矿用污泥基防灭火复合凝胶特性研究

马其华 马尉翔

（1、山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590 2、山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

1 概述

凝胶具有优越的降温、堵漏、保水等特性，是煤矿防灭火领域的一种重要材料[1]。但凝胶基料往往比较昂贵，难以大规模使用。为降低基料成本并保证灭火效果，一类以粉煤灰、膨润土、硅藻土等大颗粒填料物质作为骨架支撑作用的复合凝胶得到了发展。在复合凝胶中，填料并不直接参与成胶反应，而是以分散颗粒或杂质状态填充于凝胶形成的网络中，起到增加基料面积，发挥更好的隔氧、灭火等覆被效应[2]。在污水处理过程中，通常会添加如聚丙烯酰胺（HPAM）和聚合氯化铝铁（PAFC）等絮凝剂，生成大量HPAM～Al3+/Fe3+凝胶，从而将污水中的杂质絮凝沉降下来[3]，因此污泥实质是弱凝胶与污泥颗粒组成的非均质体，其具备用作防灭火复合凝胶填料的基本条件。基于此，本文以污泥为填料制备污泥基煤矿防灭火复合凝胶，研究污泥基复合凝胶的防灭火性能，阐明污泥基复合凝胶的成胶机理，以期降低凝胶物料成本并实现污泥的资源化利用。

2 材料与方法

2.1 材料

本试验所用原料为：水玻璃，液态，波美度40，模数3.3；促凝剂（NaHCO3），分析纯；增塑剂（聚丙烯酰胺，HPAM），分子量500 万，分析纯；污泥，由诸城市银河污水处理厂提供。污泥的预处理条件为：在真空干燥箱中干燥至恒重，随后粉碎碾磨并通过80 目筛分。

2.2 样品制备

将一定量促凝剂放入装有一定量自来水的烧杯中完全溶解，随后加入增塑剂继续搅拌加速水解，再向其中缓慢加入一定量的污泥，搅拌至污泥颗粒均匀分散。取10g 水玻璃基料与上述溶液均匀混合，并静置至体系成胶。上述所有操作均在室温下进行，各实验组配比如表1 所示。

表1 物料配比

2.3 测试方法

通过瓶测法确定胶凝时间，于烧杯中依次加入材料，充分搅拌10s 后开始计时。斜置观察液面变化，稳定后记录时间，每组测试3 遍，计算平均值[4]；保水性测试将凝胶置于干燥箱内100℃恒温加热，每隔2h 取出称重并记录，持续8h，保水率计算公式如下：

式中：w(%)表示复合凝胶的保水率，M 表示复合凝胶的初始质量(g)，Mt表示加热t 时刻复合凝胶的质量(g)。

凝胶经冷冻干燥处理后，使用扫描电子显微镜在2kv 加速电压下观察凝胶切片的微观形态。

为进行煤自燃抑制性测试，将凝胶与煤粉（40 目）以1:1.2 重量比充分混合，并在恒温干燥箱内以40℃加热12h，随后测试处理煤样程序升温过程的CO 释放量。

3 结果与分析

3.1 成胶时间

如图1 所示，促凝剂变量组成胶时间变化显著，污泥组与增塑剂组变动幅度相近。此外，随着含量的增加，促凝剂与污泥缩短了成胶时间，增塑剂反之。进一步分析表明，高浓度的NaHCO3溶液电离出更多H+的与水玻璃中的H2SiO42-和H3SiO4-反应，加快了成胶反应，而在一定范围内，污泥颗粒在体系中占据一定空间，提高了促凝剂与基料的相对浓度，进而缩短了成胶时间，此外，在一定浓度下，高分子链段会阻碍H+与硅酸分子的接触，阻碍反应的快速进行。

图1 三个因素对复合凝胶成胶时间的影响

图3 凝胶的微观结构

3.2 保水性

如图2 所示，增塑剂变量组保水率差别最大，污泥组与促凝剂组相近。这说明影响复合凝胶保水率最主要的因素是增塑剂，HPAM 是具有优异吸水性的极性分子，适宜浓度下，通过氢键或范德华力与污泥颗粒弱结合并穿插在水玻璃凝胶网络中，增强胶体保水性[5]。污泥与促凝剂作用类似，合理控制加量可显著提高胶体强度，减少水分散失。

图2 三个因素对复合凝胶保水性的影响

3.3 微观结构

3.4 阻化特性

各处理煤样在程序升温过程的CO 释放量如图4，低温下，原煤和处理煤样CO 释放浓度接近，随着温度升高，煤自燃氧化反应快速进行，凝胶处理煤样与原煤CO释放浓度的差距扩大，同时，经复合凝胶处理的煤样相比水玻璃凝胶释放更低的CO 浓度。这是由于复合凝胶中的聚丙烯酰胺分子链与污泥发生了交联，产生了氢键或其他作用力，增加了体系的稠度，不仅有效地隔绝了氧气，还进一步延缓了水分的蒸发丧失，从而抑制煤的自燃。

图4 不同处理煤样的CO 释放量

3.5 污泥基复合凝胶固结成胶机理

复合凝胶制备过程中，增塑剂在NaHCO3溶液中水解得到水解产物，在链节间静电斥力作用下，部分水解产物形成伸直的构象，这提高了增塑剂的溶解度并稠化反应溶液，加入污泥后，污泥表面含有的-OH 与增塑剂酰胺基团中含N、O 的侧链形成大量的氢键，进一步强化了增塑剂的吸附、架桥、网捕作用[6]，并增强了凝胶的保水能力和机械强度。加入水玻璃后，促凝剂电离出的H+与水玻璃中的H2SiO42-和H3SiO4-结合生成原硅酸等产物，并均匀附着在污泥表面和HPAM 链段上。最终，硅酸聚合物、聚丙烯酰胺长链、HPAM～Al3+/Fe3+凝胶三者相互交联，固结污泥颗粒，形成填充污泥颗粒的有机-无机复杂网络结构的凝胶体。

4 结论

本文基于煤矿防灭火凝胶的现实需求，制备了污泥基防灭火复合凝胶，研究了凝胶的性质与成胶机理，并验证其防灭火效果，得到以下结论：

4.1 促凝剂与增塑剂可有效控制复合凝胶成胶时间与保水性，可进一步调控符合现场应用的最佳配比。

4.2 扫描电镜分析表明，加入污泥与增塑剂的复合凝胶结构致密，代表了更佳的保水性和抗压强度；煤自燃抑制试验表明，添加了污泥与增塑剂的复合凝胶具有最佳的煤自燃抑制特性。

图5 污泥基复合凝胶的制备过程与反应机理

4.3 材料制备过程中，硅酸聚合物、聚丙烯酰胺长链、HPAM～Al3+/Fe3+凝胶三者相互交联，固结污泥颗粒，形成填充污泥颗粒的有机-无机复杂网络结构的凝胶体。