黃原膠對復(fù)合發(fā)泡劑性能影響的實驗研究

李佳怡(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤炭作為我國主要的一次性能源，在相當(dāng)長時間內(nèi)也仍然是我國的主要能源，在社會經(jīng)濟發(fā)展中起著重要作用[1-2]。然而我國90%以上煤層都屬于自燃或易自燃煤層，每年因煤炭自燃造成的經(jīng)濟損失超過1 000億元。煤自燃引發(fā)礦井火災(zāi)不僅造成煤炭資源的大量浪費、經(jīng)濟的巨大損失，同時還造成大量的人員傷亡。因此煤自燃的防治至關(guān)重要。針對煤自燃的防治，國內(nèi)外學(xué)者們提出了許多技術(shù)措施，如：注水、注漿、注惰氣、注阻化劑、注凝膠等[3-5]。這些技術(shù)在煤自燃防治方面起到了重要作用，但仍存在一些不足。如：注水、注漿等，水和漿料只能沿著低洼的地勢流動，難以撲滅中高處火災(zāi)；惰性氣體易隨風(fēng)漏散，難以保留在工作面；阻化劑成本較高，且難以均勻噴灑在煤表面；凝膠流動性能差、易開裂，在輸送過程中易堵塞管道，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

針對以上礦用防滅火材料存在的問題，泡沫因其流動性好、堆積能力強等優(yōu)勢被用于煤礦火災(zāi)并取得了良好的應(yīng)用效果[6-7]。生物質(zhì)泡沫材料因環(huán)保、無毒、易降解等特點備受專家學(xué)者們青睞，但這些泡沫材料仍然存在著穩(wěn)定性差、泡沫破裂速度快等問題，不能對煤自燃起到持久有效的抑制作用，因此提高其穩(wěn)定性對進一步擴大其應(yīng)用十分重要。經(jīng)研究，通過復(fù)配的方式可以一定程度上提高泡沫的發(fā)泡體積和穩(wěn)定性。通過實驗室探究，選用烷基糖苷(APG)和茶皂素(TS)進行復(fù)配，確定APG和TS的復(fù)配比為2∶1。復(fù)配發(fā)泡體系在泡沫體積和穩(wěn)定性上均得到了一定提高。為了使其具有更好的穩(wěn)定性，在復(fù)配的基礎(chǔ)上引入了穩(wěn)泡劑，利用表面活性劑和穩(wěn)泡劑之間的協(xié)同效應(yīng)來提高水溶液的黏度、強化氣泡液膜，從而最終達(dá)到提高泡沫穩(wěn)定性的目的。常用的穩(wěn)泡劑包括丙烯酰胺聚合物[9]、天然高分子聚合物[10]、抗鹽聚合物等。其中天然高分子聚合物以多糖類應(yīng)用廣泛，因其具有環(huán)保無毒、易降解、生物相容性好等特點，是一類很好的穩(wěn)泡制。黃原膠是一種微生物高分子胞外多糖，具有良好的水溶性、增黏性和熱穩(wěn)定性，作為增稠劑和穩(wěn)定劑被廣泛用于多個行業(yè)。黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸的重復(fù)單元組成，其穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使它具有優(yōu)于其他多糖的高穩(wěn)定性[11-12]。因此，選用黃原膠作為穩(wěn)泡劑提高泡沫的穩(wěn)定性，探究不同濃度的黃原膠對生物質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑(APG與TS的比例為2∶1)性能的影響，通過觀察其對復(fù)合發(fā)泡體系發(fā)泡體積、黏度和半衰期的影響，確定了黃原膠的最佳添加量，并利用生物顯微鏡觀察了泡沫的微觀結(jié)構(gòu)。與復(fù)合發(fā)泡體系相比，添加黃原膠的泡沫穩(wěn)定性得到了明顯提升。

1 實驗

1.1 實驗材料和儀器

黃原膠，從任丘市立體化工有限公司購入；茶皂素(TS，工業(yè)級)由西安植佰萃生物技術(shù)有限公司提供；烷基糖苷(APG，工業(yè)級)由上海精細(xì)化工有限公司提供；實驗設(shè)備包括電動攪拌器、NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計、XSP-300顯微鏡。

1.2 樣品制備

用電子天平稱取一定質(zhì)量的黃原膠，將其緩慢均勻地加入水中，利用電動攪拌器以800 r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)攪拌直至其沒有明顯的團塊狀時停止，放置10 h左右，待黃原膠完全溶解后方可使用。稱取適量的黃原膠溶液作為A液。復(fù)合發(fā)泡劑篩選參見文獻[8]，即按照APG與TS的比例為2∶1進行復(fù)配，稱取相應(yīng)質(zhì)量的復(fù)合發(fā)泡劑，將其在水中溶解完全作為B液。將溶解完全的B液倒入A液后，用電動攪拌器以2 500 r/min的轉(zhuǎn)速強力攪拌，使其充分發(fā)泡。發(fā)泡完全后，將泡沫移至燒杯中，觀察泡沫體積和半衰期的變化。根據(jù)實驗室預(yù)實驗，選取黃原膠濃度分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。按照該比例分別加入復(fù)合發(fā)泡劑中，每組溶液均為100 mL，復(fù)合發(fā)泡劑的濃度均為0.3%。

2 測試方法

2.1 泡沫發(fā)泡體積

利用帶刻度的塑料燒杯測量泡沫發(fā)泡體積(V)，當(dāng)混合溶液在塑料燒杯中被攪拌至發(fā)泡完全時即泡沫體積不再發(fā)生明顯變化時，停止攪拌。觀察此刻泡沫在塑料燒杯中的位置，將泡沫液面與燒杯刻度線齊平的位置作為泡沫的發(fā)泡體積。

2.2 泡沫半衰期

將泡沫移至一次性塑料杯中，當(dāng)泡沫的體積減少至最初一半時即為泡沫的半衰期(t1/2)，每組重復(fù)三次，取平均值。

2.3 泡沫黏度

利用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計測量泡沫的黏度。黏度測量時選用4號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速設(shè)為60 r/min。泡沫發(fā)泡完成后即開始進行黏度的測量，以轉(zhuǎn)子沒入塑料杯2/3的位置為準(zhǔn)，進行測量。比較不同濃度的黃原膠對復(fù)合發(fā)泡體系泡沫黏度的影響。

2.4 泡沫微觀結(jié)構(gòu)

利用XSP-300顯微鏡觀察泡沫初始和1 h后的微觀結(jié)構(gòu)變化，各組放大倍數(shù)均為40倍。

3 結(jié)果與討論

3.1 泡沫性能分析

不同濃度的黃原膠對復(fù)合發(fā)泡體系性能影響如表1所示。

表1 黃原膠濃度對復(fù)合發(fā)泡體系性能的影響

由表1可知，隨著黃原膠濃度的增大，泡沫體積呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，而半衰期和黏度則呈現(xiàn)出增長的趨勢。當(dāng)未添加黃原膠時，該體系的發(fā)泡體積可以達(dá)到1 100 mL，半衰期為 5 h，黏度為 724 mPa·s，制備完成即出現(xiàn)了析水。當(dāng)黃原膠濃度為0.2%時，該體系發(fā)泡體積為 680 mL，半衰期為 7 h，黏度為 1 120 mPa·s，2 h 后開始析水。與未添加黃原膠的體系相比，泡沫的發(fā)泡體積減少了420 mL，呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢。半衰期從原來的5 h增至7 h，黏度從原來的724 mPa·s增加至1 120 mPa·s，黏度漲幅較為明顯，析水現(xiàn)象也推遲至2 h后開始。這歸因于黃原膠良好的增稠能力和穩(wěn)泡能力，在較低的濃度下就能使溶液黏度有明顯的增加。這也與黃原膠分子結(jié)構(gòu)相關(guān)，黃原膠在溶液中處于高度糾纏狀態(tài)，其丙酮酸基團相互之間會形成氫鍵，并與鄰近側(cè)鏈的乙酰基產(chǎn)生氫鍵，通過這些氫鍵維系形成了穩(wěn)定的棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu)，由于分子間的相互作用或分子間的強纏結(jié)作用，有效提高了混合溶液的黏度，一定程度上也提高了泡沫膜的強度，從

而提高體系的穩(wěn)定性。因此隨著黃原膠濃度的增加，引起泡沫黏度的持續(xù)增加，黏度越高，越容易使氣泡保持穩(wěn)定，泡沫液膜的排液速度隨之降低，氣泡間的氣體交換速度也降低，泡沫穩(wěn)定性變好。但隨著黏度的增加起泡時需要克服的黏滯阻力增大，阻礙了氣泡的形成，起泡能力顯著降低。當(dāng)黃原膠濃度達(dá)到0.4%時，泡沫的發(fā)泡體積為500 mL，半衰期為26 h，黏度為2 750 mPa·s，與0.2%的黃原膠添加量相比，其發(fā)泡體積繼續(xù)減小，半衰期和黏度均得到大幅度提升，半衰期提高了3.7倍，黏度提高了2.4倍。但是隨著黃原膠濃度的繼續(xù)增大，當(dāng)黃原膠濃度達(dá)到0.8%時，泡沫的體積僅180 mL。由表1可以看出隨著黃原膠濃度的進一步增大，體系出現(xiàn)發(fā)泡困難的現(xiàn)象。持續(xù)增加的黏度會導(dǎo)致泡沫流動性能變差，溶液的黏度增大雖然提高了發(fā)泡體系的穩(wěn)定性，但黏度過大、發(fā)泡倍數(shù)過低并不利于防滅火工作的進行。綜合考慮礦用防滅火泡沫的需求，考察了不同濃度黃原膠對體系發(fā)泡體積、半衰期、黏度和析水時間的影響，確定當(dāng)復(fù)合發(fā)泡劑APG與TS的比例為2∶1時，黃原膠作為穩(wěn)泡劑的最佳添加量為0.4%。

3.2 泡沫的微觀結(jié)構(gòu)分析

利用XSP-300顯微鏡觀察了泡沫的微觀結(jié)構(gòu)，對比了未添加黃原膠和黃原膠濃度為0.4%時泡沫的微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 泡沫微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖1(a)可以看出，當(dāng)未添加黃原膠時，泡沫初始狀態(tài)下排列的較為均勻致密、泡沫尺寸大小不一。當(dāng)黃原膠添加量為0.4%，如圖1(b)所示，泡沫的尺寸明顯變小，視野范圍內(nèi)氣泡數(shù)量增多，泡沫排列均勻致密。黃原膠的加入對泡沫尺寸造成了明顯的影響，這歸因于加入黃原膠之后，體系黏度變大，隨著體系黏度的變大，分子移動時消耗的能量隨之增多，傳遞到液氣表面的能量變低，氣泡也隨之變小。黃原膠濃度越大，越容易使小氣泡穩(wěn)定。因此，隨著黃原膠濃度的增大，泡沫的穩(wěn)定性得到提高。

4 結(jié)語

(1)針對生物質(zhì)復(fù)合發(fā)泡體系(APG與TS的比例為2∶1)泡沫穩(wěn)定性不足的問題，引入黃原膠作為穩(wěn)泡劑改善其泡沫穩(wěn)定性，最終研制出了高穩(wěn)定性、環(huán)保的礦用防滅火泡沫，顯著提高了該復(fù)合發(fā)泡體系的穩(wěn)定性。

(2)通過實驗探究在復(fù)合發(fā)泡劑中APG與TS的比例為2∶1的條件下，確定了黃原膠最佳添加量為0.4%。當(dāng)黃原膠濃度為0.4%時，泡沫的發(fā)泡體積為500 mL,半衰期長達(dá) 26 h，黏度為 2 750 mPa·s。

(3)利用XSP-300顯微鏡觀察了未添加黃原膠和黃原膠濃度為0.4%時泡沫的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：黃原膠濃度為0.4%時，泡沫尺寸變小，氣泡數(shù)量增多，說明黃原膠的加入有效提高了該發(fā)泡體系的泡沫穩(wěn)定性。