矿用三相泡沫防灭火材料制备与性能研究

2024-04-10李远飞胡卓鹏潘生敏

煤 2024年4期

李远飞,王斌,胡卓鹏,潘生敏,张宇

(安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南 232001)

煤矿安全与人民的生命财产安全有着密不可分的联系。近年来,我国在对煤矿进行开采的过程中发现,约57%的矿井存在煤炭自燃的安全隐患[1-2]。针对煤炭自燃问题,可采取灌浆、注惰气、凝胶和三相泡沫等防灭火技术,其中,三相泡沫材料可以对采空区或工作面等空间的低、中、高处煤体起到覆盖作用,得以被广泛使用[3-4]。

三相泡沫是把固相物质分散在液相水中,并加入一定量的表面活性剂[5],再将气体通入浆液中,通过加压或强烈的机械搅拌形成混合体,以一定分散度分散在水中,形成固-液-气三相的混合体[6]。目前,许多学者对泡沫防灭火材料在煤矿安全领域中的研究进行了深入探讨。秦波涛等[7]通过研制三相泡沫,成功克服了传统防灭火方法存在的不足;蒋新生等[8]将石墨粉、膨润土和空心玻璃微珠按一定比例复配后加入泡沫灭火剂中,增强了三相泡沫灭火剂的稳定性和流动性;李秀娟[9]通过在水成膜泡沫灭火剂中分别适量添加3种固体微粒, 显著提高了水成膜泡沫灭火剂的抗烧性; Wang T等[10]对粉煤灰三相泡沫体系进行优化,优化后的泡沫体系具有优异的稳定性。此外,国外学者Kramer C等[11]通过仿生方法将包含化学反应性纳米材料的三相泡沫与碳纳米管相结合,进一步提高了泡沫稳定性。

本文通过正交实验法对两种阴离子表面活性剂(AOS、Las-30)、一种非离子表面活性剂(CDEA)、两种稳泡剂(PAM、FM-550)和悬浮剂黄原胶进行复配实验,研究水、黄原胶、粉煤灰粒径对三相泡沫性能的影响,制备出一种新型矿用三相泡沫防灭火材料,并对其稳定性、抗溶性、堆积性和抗烧性进行分析,对比市售三相泡沫,新型三相泡沫具有成本低、稳定性好、抗溶性强、堆积性佳和耐抗烧等优良性能。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

市售宏阳发泡剂,工业级;改性硅树脂聚醚微乳液(FM-550),工业级;椰子油二乙醇酰胺(CEDA),工业级;α-烯基磺酸钠(AOS),工业级;十二烷基苯磺酸钠(Las-30),工业级;黄原胶,食品级;聚丙烯酰胺(PAM),工业级。

JB120-SH 数显恒速搅拌器;两孔板形四氟搅拌棒;JM-A10002 型电子天平;抗烧装置,自制。

1.2 实验方法

1) 发泡倍数。量取一定量发泡液(V1),在量杯中用搅拌器搅拌至泡沫表面无变化(V2),按下式计算。

式中:F为发泡倍数;V1为发泡液的体积,mL;V2为泡沫体积,mL.

2) 稳定性。将制备的三相泡沫移至一定体积的量杯内,开始计时(t1),待泡沫体积降至原体积的一半时,停止计时(t2),按下式计算。

t1/2=t2-t1

式中:t1/2为半衰期,h;t1为开始时间,h;t2为泡沫体积降至原体积一半的时间,h.

3) 三相泡沫制备。将最佳配比的发泡剂、自来水、稳泡剂和粉煤灰充分混合,搅拌,转速为1 500 r/min.泡沫形态细腻,体积无波动时停止搅拌,制得三相泡沫。

4) 抗溶性。将制备的三相泡沫置于一定体积的量杯中,刮平上表面,通过漏斗向底部注入50 mL无水乙醇,记录泡沫高度与时间。

5) 堆积性。将制备的三相泡沫置于一定体积的量杯中,倒置于地面,缓慢提起量杯,每隔1 min记录泡沫的堆积高度和覆盖直径。

6) 抗烧性。抗烧性装置见图1.记录抗烧罐介质开始燃烧时间、油盘泡沫开始坍陷时间和油盘介质开始燃烧时间。

图1 自制简易抗烧装置示意

2 结果与讨论

2.1 三相泡沫的制备

2.1.1 发泡剂复配

固定PAM质量为0.10 g,FM-550质量为1.50 g,改变3种表面活性剂的质量,复配因素水平见表1.

表1 发泡剂复配因素水平

按照3水平3因素进行9组正交实验,见表2.

表2 发泡剂复配正交实验

对表2的实验数据进行极差分析,发泡倍数极差分析见表3.

表3 发泡倍数极差分析

对表2实验数据进行极差分析,半衰期极差分析见表4.

表4 半衰期极差分析

分析表3可知,发泡剂的最佳配比为A3B3C1.分析表4可知,最佳配比为A3B2C1.A3B3C1相比A3B2C1,发泡倍数提高了6.8%,而半衰期减少了2.1%.由于半衰期受配比的影响较小,因此,选用A3B3C1作为最优复配比,即复配体系的最佳组合为m(Las-30)∶m(CDEA)∶m(AOS)=6∶2∶6.根据上述正交实验,最优发泡剂的配方为m(Las-30)∶m(CDEA)∶m(AOS)∶m(PAM)∶m(FM-550)=6∶2∶6∶0.1∶1.5.

2.1.2 发泡剂与水的配比

改变发泡剂与水的配比,配制系列发泡液进行发泡,得到泡沫的发泡倍数和半衰期如图2所示。

图2 发泡剂与水配比对泡沫性能的影响

由图2可知,随着发泡剂质量浓度的减小,泡沫的发泡倍数和半衰期先增后减,质量配为1∶12比时二者最高。因此,选用发泡剂与水的最佳配比为1∶12.

2.1.3 发泡液与粉煤灰的配比

固定发泡剂与水的质量配比1∶12,掺杂不同质量的粉煤灰,配制系列发泡液进行发泡,得到泡沫的发泡倍数和半衰期如图3所示。

图3 发泡液与粉煤灰配比对泡沫性能的影响

由图3可知,固相颗粒的质量逐渐增加,发泡倍数随之减小,半衰期先增后减,当固相配比高于1∶4时,泡沫的稳定性减小。因此,选用粉煤灰与发泡液的最佳液固比为1∶4.

2.1.4 黄原胶的用量

固定发泡剂与水的质量配比为1∶12,掺杂定量的粉煤灰,改变黄原胶的质量,配制系列发泡液进行发泡,得到泡沫的发泡倍数和半衰期如图4所示。

图4 黄原胶的添加量对泡沫性能的影响

由图4可知,黄原胶的加入能显著提高三相泡沫体系的稳定性,增强泡沫性能。但过多的黄原胶对泡沫的半衰期和发泡倍数影响不大,因此,黄原胶的最佳添加量为1.5 g.

2.1.5 粉煤灰粒径

通过筛网将粉煤灰筛分为4种粒径,不同固相颗粒粒径的大小与泡沫性能的关系如图5所示。

图5 粉煤灰粒径大小对泡沫性能的影响

由图5可知,随着粉煤灰粒径由大到小,发泡倍数变大,泡沫的稳定性逐渐增强,小粒径的粉煤灰更容易均匀地覆盖在气泡表面。相反,大粒径的粉煤灰不易均匀覆盖在气泡表面,稳定性不如小粒径的粉煤灰好,因此,粉煤灰的粒径选用120～150 μm.

2.2 性能分析

2.2.1 发泡性能

采用市售5%宏阳发泡液与自制发泡液进行对比,两种泡沫的发泡倍数和半衰期如图6所示。

图6 两种泡沫的发泡倍数和半衰期

由图6可知,自制发泡液的发泡倍数为市售宏阳发泡液的73%,但半衰期提高了54.1%,因此,自制泡沫液具有更好的稳定性。

2.2.2 抗溶性

采用市售5%宏阳发泡液与自制发泡液进行对比,无水乙醇加入时间对两种泡沫高度的影响如图7所示。

图7 无水乙醇加入时间对两种泡沫高度的影响

由图7可知,在无水乙醇加入5 min时,市售宏阳发泡液产生的泡沫高度迅速下降至原有高度的69%,随后泡沫下降速度缓慢,最后保持原有高度的56%;自制发泡液产生的泡沫高度下降速度缓慢,在35 min时仍能保持原有高度的81%.因此,自制发泡液的泡沫抗溶性能明显高于市售宏阳发泡液。

2.2.3 堆积性

采用市售5 %宏阳发泡液与自制发泡液进行对比,两种泡沫的堆积高度和覆盖面积如图8所示。

图8 两种泡沫随时间变化的堆积高度和覆盖面积

由图8可知,取相同体积的泡沫,0～10 min内,市售三相泡沫的覆盖面积前后变化0.05 m2,堆积高度前后变化1.5 cm;自制三相泡沫的覆盖面积前后变化0.03 m2,堆积高度前后变化0.9 cm.还可知,自制三相泡沫初始堆积高度比市售宏阳泡沫初始堆积高度高0.6 cm,自制三相泡沫具有较好的稳定性,更适用于防灭火。

2.2.4 抗烧性

采用市售5%宏阳发泡液与自制发泡液进行对比,两种泡沫在不同时间点的燃烧情况如图9和图10所示。