Experimental investigation on effectiveness of surfactants in quartz dust suppression

Die weltweite Nachfrage nach mineralischen Rohstoffen nimmt ständig zu, und um die erwartete Nachfrage zu befriedigen, werden die Bergbauaktivitäten kurz- und langfristig voraussichtlich zunehmen. Durch zunehmende bergbauverwandte Tätigkeiten wie Bauarbeiten, Tunnelbau, Abbau in Steinbrüchen und Aufbereitung minerlischer Rohstoffe können die Arbeitnehmer:innen jedoch lungengängigem kristallinem Siliziumdioxid (RCS) oder Quarzstaub ausgesetzt sein. RCS ist eine große Gefährdung für die Gesundheit am Arbeitsplatz, die unter anderem zu Silikose führt. Um die Exposition gegenüber RCS zu kontrollieren, wird Wasser als Staubschutzmittel eingesetzt. Da RCS nicht leicht von Wasser benetzbar ist, werden große Mengen Wasser benötigt. Dies ist keine praktikable Lösung, insbesondere in Entwicklungsländern, wo der Zugang zu Wasser noch nicht überall möglich ist. Die Benetzungsleistung von Wasser kann durch die Zugabe von Benetzungsmitteln und Tensiden verbessert werden, die helfen die Oberflächenspannung des Wassers verringern. Bisherige Forschungsarbeiten zur Anwendung von tensidunterstützter Staubbekämpfung konzentrieren sich auf den untertägigen Kohlebergbau, während die tensidgestützte Staubbekämpfung in Metall- und anderen nichtmetallischen Bergwerken, in denen RCS vorherrscht, keine Beachtung fand. Daher ist eine experimentelle Untersuchung zur RCS-Unterdrückung sinnvoll.

Um die Wirksamkeit von Tensiden bei der RCS-Unterdrückung systematisch zu untersuchen, wurde die Forschungsarbeit in zwei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase wurden Vorversuche wie Kontaktwinkel- und Oberflächenspannungstests mit Salzlösungen, Alkoholen, pH-Beeinflussern, anionischen, kationischen, nichtionischen und amphoteren Tensiden durchgeführt, wobei Quarzsubstrate als Proben aus einer untertägigen Goldbergwerk als Fallstudie dienten. Mithilfe von Kontaktwinkel- und Oberflächenspannungstests wurden die Tensidkategorien ermittelt, die eine vollständige Benetzung erreichen (Kontaktwinkel Null und höchste Verringerung der Oberflächenspannung). Die vier Tensidkategorien, die diese Kriterien erfüllten, sowie Wasser als Referenzlösung wurden für weitere Experimente in Phase 2 ausgewählt. In der zweiten Phase wurde die Leistung der vorausgewählten Tenside und des Wassers im Windkanal getestet, wobei Bedingungen eingestellt wurden, die den tatsächlichen Betriebsbedingungen in der untertägiger Goldbergwerke der Fallstudie entsprechen. Im Vergleich zur RCS-Unterdrückung durch Wasser wurde die optimale RCS-Unterdrückung ermittelt, die die Grundlage für die Empfehlung von technischen Lösungen für die Fallstudie bildete.

Auf der Grundlage von Kontaktwinkel- und Oberflächenspannungstests erzielten anionische Tenside (Natriumdodecylbenzolsulfonat - SDBS und Natriumlaurethsulfonat - SLES) und nichtionische Tenside (Decylglucosid/Planteren - DG-P und Alkylpolyglycoside - APOG) eine vollständige Benetzung (Kontaktwinkel Null und durchschnittliche Oberflächenspannung von 30 mN/m) und wurden für Tests im Windkanal ausgewählt. Bei der Verwendung von 2-seitigen Flachstrahldüsen lag die Unterdrückung von lungengängigem Quarzstaub durch Wassersprays zwischen 44,71 % und 58,87 % bei 0,6 l/min bzw. 1,6 l/min. Bei mehr als 1,6 l/min lag die relative Luftfeuchtigkeit bei über 90 %, und die technische Begrenzung des DustTrackTM DRX aerosal wurde zu einem limitierenden Faktor. Im Vergleich zu Tensidsprays betrug die Unterdrückung von lungengängigem Quarzstaub 81,83 %, 83,81 %, 66,44 % bzw. 71,60 % für SDBS-, SLES-, APOG- und DG-P-Sprays bei 0,6 l/min unter Verwendung der 2-seitigen Flachstrahldüsen. Bei Verwendung einer oberen Luftzerstäuberdüse betrug die Unterdrückung von lungengängigem Quarzstaub 45,91 %, 75,82 %, 77,85 %, 60,93 % und 62,79 % für Wasser-, SDBS-, SLES-, APOG- und DG-P-Sprühmittel bei einem Durchsatz von 0,44 l/min. Die Tests zeigten, dass Tensidsprays im Vergleich zur Verwendung von reinem Wasser auch bei niedrigen Durchflussraten eine bessere Leistung erzielen, wobei SLES optimale Ergebnisse lieferte. Die Ergebnisse von Wasser- und Tensidsprays wurden durch die Durchflussmenge, die Staubgrößenfraktionen, die Tensidtypen, die Art der Sprühdüse und die relative Luftfeuchtigkeit beeinflusst.

Diese Ergebnisse sind in dreifacher Hinsicht von Bedeutung: Die Effizienz des Wasserverbrauchs, die Unterdrückung von Quarzstaub und die Gesundheit der Umwelt können durch den Einsatz von Tensidsprays verbessert werden. SLES als RCS-Unterdrückungsmittel ist in flüssiger Form leicht verfügbar, relativ kostengünstig, wasserlöslich und biologisch abbaubar. Nasses Bohren, das Befeuchten von Abraumhalden und Abraumhaldenwänden sowie die Verwendung eines flexiblen Sprühsystems zur Staubkontrolle entlang von Teilsohlen und Übergabestellen werden als kostengünstige Lösungen für die Staubkontrolle im Kleinstbergbau und im Großbergbau in Entwicklungsländern empfohlen. Weitere Forschungsarbeiten zur tensidgestützten Quarzstaubbekämpfung müssen sich auf weitere statische Tests und andere Arten von Tensiden, Tensidmischungen, mit Elektrolyten gemischte Tenside und zusätzlich auf einen Feldversuch konzentrieren.