干水材料特点及其应用前景

2021-08-06汪凤祺李成孝朱福元沈占军

煤矿爆破 2021年2期

汪凤祺,汪泉,李成孝,朱福元,沈占军

(1.安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南 232001；2.安徽省爆破器材与技术工程实验室,安徽淮南 232001；3.淮南舜泰化工有限责任公司,安徽淮南 232001)

0 引言

伴随着我国经济的高速发展,各类建筑物的数量与建筑高度激增,人口密度上升,人们的生命财产安全由于各种火灾的高频发生受到了极大的威胁。20世纪中叶,灭火中广泛使用的是哈龙灭火剂[1],但由于哈龙灭火剂组分中卤代烃的分解产物O3会破坏臭氧层结构,许多国家规定禁止使用哈龙灭火剂,转而寻找哈龙灭火剂的替代物[2-3]。目前,哈龙替代物包含三类:惰性气体灭火剂、卤代烃灭火剂与气溶胶灭火剂。这些哈龙替代物具有灭火效率高、环境友好和对设备无影响的优点[4-6]。三类灭火剂中,惰性气体灭火剂和卤代烃灭火剂因其自身属性在使用场合方面有一定限制；气溶胶灭火剂易对环境造成污染,且工艺复杂,成本较高。目前,干粉灭火剂较为常用,但干粉灭火剂降温效果差,易于复燃,且喷射后在空气中留下的粉末易使人或动物窒息。故国内外学者正探索发掘灭火效果更好、对环境无污染的新型灭火剂。

干水(dry water)本质是外层被疏水性粉末涂层包裹的微小液滴,呈白色粉末状,触感和外观上表现出干燥状态的物质。干水灭火剂作为一种新型灭火材料,优点是具有良好的抗复燃性、分散性、电绝缘性,生产工艺简单,原料成本较低,主要是通过物理、化学2种灭火机理综合作用使火焰熄灭。因此,近年来干水灭火剂引起了消防行业的特别关注。基于一些高层建筑火灾、原始林区火灾等特殊的火灾环境,受到地势和环境等因素影响,消防人员及灭火设备不易及时到达火场,使得火势无法得到及时、有效的控制而造成巨大损失,借助爆炸产生的激波驱动灭火介质灭火的想法由此产生。1996年,Grishin[7]在冲击波扑灭森林火灾领域取得了理论和实践的突破。20世纪90年代末,国防科技大学常熹珏等[8-9]采用数值模拟方法研究了激波扑灭林冠火。蒋耀港等[10-13]较为细致地研究了激波灭火机理,并研究了其在爆炸灭火弹中的应用。李成孝[14]研究了典型干水材料制备及其高压驱动和爆炸灭火性能,分析了灭火机理。

1 干水材料的特点

1.1 干水材料简介

干水是一种稳定的白色粉末状物质,具有90%以上的含水量,但在触感和外观上呈现出干燥状态,因而被称作干水。外层疏水性粉末是一种可在普通的沙子中提取,可以阻隔包裹其中的水与外界物质发生反应的白色粉末,且其形成的包覆膜有一定的抗高温、抗高压能力。

干水是一种无毒、防水、吸附性能好、隔热性能好的超细颗粒环保材料。干水主要成分是水,灭火过程中水气化吸热,降低燃烧物的温度。包裹在外层的疏水性粉末,附着在可燃物表面,阻挡反应物与助燃剂接触,隔绝燃烧物与助燃剂,使其窒息熄灭。干水流动性和分散性好,本身无毒无害,无环境污染。作为新型灭火剂,干水制备简单,成本低廉,原材料丰富,发展潜力巨大,可作为哈龙灭火剂的最佳替代品之一。

1.2 物理性能

1)密度:密度是反映物质特性的物理量,因干水灭火剂为白色细小粉末,故其具有松密度和振实密度。

2)流动性:流动性是影响干水灭火剂使用过程的重要因素,流动性的好坏对灭火效率的高低有着重要影响。

3)粒径大小:干水灭火剂的粒径对灭火过程和灭火效果有着巨大的影响。粒径较大时颗粒聚在一起,会影响喷出效果；粒径较小时,受空气阻力的影响大,不能达到应有的灭火效果。

4)保湿性:干水灭火剂外部是疏水性SiO2粉末,内部含水量超过90%。使用干水灭火剂时,起到主要灭火作用的是其内部所含的水分,因此,需要有较好的保湿性。

5)斥水性:干水灭火剂颗粒表面对水的排斥能力。

6)耐压性:干水灭火剂含有大量的水,在一定压力下会发生破裂,致使灭火能力变差。喷射灭火时需要一定压力,若耐压性过小,在喷射过程中易发生破裂,使灭火能力下降。故干水灭火剂应具有良好的耐压性。

2 典型干水材料的制备

干水灭火剂制备的基本原理是通过高速搅拌使一定比例的SiO2和液体形成干水灭火剂粉末,如图1所示。

图1 干水灭火剂制备机理[14]

制备过程:利用高速分散机将水分散成微小液滴,同时利用疏水性SiO2将破碎后的小液滴包覆,形成SiO2包裹小液滴的白色粉末。干水灭火剂的制备流程如图2所示。

图2 干水灭火剂的制备流程[15]

3 干水材料的应用前景

3.1 爆炸灭火

燃烧的三要素是可燃物、助燃物和着火源。灭火过程就是创造出隔断任意两个要素之间联系的条件。爆炸产生的高温高压的激波能够将可燃性物质、粉尘以及火炸药引燃[16-18],同时激波将火焰强制剥离,以高速度传播的激波还会降低火场上方的助燃物含量,激波推动灭火介质高速运动到达着火区域进行灭火。因此,爆炸灭火过程是由激波灭火、所带介质灭火、激波与介质同时作用灭火叠加而成。

李成孝[14]进行了爆炸驱动干水灭火剂和干粉灭火剂抛撒灭火实验。从实验灭火效果来看,通过爆炸驱动,干水灭火剂在极短时间将火势扑灭,且未发生复燃现象,没有扑灭的油盘火势也减弱较多。实验采用高速摄像观测爆炸驱动灭火剂的运动过程,通过对比实验可观测到干水灭火剂的灭火效果优于干粉灭火剂,如图3、图4所示。

图3 圆柱体干粉灭火剂爆炸灭火高速摄像分幅照片[14]

图4 圆柱体干水灭火剂爆炸灭火高速摄像分幅照片[14]

薛永鹏等[19]通过实验提出通过爆炸实现强制剥离灭火是消防灭火不容忽视的一种灭火方法,并提出2个应用领域:一是爆炸灭火可以用于研究森林消防灭火,利用无人机投掷炸药或利用火炮发射抛掷炸药实施消防灭火,避免了因地势和环境等因素使火势不能及时得到控制的缺点,同时减少了人员伤亡；二是爆炸灭火可用于研究油气井消防灭火。

3.2 灭火剂

干水灭火剂具有良好的抗复燃性、分散性和不导电性,其主要是物理、化学两种灭火机理综合作用使火焰熄灭。灭火时,干水灭火剂中的水汽化吸热,降低了燃烧物的温度,同时稀释了助燃剂,起到窒息作用。外层的疏水性SiO2化学性质稳定,且容易附着在可燃物表面,隔绝燃烧物与助燃剂,使其窒息熄灭。

干水灭火剂是新型灭火材料,目前市面上暂无配套的灭火设备,而干水的物理性质和干粉灭火剂类似,李成孝[14]采用干粉灭火器的喷射装置,将制备好的干水灭火剂灌装入灭火器瓶内进行A、B 2类火灾灭火模拟实验。现场情况如图5、图6、图7所示。

图5 灌注干水灭火剂的钢瓶

图6 干水灭火剂灭A类火[14]

图7 干水灭火剂灭B类火[14]

3.3 化妆品

由于水性基质在护肤品中的广泛使用,故美国、日本等国家将干水应用于化妆品行业。干水中含有大量的水分,具有很好的保湿性且密度小于水,因此,化妆品行业的一些公司将对皮肤有益的物质加入干水内部形成粉末状产品,此类产品涂抹时,在外力作用下结构被破坏,包裹的有效成分被释放。与乳霜等产品形式相比,干水化妆品具有易生产、易储运、易被人体吸收的优势[20]。干水材料为寻求化妆品的创新提供了新的方向。

3.4 吸收二氧化碳

干水具有较强的吸收二氧化碳的能力。利物浦大学的安德鲁·库珀科研小组[21]发现相同体积下,没有结合的水和二氧化硅吸收的二氧化碳量仅为干水吸收的二氧化碳量的三分之一。科研小组提出,从普通沙子中提取的二氧化硅超细粉体包覆在液滴的外部,增大了比表面积,使其吸收温室气体的能力提高。干水吸收大量二氧化碳的能力能够帮助缓解全球变暖的现象,且其原料丰富、制备工艺简单环保,是一种环保型物质,因此,在控制全球变暖方面有着巨大的应用前景。

3.5 储存和运输气体

干水因外层的疏水性粉末的包覆具有较大的比表面积,所以有人提出利用其储存和运输气体。梁华杰[22]应用干水制备水合物,并对其储存甲烷、丙烷和二氧化碳等气体进行了研究。结果表明,各种干水的储气量均比直接用水要大得多。如果将吸收了甲烷的干水看作一种新的能源物质,相较于储存甲烷的可燃冰,粉末状的干水材料更为安全。Benjamin等[23]利用干水进行了储存二氧化碳、氩气实验,并尝试对干水进行改性。

3.6 干水在其他领域的应用

干水的成分主要是水,原料丰富,价格低廉,生产工艺简单,不会造成污染,是一种环保型材料,因此,被广泛应用于各领域。干水可用作催化剂催化氢和马来酸反应,使生产琥珀酸的过程减少了搅拌工序,被广泛应用于食品行业,使整个过程更加高效节能[24]。传统的钻井液有很多缺陷,而低密度、成分稳定的干水钻井液具有对地层损害小、机器洗涤方便等优点[22]。在制药行业,可以将药液加入干水内部的液滴,以微囊的形式增加药物的稳定性[25]。干水也可以作为很多涂料的配方或添加剂应用于印刷等行业[26]。综上所述,干水作为一种环保型材料具有良好的应用前景。