礦用保水型凝膠材料制備及其滅火性能研究

張浩然(安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤炭在能源和化工領域占據重要的地位，是我國主要一次性消費能源[1]。煤炭在儲運和存放過程中易受到氧化自燃的風險，近年來隨著我國逐漸發展，煤炭開采深度不斷擴大，煤炭自燃火災已經成為煤礦生產的主要危害[2]。針對此隱患，國內研究人員開發了一系列針對煤炭自燃的防滅火材料。當前漿液、惰性氣體、三相泡沫等防滅火材料，雖然已經取得了一定的效果，但是均因材料自身的特點存在各自問題。注漿技術中的漿液易發生水和漿料分離導致開裂；注惰性氣體技術中的惰性氣體容易向外泄漏；三相泡沫技術中的三相泡沫穩定性較差[3]。

針對以上防滅火材料的問題，水凝膠材料是在一定條件下形成聚合物三維網絡的網狀結構、水分作為分散介質充滿結構空隙的特殊分散體系，因此水凝膠材料具有優異的保水、冷卻和封堵能力而逐漸成為當前防滅火材料的研究熱門。傳統的水玻璃凝膠材料雖然價格低廉而應用廣泛[4]，但是仍然存在保水性差、易開裂等缺點[5]，因此有必要開發一種凝膠性能良好、保水穩定的全新凝膠材料。

果膠是一種來源廣泛的天然高分子多糖[6]，自身具有良好的凝膠特性而在食品行業得到廣泛應用[7]，因此是作為制備礦用凝膠材料的理想用料。果膠鏈中的一部分會被甲酯化，根據甲酯化程度的不同，果膠類型分為高甲氧基果膠HMP和低甲氧基果膠LMP[8]。本研究旨在通過實驗對比高甲氧基果膠、低甲氧基果膠兩種不同類型的果膠在不同濃度的交聯劑氯化鈣作用下的凝膠狀態，并通過對比不同濃度的交聯劑氯化鈣的樣品保水率的變化，確定了制備礦用凝膠材料的果膠最佳類型以及和氯化鈣之間濃度比例，通過煤炭滅火實驗驗證礦用凝膠材料的保水性對于滅火性能影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

低甲氧基果膠(甲酯化程度27%～32%)、高甲氧基果膠(甲酯化程度64%～67%)由廣州健科生物科技有限公司提供；無水氯化鈣(AR分析純)購自國藥集團化學試劑有限公司；煤樣取自寧夏王洼煤業有限公司；真空干燥烘箱；燃燒器具；溫度測量儀器。

1.2 凝膠制備

分別將0.6 g的低甲氧基果膠、高甲氧基果膠溶于34.4 g自來水中，共制備8組，編號1～4為35 g的高甲氧基果膠溶液，編號5～8為35 g的低甲氧基果膠溶液；1～6號分別添加15 g(無氯化鈣)、15 g (0.015 g氯化鈣)、15 g(0.03 g 氯化鈣)、15 g(0.045 g 氯化鈣)、15 g(無氯化鈣)、15 g(0.015 g 氯化鈣)、15 g (0.03 g 氯化鈣)、15 g(0.045 g氯化鈣)的氯化鈣溶液，充分攪拌后得到8組質量為50 g樣品靜置觀察各組樣品的凝膠狀態。

1.3 保水率測試

將所得50 g樣品置于培養皿中，稱量樣品初始質量，之后將放置樣品的培養皿置于100 ℃的烘箱內開始計時，每隔1 h稱量烘箱內的培養皿的樣品質量，直至稱量培養皿內的不加氯化鈣的樣品不再減重停止稱量。通過式(1)計算得到保水率：

式中：Wt為樣品第t個小時的保水率(%)；Mt為樣品放置在烘箱內間隔第t個小時所稱量的質量(g)；M0為樣品的初始質量(g)。

1.4 滅火性能測試

稱取3 kg的煤炭，將煤炭均勻放置于燃燒容器內，打開溫度測量儀，點燃煤炭直至煤炭完全燃燒，溫度測量儀中的示數到達920 ℃。將制備好的凝膠樣品向燃燒容器內倒入并開始計時，須保證凝膠樣品均勻地覆蓋在燃燒的煤炭表面。之后開始記錄燃燒容器內的煤炭溫度隨時間的變化直至溫度降為30 ℃為止停止記錄。

2 結果與討論

2.1 低甲氧基果膠和高甲氧基果膠凝膠狀態分析

低甲氧基果膠和高甲氧基果膠凝膠狀態如表1所示。對于高甲氧基果膠來說，隨著氯化鈣濃度的不斷增加，高甲氧基果膠凝膠狀態并沒有發生變化，4組樣品都沒有形成凝膠，如圖1(a)所示，這是因為高甲氧基果膠甲酯化程度較高，從而使果膠和氯化鈣之間的交聯反應程度較低[9]，所以在此條件下高甲氧基果膠不能形成凝膠。

表1 高甲氧基果膠和低甲氧基果膠凝膠狀態

對于低甲氧基果膠來說，沒有添加氯化鈣時，由于沒有鈣離子與果膠交聯反應，從而無法形成凝膠的聚合物三維網絡結構，因此低甲氧基果膠沒有形成凝膠；當添加的氯化鈣的濃度增加至0.06%時，由于加入交聯劑氯化鈣，鈣離子參與了與低甲氧基果膠的交聯反應，從而形成了穩定性較好的凝膠材料[10]，如圖1(b)所示；然而當交聯劑氯化鈣的濃度進一步增加至0.09%時，凝膠不能完整成型，呈現出碎豆腐渣狀態的“預凝膠”現象，并出現了部分凝膠析水，如圖1(c)所示。

圖1 高甲氧基果膠和低甲氧基果膠樣品的凝膠狀態

通過對比高甲氧基果膠和低甲氧基果膠的凝膠狀態，在相同交聯劑氯化鈣濃度下低甲氧基果膠具備更好的凝膠性能，因此選擇低甲氧基果膠作為制備礦用凝膠材料的用料。

2.2 保水率測試

添加不同含量氯化鈣的低甲氧基果膠樣品保水率隨時間的變化如圖2所示。隨著時間增長，各個樣品在100 ℃的環境下逐漸蒸發失水，對氯化鈣添加量為0和氯化鈣添加量為0.03%的樣品，保水性能較差，當時間到達3 h時，保水率分別為46.92%和45.63%；當時間達到6 h時，氯化鈣添加量為0和氯化鈣添加量為0.03%的樣品的的保水率分別為1%和1.02%，此時樣品內的水分已經幾乎蒸發殆盡；而對氯化鈣添加量為0.06%的樣品，當時間到達3 h時，保水率為53.66%，相較于氯化鈣添加量為0交聯劑氯化鈣添加量為0.03%的樣品分別提升了6.74%和8.03%；當時間到達6 h時，保水率為5.5%，相較于氯化鈣添加量為0和氯化鈣添加量為0.03%的樣品分別提升了4.5%和4.48%，保水率有較為明顯的提升。然而當氯化鈣濃度進一步提高至0.09%時，凝膠的保水性能并沒有提升反而下降；當時間到達3 h時，保水率僅為43.57%，相較于氯化鈣添加量為0.06%的樣品，保水率下降了10.09%；當時間到達6 h時，保水率僅為5%相較于交聯劑氯化鈣添加量為0.06%的樣品，保水率下降了0.5%，這主要是因為過多交聯劑氯化鈣導致產生鹽析使果膠沉淀脫水[11]，從而產生相分離、分層現象[12]，此時凝膠呈現碎豆腐渣狀“預凝膠”現象并導致凝膠析水程度較高，導致了更低的保水率。

圖2 不同氯化鈣濃度下的低甲氧基果膠樣品的保水率隨時間的變化

煤炭氧化自燃是煤炭自身與氧氣發生氧化反應產生熱量并集聚熱量逐漸升溫并最終導致燃燒的過程[13]，因此在煤炭氧化自燃的過程中降溫散熱使煤炭自身集聚熱量無法達到燃燒要求十分重要，而水則是滅火降溫過程的主要物質，因此凝膠材料的保水特性十分重要，該特性將直接影響凝膠材料的滅火特性。因此選擇保水率最好的氯化鈣濃度為0.06%的樣品測試其滅火性能。

2.3 滅火性能分析

煤炭燃燒澆注交聯劑氯化鈣濃度為0.06%凝膠材料的溫度隨時間的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，在20 min內溫度迅速下降，這主要因為由于凝膠材料具有一定的流動性可以迅速填充燃燒的煤炭之間所產生的空隙，從而迅速撲滅煤炭燃燒所產生的火焰并降低溫度；在此后的150 min內的下降速率減緩下降至30 ℃，此時凝膠也均勻地覆蓋在了煤炭表面，同時由于凝膠材料自身具有良好的保水性能可以持續提供水分，從而有效地降低煤炭的溫度[12]。

圖3 煤炭溫度隨時間的變化

3 結語

(1)通過對比不同氯化鈣濃度下的高甲氧基果膠和低甲氧基果膠的凝膠狀態，在相同氯化鈣濃度下，低甲氧基果膠具備比高甲氧基果膠更好的凝膠性能，因此選擇低甲氧基果膠作為制備礦用保水凝膠的材料。

(2)通過測試在氯化鈣不同濃度下的低甲氧基果膠樣品在100 ℃烘箱內的保水率隨時間的變化，最終得到了氯化鈣濃度為0.06%的具備較好保水性能和穩定性的凝膠材料。

(3)測試氯化鈣濃度為0.06%的凝膠材料滅火性能，由于其較好的穩定性和保水性從而使其可以有效地覆蓋煤炭并持續供水降溫，大幅降低煤炭燃燒的溫度，有效控制煤炭燃燒。