高性能防灭火三相泡沫的实验研究.pdf

第3 4 卷第1 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．1 2 0 0 5 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g yJ a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 ～0 0 1 1 - 0 5 高性能防灭火三相泡沫的实验研究 秦波涛，王德明，陈建华，梁晓瑜 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要提出了用三相泡沫来防治煤炭的自燃．由粉煤灰或黄泥、氮气和水通过物理机械方式形成 的防灭火三相泡沫，具有集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，充分利用粉煤灰或黄泥的覆 盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火的特性．通过对优选的4 种发泡剂及相互复配 对泡沫性能的实验研究，得出了最优的复配发泡剂及配比．同时研究了发泡剂质量分数、水玻璃 质量分数及浆液质量分数对制备高性能三相泡沫的影响．结果表明，当发泡剂质量分数为0 ．2 ％， 水玻璃质量分数为2 ％，灰水质量比为】4 时，制得的防灭火三相泡沫的性能最好．并在实验室 构建的三相泡沫实验系统上制备出了高性能的防灭火三相泡沫． 关键词防灭火；三相泡沫；发泡剂；泡沫性能；复配 中图分类号T D7 5 3 ．4文献标识码A E x p e r i m e n t a lI n v e s t i g a t i o no fH i g h P e r f o r m a n c e T h r e e P h a s eF o a mf o rMi n eF i r eC o n t r o l Q I NB o t a o ，W A N GD e r u i n g ，C H E NJ i a n h u a ，L I A N GX i a o y u S c h o o lo fM i n e r a la n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h r e e p h a s ef o a mw a sp r o p o s e dt op r e v e n tt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a l ．I ti s c o m p o s e do ff l ya s ho rm u d ，n i t r o g e na n dw a t e ra n df o r m e db yp h y s i c a lm i x t u r e ．I tm a k e su s eo f t h ea l l a r o u n dc a p a b i l i t yo fs o l i d ，l i q u i da n dg a ss t a t e st op r e v e n tm i n ef i r e ．I no t h e rw o r d s ，t h ef l y a s ho rm u dc a nc o v e rt h ec o m b u s t i b l e ，t h en i t r o g e nc a na s p h y x i a t ei ta n dt h ew a t e rc a nc o o li t ．T h e o p t i m a lc o m p l e xf o a m i n ga g e n ta n di t sm a t c hw e r ef o u n da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t sa b o u tt h e f o a mp r o p e r t i e so ft h ef o u rs e l e c t e df o a m i n ga g e n t sa n dt h e i rc o m p l e x ．S y n c h r o n o u s l y ，i n t e r r e l a t e d e x p e r i m e n t so nt h et h r e e ～p h a s ef o a mw h i c hw a si n f l u e n c e db yt h em a s sf r a c t i o no ff o a m i n ga g e n t ， s o l u b l eg l a s sa n ds l u r r yw e r ed o n e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p e r t i e so ft h et h r e e p h a s ef o a ma r e t h eb e s tw h e nt h em a s sf r a c t i o no ff o a m i n ga g e n t ，s o l u b l eg l a s sa n ds l u r r yare0 ．2 ％，2 ％a n d2 0 ％ f l ya s ha n dw a t e ri s1 4 r e s p e c t i v e l y ．A n dt h eh i g h q u a l i t yt h r e e p h a s ef o a mw a sf o r m e dt h r o u g h t h ee s t a b l i s h e dl a bs y s t e m ． K e yw o r d s m i n ef i r ec o n t r o l ；t h r e e p h a s ef o a m ；f o a m i n ga g e n t ；f o a mp r o p e r t i e s ；c o m p l e x 煤炭自燃是我国矿井的主要自然灾害之一[ 1 | ． 为了防治煤炭自燃，通常在易发生煤炭自燃的采空 区中喷洒一层使煤和空气隔离的防灭火材料。目前 国内外采用的防灭火技术或材料，如灌浆、喷洒阻 化剂、注惰气、凝胶、胶体泥浆、阻化气雾、泡沫树脂 和压注惰性泡沫等，虽然对防治煤炭自燃起到了重 要作用，但还存在一些不足，如采用注 洒 浆技术， 浆体不能均匀覆盖浮煤，只流向地势低的部位，且 易跑浆；采用注惰气 主要是氮气 ，惰气易随漏风 扩散，不易滞留在注入的区域内，防灭火效果较差； 收稿日期2 0 0 4 0 4 0 9 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 2 7 4 0 6 8 ；教育部博士点基金项目 2 0 0 2 0 2 9 0 0 0 1 ；国家重点基础研究“9 7 3 ”项目 2 0 0 1 C B 4 0 9 6 0 0 作者简介秦波涛 1 9 7 7 一 ，男，重庆市忠县人，助教，工学硕士，博士研究生，从事矿山安全与防灭火技术方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 采用注凝胶则成本高，较难大面积广泛使用等[ 2 ] ． 为了克服现有防灭火技术存在的不足，提出了 采用粉煤灰或黄泥三相泡沫来防治煤炭自燃的新 技术．所谓三相泡沫是将不溶性的固态不燃物 如 粉煤灰 分散在液体 水 中，通入惰性气体 N 并 添加极少量的添加剂 发泡剂和稳泡剂 通过三相 泡沫发泡器充分搅拌混合，形成了固体粉煤灰颗粒 均匀附着在气泡壁上的大量富集的含有气一液一固 三相的体系．三相泡沫是一种物理性的泡沫，即通 过物理机械搅拌形成的．三相泡沫集固、液、气三相 材料的防灭火性能于一体，利用粉煤灰或黄泥的覆 盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭 火，大大提高了防灭火效率口] ． 要形成发泡倍数高、稳定时间长的高性能三相 泡沫，发泡剂是关键．本文以大屯煤电公司的粉煤 灰为例，通过对其化学成分、物相组成和显微结构 的分析以及结合发泡剂价格低廉、来源广泛和绿色 环保的要求，优选出了四种适合制备高性能的粉煤 灰或黄泥三相泡沫的发泡剂 定为A ，B ，c ，D ．通 过对四种发泡剂单独和相互两两复配对三相泡沫 性能的影响的研究以及形成高性能三相泡沫最佳 发泡剂质量分数、水玻璃质量分数以及浆液质量分 数这些三相泡沫本身组成物质的关系，确定出了制 备高性能防灭火三相泡沫的最佳材料配比． 1实验部分 1 ．1主要材料 在实验研究中主要采用如下的材料来制备防 灭火三相泡沫 1 粉煤灰采用大屯煤电公司的粉煤灰．通 过物理化学分析，该粉煤灰主要为比重、粒径均较 大的海绵状玻璃颗粒结构；主体矿物成分为非晶态 物质，有部分石英、莫来石、硬石膏、氧化钙及少量 的黏土、长石、方解石、磁铁矿、赤铁矿等． 2 优选的A ，B ，C ，D 四种发泡剂都属于表面 活性剂，其活性物质量分数为9 2 ％～9 5 ％． 4 2 0 J4 0 0 蠢3 8 0 蛙3 6 0 螽3 4 0 3 2 0 3 0 0 02 04 0 6 08 0 1 0 0 w A ／％ a J g ＼ 甏 蝰 蠼 震 3 水玻璃从市场上购买，模数2 ．8 ～3 ．0 ． 1 ．2 实验装置 由于三相泡沫里面含有粉煤灰或黄泥颗粒，因 此适合采用搅动法[ 4 ] ．自制的网盘打击装置如图1 所示．搅动原则在气体 空气 中搅拌浆液，使气体 搅入到浆液中形成三相泡沫． 沫 ‘，、、i 飞I 纭审{ 少’ 图1 搅拌装置示意图 F i g ．1 S k e t c hd i a g r a mo fc h u r n d a s h e r 1 ．3 实验方法 实验时在量筒中倒入5 0m 1 水，称1 2 ．5g 粉煤 灰倒人其中混合均匀，形成粉煤灰浆液．用自制的 搅拌器通过浆液面上下搅动．每次搅拌时都将搅拌 棒提到量筒口再放下去，频率为2S ～，搅拌时间为 1m i n ．搅拌停止后，读生成的三相泡沫体积y 。，“ 即表征发泡剂的起泡性能；当泡沫体积下降到原来 体积的一半时所需要的时间为泡沫的稳定性． 2 实验结果与分析 2 ．1发泡剂及配比对三相泡沫性能的影响 根据对大屯煤电公司粉煤灰的化学成分、物相 组成和显微结构的分析，优选出了适合制备三相泡 沫的A ，B ，c ，D 四种发泡剂，对它们及其复配的发 泡性能进行了研究．固定发泡剂总质量分数为 0 ．2 ％，水玻璃质量分数为2 ％，灰水比为1 4 ，结 果如图2 ，3 所示． 一 g ＼ 娶 蛙 蠊 魍 图2四种发泡剂相互复配后的发泡性能 F i g ．2 T h ef o a m i n gp r o p e r t i e so ft h ec o m p l e xo ff o u rf o a m i n ga g e n t sw i t he a c ho t h e r 万方数据 第1 期秦波涛等高性能防灭火三相泡沫的实验研究 上 ＼ 星 茗 删 { 疃 避 理 - 芒 ＼ 星 窖 泄 嚣 蠼 赠 工 ＼ 厘 盏 喇 鼷 斌 赠 图3四种发泡剂相互复配后泡沫的稳定性 F i g ．3 T h ef o a ms t a b i l i t yo ft h ec o m p l e xo ff o u rf o a m i n ga g e n t sw i t he a c ho t h e r 图2 结果显示了A ，B ，C ，D 四种发泡剂及其 两两复配的发泡性能．从图2 中可见，A ，B ，C ，D 四 种发泡剂适合制备三相泡沫，且单独就有较强的发 泡能力，其中A 发泡性能最强．这是由于我们选择 的发泡剂一方面能改变粉煤灰或黄泥颗粒表面的 物理化学性质，使亲水性表面变为疏水性表面，易 于黏附在泡沫上；另一方面能显著降低浆液的表面 张力，易于形成泡沫群体．当他们两两复配后，它们 的发泡性能都是随着组分质量分数的增加发泡性 能随着增大，当达到最大值后，复配体系的发泡性 能开始下降．这说明复配体系都有较强的协同效 应．发泡剂两两配比在2 5 ～5 2 之间复配，其最 大的发泡性能比单一组分的发泡性能都要强．这是 因为当两组分的发泡剂复配以后，混合的发泡剂表 面活性剂分子在浆液表面比单一组分发泡剂分子 排列更加紧密，增加了表面疏水链密度，从而更能 降低了浆液的表面张力，更容易形成泡沫．从图2 中两两复配后的发泡性能来看，A C 两种发泡剂 在质量比1 1 复配时具有最高的发泡性能，在小 实验的条件下，发泡体积达到了4 0 5m 1 ．说明了A 与C 两种发泡剂复配后，与其它两两复配相比，发 泡剂分子间结合的更紧密，极性头之间的空隙更 小，浆液的表面张力更显著降低，活性显著增强，因 此更能形成均匀细腻的泡沫群体[ 5 ] ． 图3 显示了A ，B ，C ，D 四种发泡剂及其两两 复配后形成的三相泡沫的稳定性能．影响防灭火三 相泡沫稳定性的因素很多包括表面张力及自修复 作用；液膜的黏度和弹性；气泡的透气性；表面电荷 以及固体颗粒的大小及在液泡上的排列的紧密程 度等等[ 5 。] ．从图3 可见，A ，B ，C ，D 四种发泡剂两 两复配后形成的三相泡沫的稳定性都比较高，且比 相应的单一组分发泡剂的稳定性能好．说明了复配 后的发泡剂在稳定性上具有较强的协同效应．泡沫 的稳定性随组分质量分数的增加先增加，达到最稳 定的效果后，又逐渐减少．和发泡性能一样，在高发 泡性能的复配比例范围内，即配比在2 5 ～5 2 之间复配的稳定性最好．其中A C 以质量比为1 1 复配后的发泡剂所形成的三相泡沫稳定性最 好，稳定时间达到了2 6h ．这是因为复配后的发泡 剂分子的排列的紧密程度和牢固程度都增强，使泡 沫表面黏度增大；电荷增多，使气泡间的斥力增强， 防止了泡沫的合并；表面强度和弹性也增强，气泡 的透气性大大降低．同时由于复配发泡剂分子的相 互交错和穿插的排列方式，形成的三相泡沫的尺寸 比单一发泡剂所形成的三相泡沫更加均匀和细腻， 使粉煤灰或黄泥更能均匀致密地黏附在整个气泡 表面，更阻止了泡沫间的合并和气泡的脱水．同时， 表面活性剂分子在固体表面的吸附作用，形成三相 泡沫的网络支架更稳定，抗外界影响的能力更强． 其中，以A C 两种发泡剂的复配更为显著．因此 泡沫的稳定性大大提高． 2 ．2 发泡剂质量分数对三相炮沫性能的影响 根据前面的实验结果，A C 复配后的发泡剂 所形成的防灭火三相泡沫的性能最佳．固定水玻璃 质量分数为2 ％，灰水质量比为1 4 ，A 与C 的质 量比为1 1 ，改变其质量分数，研究其对三相泡沫 性能的影响，结果如图4 所示 J g ＼ 饔 垃 避 裂 00 ．0 50 1 0o ．1 5 o ．2 0o _ 2 5o ．3 0 o ．3 5 W 涮‰ 图4发泡剂的发泡能力随质量分数变化的关系 F i g ．4 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o a m i n g a b i l i t yo ff o a m i n ga g e n ta n dt h ec o n s i s t e n c yo fi t 从图4 可以看出，随着发泡剂质量分数的增 大，复配体系的发泡性能随着增大，在质量分数小 拍M 挖加博M H 他m 拍M 鸵加体M H 他m ∞∞ w ∞加 啪∞∞ 魏∽ 加 拍M控加博怕H他m 枷枷姗湖捌瑚㈣啪∞ 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 于0 ．0 5 ％时，泡沫体积增加量不大；当质量分数在 0 ．0 5 ％～o ．1 ％之问时，发泡能力明显增强；之后随 着质量分数的增加，又开始缓慢的增加；当质量分 数超过0 ．2 ％时，泡沫体积基本维持不变．这是因 为当复配体系的质量分数小于0 ．0 5 ％，一方面由 于粉煤灰或者黄泥是亲水性的固体颗粒，发泡剂主 要用于改变固体颗粒表面的物理化学性质，使亲水 性的固体颗粒表面疏水，因此用于实际发泡的发泡 剂量就减少；另一方面是由于发泡剂质量分数小， 浆液的表面活性能降低有限，因此泡沫破灭的速度 较大．当质量分数大于0 ．0 5 ％以后，发泡剂改变固 体颗粒的表面物理化学性质已经完成，固体颗粒表 面已经完全疏水，发泡剂主要用于形成三相泡沫， 因此起泡能力大大增加．当质量分数进一步增大， 浆液表面张力的进一步下降比较困难，因此形成泡 沫的能力又开始下降．当发泡剂质量分数大于 0 ．2 ％时，浆液的表面张力已经下降到最低值，发泡 剂已经在溶液中形成了胶束哺] ，再增加发泡剂已经 起不到发泡作用，因此三相泡沫的体积基本不变． 形成三相泡沫最佳的发泡剂质量分数为0 ．2 ％． 2 ．3 水玻璃对三相泡沫性能的影响 在实验中，水玻璃对三相泡沫具有极大的影 响，固定发泡剂质量分数为0 ．2 ％，灰水比为1 4 ， 改变水玻璃质量分数，结果如图5 所示．这是因为 采用的徐州自来水的硬度比较高，里面含有较多的 钙、镁离子；同时粉煤灰或黄泥分散在水中也会游 离出大量的钙、镁离子，因此浆液中钙、镁离子的含 量就较高．而复配体系对钙、镁离子比较敏感．如果 直接在浆液中添加发炮剂来发泡，基本上不能产生 泡沫，发泡剂与浆液中的离子发生了作用．加入水 玻璃后，水玻璃能有效地屏蔽浆液中的钙、镁离子 对发泡剂影响，同时能提供一定的碱性环境，有利 于三相泡沫的形成．水玻璃能使固体颗粒更容易致 密的附着在气泡上，更易形成一种网络支架，增大 一 甚 ＼ 氍 蛙 蛞 麓 工 ＼ 星 鲁 删 骥 避 赠 图5泡沫性能随水玻璃质量分数变化的关系 F i g ．5 T h er e l a t i o n s h i po ft h ef o a mp r o p e r t i e s a n dt h ec o n s i s t e n c yo fs o l u b l eg l a s s 了泡沫的稳定性．由于水玻璃的加入，增加了浆液 黏度；同时在气泡液膜中，发泡剂分子吸附在液膜 表面上，由于水玻璃的存在，分子排列更为紧密，泡 沫液膜增强，减小排液速度，延缓泡沫变薄，增加其 稳定性．继续增加水玻璃，溶液黏度过大，气泡液膜 难以形成，发泡剂的发泡力下降．图5 表明形成高 性能的三相泡沫的水玻璃最佳质量分数为2 ％． 2 ．4浆液质量分数对三相泡沫性能的影响 固定发泡剂质量分数为0 ．2 ％，水玻璃质量分 数为2 ％，改变浆液的质量分数，结果如图6 所示． 粉煤灰浆液的质量分数越大，浆液的起泡能力降 低，但形成的三相泡沫的稳定性增加．这是因为浆 液的质量分数越大，里面水的含量就越少，因此形 成泡沫的能力就降低，同时由于大量固体颗粒的存 在，抑制了三相泡沫的形成．三相泡沫稳定性增加 是由于气泡表面黏附着大量的粉煤灰，在泡沫上存 在着硬的骨架，能防止泡沫间的合并和阻止水层的 流泻，并能使气泡的机械强度增加．当粉煤灰浆液 的质量分数越大，颗粒越密集，这层膜越致密，生成 泡沫的膜也就越坚固，这样更有利于防止气泡的兼 并和水层的流动，从而使粉煤灰三相泡沫越稳 定[ 7 ] ．图6 的结果表明当灰水比为1 4 ～1 2 时， 形成的防灭火三相泡沫的性能最好． 一 E ＼ 氍 蛙 避 赠 O2 02 53 35 0 喙液／％ 3 5 3 0 2 5 ∈ 星 2 0 盏 铡 t 5 船 1 0 0 图6泡沫性能随浆液质量分数变化的关系 F i g ．6 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o a m p r o p e r t i e sa n dt h ec o n s i s t e n c yo fs l u r r y 2 ．5固体颗粒大小对三相泡沫性能的影响 形成的防灭火三相泡沫中，由于固体颗粒是均 匀地附着在气泡的外壁，因此固体颗粒粒径的大小 对三相泡沫的形成与稳定性有很大的影响．如果颗 粒过大，固体颗粒不易黏附在气泡壁上，形成不了 三相泡沫；即使黏附上了也容易脱落，同时其重力 超过气泡的承受能力，气泡就容易破裂，这样就不 容易形成稳定的三相泡沫．因此固体颗粒一般必须 小于某个最大粒度．一般来说，固体颗粒的最大粒 度一般小于3 0 0 弘m ．固体颗粒越小，越容易形成高 性能的防灭火三相泡沫． 姗伽伽姗姗珊瑚啪㈣∞ 拍M汜加懈怕H他加0 o 0 o 万方数据 第1 期秦波涛等高性能防灭火三相泡沫的实验研究 3 三相泡沫制备流程及效果 为了考察以上实验配比的发泡效果，在实验室 构建了三相泡沫实验系统，如图7 所示．首先在制 浆站中，将～定比例的水与粉煤灰或黄泥搅拌混合 形成粉煤灰或黄泥浆体，通过压力泵输送到注浆管 路中，再通过定量螺杆泵将发泡剂注入到注浆管路 中，浆液与发泡剂在流动的混合器中混合后进人发 泡器，在发泡器中接入氮气管路，实验中采用空压 机产生的空气代替氮气，其中气体的成分对三相泡 沫的形成不产生影响，空气与含有发泡剂的粉煤 灰或黄泥浆体相互作用产生出三相泡沫． 图7 三相泡沫的制备流程 F i g ．7 T h ef l o wc h a r to ff o r m i n gt h r e e p h a s ef o a m 根据以上实验研究，采用A C 复配发泡剂体 系，总质量分数为0 ．2 ％；水玻璃质量分数为2 ％； 粉煤灰浆液质量分数为2 0 ％，即灰水比为1 4 ，实 验室生成的粉煤灰三相泡沫照片如图8 所示． 图8 实验室制备的粉煤灰三相泡沫 F i g ．8 T h et h r e e p h a s ef o a mo fa s hf l yi nl a b 4结论 1 由粉煤灰或黄泥、氮气和水形成的三相泡 沫具有集固一液一气三相介质的防灭火性能于一体， 充分利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和 水的吸热降温性进行防灭火的特性．能极大地弥补 目前所采用的防灭火技术和材料的不足． 2 根据对防灭火三相泡沫组成成分的物理化 学分析，复配出了一种能制备发泡倍数较高、稳定 时间较长的防灭火三相泡沫的发泡剂． 3 发泡剂及其质量分数，水玻璃质量分数以 及浆液质量分数对制备高性能防灭火三相泡沫有 相当大的影响．当发泡剂质量分数为0 ．2 ％，水玻 璃质量分数为2 ％，灰水比为1 4 时，所形成的防 灭火三相泡沫的性能最佳．并在实验室构建的三相 泡沫实验系统上，制备出了高性能的三相泡沫． 参考文献 [ 1 ] 李学诚．中国煤矿安全大全[ M ] ．北京煤炭工业出版 社，1 9 9 8 ． [ 2 ] 王德明，李增华，秦波涛，等．一种防治矿井火灾的绿 色环保新材料的研制[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ， 3 3 2 2 0 5 ～2 0 8 ． W a n gDM ，L iZH ，Q i nBT ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to fa n o n p o l l u t i o nm a t e r i a lo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf o r m i n ef i r ec o n t r o l [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，3 3 2 2 0 5 2 0 8 ． 1 - 3 ] M i c h a y l o vM ．P r e v e n t i n ga n df i g h t i n gs p o n t a n e o u s c o m b u s t i o nb yf o a ms l u r r yi nB o b o vd o lc o a lf i e l d [ A ] ．M i c h a y l o vM ．P r o c e e d i n go ft h e 7 t hU SM i n e V e n t i l a t i o nS y m p o s i u m [ C ] ．C o r o r a d o S o c i e t yf o r M i n i n gM e t a l l u r g ya n dE x p [ o r a t i o nI n c ，1 9 9 5 ．1 8 5 1 9 0 ． [ 4 ] 赵国玺．表面活性剂物理化学l - M ] ．北京北京大学出 版社，1 9 8 4 ． [ 5 ]肖进新，赵振国．表面活性剂应用原理[ M ] ．北京化 学工业出版社． [ 6 ] 徐燕莉．表面活性剂的功能[ M ] ．j E 京化学工业出版 社，2 0 0 0 ． [ 7 ]郭梦熊．浮选[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社， 】9 8 9 ． 责任编辑陈其泰 万方数据