李遠(yuǎn)飛,王 斌,胡卓鵬,潘生敏,張 宇

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

煤礦安全與人民的生命財產(chǎn)安全有著密不可分的聯(lián)系。近年來,我國在對煤礦進(jìn)行開采的過程中發(fā)現(xiàn),約57%的礦井存在煤炭自燃的安全隱患[1-2]。針對煤炭自燃問題,可采取灌漿、注惰氣、凝膠和三相泡沫等防滅火技術(shù),其中,三相泡沫材料可以對采空區(qū)或工作面等空間的低、中、高處煤體起到覆蓋作用,得以被廣泛使用[3-4]。

三相泡沫是把固相物質(zhì)分散在液相水中,并加入一定量的表面活性劑[5],再將氣體通入漿液中,通過加壓或強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌形成混合體,以一定分散度分散在水中,形成固-液-氣三相的混合體[6]。目前,許多學(xué)者對泡沫防滅火材料在煤礦安全領(lǐng)域中的研究進(jìn)行了深入探討。秦波濤等[7]通過研制三相泡沫,成功克服了傳統(tǒng)防滅火方法存在的不足;蔣新生等[8]將石墨粉、膨潤土和空心玻璃微珠按一定比例復(fù)配后加入泡沫滅火劑中,增強(qiáng)了三相泡沫滅火劑的穩(wěn)定性和流動性;李秀娟[9]通過在水成膜泡沫滅火劑中分別適量添加3種固體微粒, 顯著提高了水成膜泡沫滅火劑的抗燒性; Wang T等[10]對粉煤灰三相泡沫體系進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的泡沫體系具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外,國外學(xué)者Kramer C等[11]通過仿生方法將包含化學(xué)反應(yīng)性納米材料的三相泡沫與碳納米管相結(jié)合,進(jìn)一步提高了泡沫穩(wěn)定性。

本文通過正交實(shí)驗(yàn)法對兩種陰離子表面活性劑(AOS、Las-30)、一種非離子表面活性劑(CDEA)、兩種穩(wěn)泡劑(PAM、FM-550)和懸浮劑黃原膠進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn),研究水、黃原膠、粉煤灰粒徑對三相泡沫性能的影響,制備出一種新型礦用三相泡沫防滅火材料,并對其穩(wěn)定性、抗溶性、堆積性和抗燒性進(jìn)行分析,對比市售三相泡沫,新型三相泡沫具有成本低、穩(wěn)定性好、抗溶性強(qiáng)、堆積性佳和耐抗燒等優(yōu)良性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

市售宏陽發(fā)泡劑,工業(yè)級;改性硅樹脂聚醚微乳液(FM-550),工業(yè)級;椰子油二乙醇酰胺(CEDA),工業(yè)級;α-烯基磺酸鈉(AOS),工業(yè)級;十二烷基苯磺酸鈉(Las-30),工業(yè)級;黃原膠,食品級;聚丙烯酰胺(PAM),工業(yè)級。

JB120-SH 數(shù)顯恒速攪拌器;兩孔板形四氟攪拌棒;JM-A10002 型電子天平;抗燒裝置,自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1) 發(fā)泡倍數(shù)。量取一定量發(fā)泡液(V1),在量杯中用攪拌器攪拌至泡沫表面無變化(V2),按下式計(jì)算。

式中:F為發(fā)泡倍數(shù);V1為發(fā)泡液的體積,mL;V2為泡沫體積,mL.

2) 穩(wěn)定性。將制備的三相泡沫移至一定體積的量杯內(nèi),開始計(jì)時(t1),待泡沫體積降至原體積的一半時,停止計(jì)時(t2),按下式計(jì)算。

t1/2=t2-t1

式中:t1/2為半衰期,h;t1為開始時間,h;t2為泡沫體積降至原體積一半的時間,h.

3) 三相泡沫制備。將最佳配比的發(fā)泡劑、自來水、穩(wěn)泡劑和粉煤灰充分混合,攪拌,轉(zhuǎn)速為1 500 r/min.泡沫形態(tài)細(xì)膩,體積無波動時停止攪拌,制得三相泡沫。

4) 抗溶性。將制備的三相泡沫置于一定體積的量杯中,刮平上表面,通過漏斗向底部注入50 mL無水乙醇,記錄泡沫高度與時間。

5) 堆積性。將制備的三相泡沫置于一定體積的量杯中,倒置于地面,緩慢提起量杯,每隔1 min記錄泡沫的堆積高度和覆蓋直徑。

6) 抗燒性?？篃匝b置見圖1.記錄抗燒罐介質(zhì)開始燃燒時間、油盤泡沫開始坍陷時間和油盤介質(zhì)開始燃燒時間。

圖1 自制簡易抗燒裝置示意

2 結(jié)果與討論

2.1 三相泡沫的制備

2.1.1 發(fā)泡劑復(fù)配

固定PAM質(zhì)量為0.10 g,FM-550質(zhì)量為1.50 g,改變3種表面活性劑的質(zhì)量,復(fù)配因素水平見表1.

表1 發(fā)泡劑復(fù)配因素水平

按照3水平3因素進(jìn)行9組正交實(shí)驗(yàn),見表2.

表2 發(fā)泡劑復(fù)配正交實(shí)驗(yàn)

對表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,發(fā)泡倍數(shù)極差分析見表3.

表3 發(fā)泡倍數(shù)極差分析

對表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,半衰期極差分析見表4.

表4 半衰期極差分析

分析表3可知,發(fā)泡劑的最佳配比為A3B3C1.分析表4可知,最佳配比為A3B2C1.A3B3C1相比A3B2C1,發(fā)泡倍數(shù)提高了6.8%,而半衰期減少了2.1%.由于半衰期受配比的影響較小,因此,選用A3B3C1作為最優(yōu)復(fù)配比,即復(fù)配體系的最佳組合為m(Las-30)∶m(CDEA)∶m(AOS)=6∶2∶6.根據(jù)上述正交實(shí)驗(yàn),最優(yōu)發(fā)泡劑的配方為m(Las-30)∶m(CDEA)∶m(AOS)∶m(PAM)∶m(FM-550)=6∶2∶6∶0.1∶1.5.

2.1.2 發(fā)泡劑與水的配比

改變發(fā)泡劑與水的配比,配制系列發(fā)泡液進(jìn)行發(fā)泡,得到泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期如圖2所示。

圖2 發(fā)泡劑與水配比對泡沫性能的影響

由圖2可知,隨著發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的減小,泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期先增后減,質(zhì)量配為1∶12比時二者最高。因此,選用發(fā)泡劑與水的最佳配比為1∶12.

2.1.3 發(fā)泡液與粉煤灰的配比

固定發(fā)泡劑與水的質(zhì)量配比1∶12,摻雜不同質(zhì)量的粉煤灰,配制系列發(fā)泡液進(jìn)行發(fā)泡,得到泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期如圖3所示。

圖3 發(fā)泡液與粉煤灰配比對泡沫性能的影響

由圖3可知,固相顆粒的質(zhì)量逐漸增加,發(fā)泡倍數(shù)隨之減小,半衰期先增后減,當(dāng)固相配比高于1∶4時,泡沫的穩(wěn)定性減小。因此,選用粉煤灰與發(fā)泡液的最佳液固比為1∶4.

2.1.4 黃原膠的用量

固定發(fā)泡劑與水的質(zhì)量配比為1∶12,摻雜定量的粉煤灰,改變黃原膠的質(zhì)量,配制系列發(fā)泡液進(jìn)行發(fā)泡,得到泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期如圖4所示。

圖4 黃原膠的添加量對泡沫性能的影響

由圖4可知,黃原膠的加入能顯著提高三相泡沫體系的穩(wěn)定性,增強(qiáng)泡沫性能。但過多的黃原膠對泡沫的半衰期和發(fā)泡倍數(shù)影響不大,因此,黃原膠的最佳添加量為1.5 g.

2.1.5 粉煤灰粒徑

通過篩網(wǎng)將粉煤灰篩分為4種粒徑,不同固相顆粒粒徑的大小與泡沫性能的關(guān)系如圖5所示。

圖5 粉煤灰粒徑大小對泡沫性能的影響

由圖5可知,隨著粉煤灰粒徑由大到小,發(fā)泡倍數(shù)變大,泡沫的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng),小粒徑的粉煤灰更容易均勻地覆蓋在氣泡表面。相反,大粒徑的粉煤灰不易均勻覆蓋在氣泡表面,穩(wěn)定性不如小粒徑的粉煤灰好,因此,粉煤灰的粒徑選用120～150 μm.

2.2 性能分析

2.2.1 發(fā)泡性能

采用市售5%宏陽發(fā)泡液與自制發(fā)泡液進(jìn)行對比,兩種泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期如圖6所示。

圖6 兩種泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和半衰期

由圖6可知,自制發(fā)泡液的發(fā)泡倍數(shù)為市售宏陽發(fā)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穩(wěn)定性。

2.2.2 抗溶性

采用市售5%宏陽發(fā)泡液與自制發(fā)泡液進(jìn)行對比,無水乙醇加入時間對兩種泡沫高度的影響如圖7所示。

圖7 無水乙醇加入時間對兩種泡沫高度的影響

由圖7可知,在無水乙醇加入5 min時,市售宏陽發(fā)泡液產(chǎn)生的泡沫高度迅速下降至原有高度的69%,隨后泡沫下降速度緩慢,最后保持原有高度的56%;自制發(fā)泡液產(chǎn)生的泡沫高度下降速度緩慢,在35 min時仍能保持原有高度的81%.因此,自制發(fā)泡液的泡沫抗溶性能明顯高于市售宏陽發(fā)泡液。

2.2.3 堆積性

采用市售5 %宏陽發(fā)泡液與自制發(fā)泡液進(jìn)行對比,兩種泡沫的堆積高度和覆蓋面積如圖8所示。

圖8 兩種泡沫隨時間變化的堆積高度和覆蓋面積

由圖8可知,取相同體積的泡沫,0～10 min內(nèi),市售三相泡沫的覆蓋面積前后變化0.05 m2,堆積高度前后變化1.5 cm;自制三相泡沫的覆蓋面積前后變化0.03 m2,堆積高度前后變化0.9 cm.還可知,自制三相泡沫初始堆積高度比市售宏陽泡沫初始堆積高度高0.6 cm,自制三相泡沫具有較好的穩(wěn)定性,更適用于防滅火。

2.2.4 抗燒性

采用市售5%宏陽發(fā)泡液與自制發(fā)泡液進(jìn)行對比,兩種泡沫在不同時間點(diǎn)的燃燒情況如圖9和圖10所示。

圖9 自制三相泡沫燃燒情況

圖10 市售宏陽三相泡沫燃燒情況

由圖9和圖10可知,燃燒時,市售三相泡沫182 s時出現(xiàn)塌陷,油盤出現(xiàn)閃火,263 s時,油盤完全燃燒,泡沫失去阻燃效果;自制三相泡沫840 s時出現(xiàn)小范圍塌陷,油盤出現(xiàn)閃火,直到1 013 s時,油盤完全燃燒。實(shí)驗(yàn)證明:自制泡沫比市售泡沫的抗燒性能提高了約4倍。

3 結(jié) 語

1) 制備的煤礦用三相泡沫防滅火材料的最佳配方:2.36%Las-30,0.79%CDEA,2.36%AOS,0.04%PAM,0.59%FM-550,0.59%黃原膠,19.66%粉煤灰,73.61%水。

2) 通過優(yōu)化配方,自制發(fā)泡液穩(wěn)定性相對于5%市售宏陽發(fā)泡液提升了54.1%.

3) 在相同的條件下,自制三相泡沫比市售泡沫的抗溶、堆積效果更好;自制三相泡沫比市售三相泡沫的抗燒性能提高了約4倍。