开号∶CN1390908A)利用丙烯酸单体与淀粉进行接枝聚合形成高倍吸水树脂,用于露天料场的抑尘,可以较长时间保持抑尘效果,不会造成二次污染。黑龙江省科学院高技术研究院(专利公开号∶CN104403636A) 将两种或两种以上的丙烯酸类高吸水型树脂进行复配,得到了一种稳定性好、可用水稀释喷洒使用的复合聚丙烯酸类水溶性固沙抑尘剂,能够在物料表面形成聚合物固结层,具有良好的抑尘效果。但是,高倍吸水树脂不易降解,且对植物和土壤有一定的危害,限制了其应用范围,现多用于矿山、码头等重污染区域[23]。

2.2.4 生态环保型化学抑尘剂

近年来,生物有机高分子材料以及可降解环保材料因具有环境友好的特点,受到了学者的广泛关注[24]。利用生物有机高分子材料以及可降解环保材料开发出的生态环保型化学抑尘剂,具有绿色环保、无二次污染等特点。天津理工大学(专利公开号∶CN101857793A)研制了一种以玉米秸秆、麦秸、稻草、变质陈化粮、变质面粉、变质玉米、α变性淀粉或β变性淀粉为成膜剂的抑尘剂,使用后能形成可生物降解的覆盖层,可以有效阻断粉粒状物料向空气中排放粉尘。兰州天际环境保护有限公司(专利公开号∶CN101230252A)研制了一种以变性淀粉、羧基纤维素钠为主要成分的生态环保型化学抑尘剂,仅通过少量外加剂的增强作用,就可以使扬尘表层粉尘固化。中国矿业大学(北京)(专利公开号∶CN104449578A)、北京安平联合环保科技有限公司(专利公开号∶CN103911161A)、河北科技大学(专利公开号∶CN103980860A)、河南省远征冶金科技有限公司(专利公开号∶CN104694084A)、美孚石油公司(专利公开号∶US4642196A)、望田直规(专利公开号∶JPS5951993 A)等开发了以天然淀粉作为成膜剂的生态环保型化学抑尘剂,这些抑尘剂均具有良好的生物可降解性,不会引起环境污染问题,其主要用于煤炭、矿粉运输中的粉尘抑制,还可用于矿山道路、城市道路、建筑工地、车站码头等场所的粉尘抑制。虽然使用生物有机高分子材料以及可降解环保材料成功解决了化学抑尘剂的环境污染问题,但是该类抑尘剂的润湿性和渗透性差,形成的表面固化层强度不高,而且在添加表面活性剂增强溶液对粉尘的润湿性能的同时,化学表面活性剂存在不易生物降解的缺陷,仍可能造成二次污染。因此,在化学抑尘剂辅料的使用中也必须充分考虑其环境友好性,优先选用无毒无害、可生物降解的材料。

随着微生物矿化技术的发展,国内一些学者还开发了微生物抑尘剂(见表1),微生物矿化产物具有无毒、易降解、黏结性能佳、环境相容性好等特点,属于新型生态环保型抑尘剂材料[25-27]。

表1 国内微生物抑尘剂专利技术文献

Table 1 Document involving domestic patent technologies of microbial dust suppressors

2.2.5 功能型化学抑尘剂

功能型化学抑尘剂是在特定的使用环境中具有特殊抑尘效果的专用抑尘剂[28-29]。功能型化学抑尘剂的研究主要集中在防火、防冻方面,具有独特的性能和良好的抑尘效果[30-31]。在防火方面,北京科技大学(专利公开号∶CN1570013A)分别研制了以二氯化钙或二氯化镁和水、表面活性剂复配物为主要成分,具有抑尘和阻燃双重效果的抑尘剂,可应用于露天矿路面抑尘和港口煤堆阻燃抑尘等。山东科技大学(专利公开号∶CN102464971A)研制的新型煤炭抑尘阻燃覆盖剂能以较短时间在煤炭表面形成一层柔韧、致密的连续性高分子覆盖膜,避免煤炭在运输和堆放过程中产生扬尘和自燃现象。在防冻方面,鞍钢集团矿业有限公司 (专利公开号∶CN110982493A) 以乳酸钠和甘油作为主原料制备了一种低冰点润湿型抑尘剂,其无毒、无味、无腐蚀,存放时间长,易于喷洒,保湿长效,抗冻性能好,抑尘效果佳,可保持路面湿润,环境友好。西安科技大学(专利公开号∶CN103059347A) 研发了一种包含羧甲基纤维素、壳聚糖、乙酸、甘油、烷基苯磺酸钠、硫酸铜、氯化镁的环保型多功能抑尘剂,将抑尘剂喷洒在水泥厂道路两侧,发现抑尘效果良好。功能型化学抑尘剂克服了传统化学抑尘剂功能单一的缺点,不仅可以有效抑制粉尘污染,同时还具有一项或多项特殊功能,可以更好地满足特定场合的抑尘需求。

3 结语

目前化学抑尘剂种类较多,随着技术的持续进步,新型化学抑尘剂将会不断出现。在化学抑尘剂的早期研究中,主要有吸湿性无机盐类、表面活性剂类湿润型抑尘剂,以及黏结型抑尘剂和凝聚型抑尘剂。虽然这些化学抑尘剂具有较好的抑尘效果,但普遍存在功能单一、价格昂贵、有毒、有腐蚀性、难降解以及二次污染等弊端。在低排放、低污染以及低能耗的政策背景下,近年来化学抑尘剂正朝着复合型、生态环保型和功能型方向发展,而且更加注重抑尘剂使用的安全性、可操作性和持续有效性。从专利申请量的变化趋势来看,随着环境保护力度的加大以及化学抑尘剂技术的快速发展,未来几年该领域的专利申请数量还将稳步上升,高价值发明专利也会不断涌现。同时,建议相关领域企业和科研人员要增强专利保护意识,更加重视技术转移转化、专利应用等工作。

4 参考文献（略）

*收稿日期：2022-07-14

作者简介：胡新涛(1982-),男,硕士,助理研究员,主要从事化学领域发明专利审查,E-mail:hdhxt999@163.com。

引用格式：胡新涛,李占成.化学抑尘剂专利申请现状及技术进展[J].化工矿物与加工,2023,52(6):32-37+44.

HU X T,LI Z C.Patent application and technology development of chemical dust suppressor[J].Industrial Minerals &Processing,2023,52(6):32-37+44.