CN105396446A - 一种复合无机盐氨气洗消剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合无机盐氨气洗消剂及其制备方法和应用，包括复合无机盐、表面活性剂和水，所述洗消剂中复合无机盐的物质的量浓度为0.01mol/L~0.09mol/L，表面活性剂物质的量浓度为0.03mol/L。本发明公开的复合无机盐氨气洗消剂及其制备方法和应用具有以下优点：（1）克服了传统纯水幕洗消泄漏氨气时洗消效率低、洗消产物不稳定、易造成环境二次污染的不足，本发明公开的洗消剂提高了对氨气的洗消效率，加强了水幕阻挡泄漏氨气扩散的效果；（2）本发明公开的复合无机盐氨气洗消剂的洗消产物为固体氢氧化物和可溶性氯化物盐，对设备的腐蚀性小，且洗消产物对环境影响小；（3）制备方法简单、原料廉价易得，且适用于消防水幕。

Description

一种复合无机盐氨气洗消剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环保技术领域，涉及利用洗消剂来洗消消防水幕中泄漏氨气的领域，尤其涉及一种复合无机盐氨气洗消剂及其制备方法和应用。

背景技术

氨气是一种无色气体，有强烈的刺激气味，极易溶于水，属易爆气体，在空气中的爆炸下限为15.7％。低浓度的氨气对粘膜有刺激作用，高浓度氨气可造成组织溶解坏死。氨气急性中毒表现如下：轻度者出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、咳痰等；眼结膜、鼻黏膜、咽部充血、水肿；胸部X线征象符合支气管周围炎。氨气吸入浓度升高则上述中毒症状加剧，出现呼吸困难、紫绀；胸部X线征象符合肺炎或间质性肺炎。严重者发生中毒性肺水肿，或有呼吸窘迫综合症，患者剧烈咳嗽、咳大量粉红色泡沫痰、呼吸窘迫、昏迷、休克等，可发生喉头水肺或支气管粘膜坏死脱落窒息。此外，高浓度氨气还可引起反射性呼吸停止。液氨或高浓度液氨会致眼睛灼伤，液氨也可致皮肤灼伤。

氨气与空气混合后能形成爆炸性混合物，与明火、高热能引起燃烧爆炸。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应，若遇高热、容器内压增大，则有开裂和爆炸的危险。

目前用于洗消泄漏氨气的消防水幕多是纯水幕，纯水幕洗消氨气的原理主要是物理溶解作用。用纯水幕洗消泄漏氨气存在洗消效率差，氨不能被完全洗消；洗消产物氨水不稳定，且具有较强的腐蚀性，容易引发二次污染。而目前所做的洗消剂实验多是预先泄漏定量的气体再洗消，与现实不匹配，所得的理论和数据不能有效的支持水幕洗消的应用。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中仅用纯水幕洗消氨气的不足，提供一种洗消效率高、洗消产物对环境影响小、对设备的腐蚀性小、与泄漏氨气具有较大接触面积、制备工艺简单且原料廉价易得的复合无机盐氨气洗消剂。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合无机盐氨气洗消剂，包括复合无机盐、表面活性剂和水，所述洗消剂中复合无机盐的物质的量浓度为0.01mol/L～0.09mol/L，表面活性剂物质的量浓度为0.03mol/L。

向洗消溶液中添加表面活性剂可以显著改善溶液的表面性能，降低溶液的表面张力。表面活性剂溶液的表面张力包括静态表面张力和动态表面张力两个方面。通常所说的表面张力主要是指静态表面张力，其实质是表面活性剂分子在溶液表面吸附平衡时溶液所具有的表面张力值。表面活性剂对应浓度溶液的最低表面张力值是表面活性剂性能的重要指标。加入表面活性剂的洗消溶液的表面张力减小，平均粒径降低，雾滴的比表面积增大，故而使得水幕与氨气的接触面积增大，增强了水幕对氨气的洗消效果。

作为本发明的一种优选方案，所述复合无机盐为氯化铁、氯化铝和氯化镁中的任意两种，且两种无机盐按摩尔比n:10-n，其中1≤n＜10，混合。其原理在于，氨气溶于水形成氨水，金属氯化物与氨水发生反应生成不溶于水的沉淀，该沉淀不会对环境造成污染，反应原理如下：

NH₃+H₂O→NH₃·H₂O→NH₄ ⁺+OH^-

Fe³⁺+3NH₃·H₂O→Fe(OH)₃↓+3NH₄ ⁺

Al³⁺+3NH₃·H₂O→Al(OH)₃↓+3NH₄ ⁺

Mg²⁺+2NH₃·H₂O→Mg(OH)₂↓+2NH₄ ⁺

作为本发明的一种优选方案，所述复合无机盐为氯化铁与氯化铝按摩尔比3～7:7～3混合。

作为本发明的一种优选方案，所述复合无机盐为氯化铁与氯化铝按摩尔比5:5混合，且二者的物质的量浓度和为0.09mol/L。

作为本发明的一种优选方案，所述表面活性剂为乳化剂OP-10。

作为本发明的一种优选方案，所述氯化铁为六水合氯化铁，氯化铝为六水合氯化铝，氯化镁为六水合氯化镁。

作为本发明的一种优选方案，复合无机盐和表面活性剂均为分析纯AR。

一种复合无机盐氨气洗消剂的制备方法，包含以下步骤：(1)将复合无机盐加入水中搅拌至完全溶解，使复合无机盐物质的量浓度和为0.01mol/L～0.09mol/L；(2)向步骤(1)获得的复合无机盐溶液中加入表面活性剂，使其在溶液中的物质的量浓度为0.03mol/L，待搅拌至均一溶液即可获得复合无机盐氨气洗消剂。

经以上方案制备获得的复合无机盐氨气洗消剂可用于消防水幕。

对于本发明中洗消剂洗消效果的检验主要考虑近源处的水幕洗消效率，即在处理近源处的扩散时只须考虑水幕的洗消而可以忽略大气的扩散行为；而研究远源处的水幕洗消效率相对近源处更为复杂，因为水幕的效率值不但与其洗消效果有关，还要考虑气源的特征、大气的条件、环境风速(速率和风向)以及存在的障碍物等。

水幕的吸收阻挡能力称为水幕的洗消效率，其数学表达式为：

定义水幕洗消效率η₀为：

${\mathrm{\η}}_0=1-\frac{C_{forced\_disersion}}{C_{free\_disersion}}$

式中：η₀——水幕洗消效率；

C_{free_dispersion}——自由扩散时有害气体浓度，ppm；

C_{forced_dispersion}——水幕作用时有害气体浓度，ppm。

本发明对洗消剂洗消效果的检验实验中采用的氨气是南京瑞尔特种气体有限公司提供的氨气与氮气的混合气体，由于氨气在空气中的爆炸下限为15.7％，考虑到安全问题，故氨气的浓度为10％。

有益效果

本发明公开的复合无机盐氨气洗消剂及其制备方法和应用具有以下优点：

(1)克服了传统纯水幕洗消泄漏氨气时洗消效率低、洗消产物不稳定、易造成环境二次污染的不足，本发明公开的洗消剂提高了对氨气的洗消效率，加强了水幕阻挡泄漏氨气扩散的效果；

(2)本发明公开的复合无机盐氨气洗消剂的洗消产物为固体氢氧化物和可溶性氯化物盐，对设备的腐蚀性小，且洗消产物对环境影响小；

(3)表面活性剂的加入，降低了溶液的表面张力，雾滴的粒径随之减小，比表面积增大，使得水幕与氨气的接触面积增大，洗消效率得到进一步提高。

(4)制备方法简单、原料廉价易得，且适用于消防水幕。

附图说明

图1是自由扩散及纯水幕对氨气洗消的效果图；

图2是复合无机盐洗消剂氢氧化铁洗消产物XRD分析图；

图3是复合无机盐洗消剂氢氧化铝洗消产物XRD分析图；

图4是复合无机盐洗消剂氢氧化镁洗消产物XRD分析图；

图5是水幕洗消泄漏氨气效果的测试系统示意图；

其中，1为氨气瓶，2为氨气专用减压阀，3为转子气体流量计，4为管路，5为氨气泄漏口，6为水箱，7为喷头，8为压力表，9为水泵，10为水管，11为氨气浓度传感器，12为数据采集模块，13为计算机数据处理系统，14为通风箱，15为防爆风机，16为变频器，17为密闭箱体，18为观察窗。

图6是0.01mol/L氯化铁与氯化铝复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图7是0.03mol/L氯化铁与氯化铝复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图8是0.05mol/L氯化铁与氯化铝复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图9是0.07mol/L氯化铁与氯化铝复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图10是0.09mol/L氯化铁与氯化铝复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图11是0.01mol/L氯化铁、氯化铝与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图12是0.03mol/L氯化铁、氯化铝与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图13是0.05mol/L氯化铁、氯化铝与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图14是0.07mol/L氯化铁、氯化铝与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图15是0.09mol/L氯化铁、氯化铝与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图16是0.01mol/L氯化铁与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图17是0.03mol/L氯化铁与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图18是0.05mol/L氯化铁与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图19是0.07mol/L氯化铁与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图20是0.09mol/L氯化铁与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图21是0.01mol/L氯化铁、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图22是0.03mol/L氯化铁、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图23是0.05mol/L氯化铁、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图24是0.07mol/L氯化铁、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图25是0.09mol/L氯化铁、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图26是0.01mol/L氯化铝与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图27是0.03mol/L氯化铝与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图28是0.05mol/L氯化铝与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图29是0.07mol/L氯化铝与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图30是0.09mol/L氯化铝与氯化镁复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图31是0.01mol/L氯化铝、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图32是0.03mol/L氯化铝、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图33是0.05mol/L氯化铝、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图34是0.07mol/L氯化铝、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图35是0.09mol/L氯化铝、氯化镁与乳化剂OP-10复合无机盐洗消剂洗消效果图；

图36是铁、铝离子复合溶液加入表面活性剂前后的表面张力变化图；

图37是铁、镁离子复合溶液加入表面活性剂前后的表面张力变化图；

图38是铝、镁离子复合溶液加入表面活性剂前后的表面张力变化图；

具体实施方式

以下通过实施例1～15对本发明做进一步详细说明。一种复合无机盐氨气洗消剂，包括复合无机盐、表面活性剂和水，其中具体配比如表1～15所示：按表1～15分别配制符合要求的复合无机盐洗消剂，其中表面活性剂采用乳化剂OP-10，且在洗消剂中物质的量浓度均为0.03mol/L。实施例1～15采用附图5所示的水幕洗消泄漏氨气效果的测试系统进行检测，所述水幕洗消泄漏氨气效果的测试系统置于密闭模拟氨气泄漏空间内，由氨气泄漏系统、水幕系统和氨气浓度数据采集系统组成；所述氨气泄漏系统由氨气瓶1、固定于氨气瓶1出口处的氨气专用减压阀2，设于管路4上的转子气体流量计3以及在管路4端口处的氨气泄漏口5组成；所述水幕系统由水管10连接水箱6和喷头7构成，且在水箱6和喷头7之间设有水泵9和压力表8；所述氨气浓度数据采集系统包括氨气浓度传感器11、数据采集模块12和计算机数据处理系统13。

其中，氨气泄漏口5、喷头7和氨气浓度传感器11置于密闭箱体17内，所述氨气浓度传感器11的安装高度高于喷头7，喷头7的安装高度高于氨气泄漏口5，所述喷头7为扇形。

此外，在密闭箱体17上方设有通风箱14，且于通风口处装有防爆风机15。所述防爆风机15的工作频率通过计算机数据处理系统13调控变频器16实现。

密闭箱体17一面设有可开启的密封门，且在其上设有观察窗18。

将氨气泄漏系统和水幕系统合理布置安装在模拟受限泄漏空间，氨气的泄漏速率为2L/min，泄漏口5高1m，泄漏口5垂直向右水平方向泄漏，喷头7悬挂于离地面高1.2m的位置，喷头7为扇形，垂直向下喷射，水幕与泄漏口5之间的距离为0.8m，氨气浓度传感器11安装在水幕后方0.5m处1.8m高的铁架子上，用于采集室内氨气的浓度变化数据。所有数据由计算机数据处理系统13控制采集、处理和记录。氨气泄漏2min钟后开启水幕，直到预先配置好的10L的洗消剂溶液喷完时，同时关闭氨气阀门和水幕。测试结束后开启防爆风机15吹扫实验空间，使氨气浓度恢复到大气中的浓度。测试过程中禁止一切点火源的存在，测试人员要穿全棉工作服，配备防毒面具。

测试结果如表1～15及图6～35所示：

表1实施例10.01mol/L氯化铁与氯化铝的复合无机盐

表2实施例20.03mol/L氯化铁与氯化铝的复合无机盐

表3实施例30.05mol/L氯化铁与氯化铝的复合无机盐

表4实施例40.07mol/L氯化铁与氯化铝的复合无机盐

表5实施例50.09mol/L氯化铁与氯化铝的复合无机盐

表6实施例60.01mol/L氯化铁与氯化镁的复合无机盐

表7实施例70.03mol/L氯化铁与氯化镁的复合无机盐

表8实施例80.05mol/L氯化铁与氯化镁的复合无机盐

表9实施例90.07mol/L氯化铁与氯化镁的复合无机盐

表10实施例100.09mol/L氯化铁与氯化镁的复合无机盐

表11实施例110.01mol/L氯化铝与氯化镁的复合无机盐

表12实施例120.03mol/L氯化铝与氯化镁的复合无机盐

表13实施例130.05mol/L氯化铝与氯化镁的复合无机盐

表14实施例140.07mol/L氯化铝与氯化镁的复合无机盐

表15实施例150.09mol/L氯化铝与氯化镁的复合无机盐

从实施例1～15的测试结果可见：三种复合无机盐溶液的洗消效率依次为：(Fe³⁺,Al³⁺)＞(Fe³⁺,Mg²⁺)＞(Al³⁺,Mg²⁺)。因为1mol的FeCl₃或AlCl₃可以与3mol的氨气反应，而1mol的MgCl₂只能与2mol的氨气反应。在相同浓度的条件下，含FeCl₃和AlCl₃的洗消剂可以与更多的氨气反应，所以，从分子结构上来看由FeCl₃与AlCl₃复合而得的洗消剂会比三种无机盐按其他方案两两复合而得的洗消剂洗消效率高。随着洗消剂浓度的增大，水幕后方氨气的浓度降低，洗消效率增大。因为洗消剂的浓度越大，能够与氨气反应的物质就越多，从而对氨气的化学洗消作用增强，但洗消效率的增大与洗消剂浓度的增大并不成线性关系，水幕对氨气的洗消是一个复杂的过程，是多种因素作用的结果，不仅有化学洗消作用还有物理洗消作用。

通过对比表1～15中的数据，复合有机酸洗消剂中各组分之间存在着一定的协同作用，复合有机酸洗消剂的实际洗消效率大多高于其加权平均洗消效率。但当添加剂浓度较高时，部分加权平均洗消效率高于实际洗消效率，这是因为当溶液浓度较高时，复合协同作用不明显。对于同一复配体系，其组分配比不同，对氨气的洗消效果也存在着差异，且存在着最优配比，在最优配比下复合无机盐洗消剂对氨气的洗消效率高于其他配比洗消剂溶液，说明在此比例下两种组分的协同作用最为显著，从测试结果中可以看出复合无机盐洗消剂溶液的最优配比为5:5。

从图36～38可见，表面活性剂的添加使得溶液的动态表面张力初值迅速下降，且溶液的表面张力平衡值也明显下降；溶液的动态表面张力初值下降有利于提高溶液的分散程度，而表面张力平衡值下降说明溶液气-液界面和固-液界面表面能下降，最终使得雾滴粒径减小。水幕雾滴的粒径减小，比表面积增大，使水幕与氨气的接触面积增大，从而增强了水幕对氨气的物理和化学洗消作用。对比有无添加表面活性剂的复合无机盐洗消剂的洗消效果可见，表面活性剂的加入普遍提高了洗消剂对氨气的洗消效率。而表面活性剂的加入并没有改变洗消剂中各物质对氨气的洗消性能，只是在一定程度上促进了洗消剂对氨气的洗消作用，因此不同无机盐洗消剂对氨气的洗消效率的大小关系并没有改变。

由实施例1～15可见，FeCl₃与AlCl₃以摩尔比5:5配比，再加入表面活性剂后，洗消效率可高达99.764％。

使用UITIMAIV的组合式多功能X射线衍射仪对洗消产物进行XRD测试，结果如图2～4所示，从图中可以看出金属氯化物洗消剂的洗消产物主要是氯化铵和氢氧化物(氢氧化铁、氢氧化铝、氢氧化镁)，这些氢氧化物性质稳定，无毒害作用，不会对环境造成二次污染。

对比例：

氨气自由扩散后的浓度和纯水幕洗消作用下的浓度随时间的变化如图1所示。氨气在受限空间中的自由扩散是一个非稳态过程，氨气浓度随时间不断增加。从图中可以看出，氨气的浓度有一定的波动，主要是因为气流和墙壁阻挡的原因。氨气自由扩散2min后开启纯水幕，氨气浓度上升趋势显著下降，水幕在一定程度上可以阻挡稀释氨气的扩散。

此外，采用图5所示的水幕洗消泄漏氨气效果的测试系统进行检测，纯水幕的洗消效率为0.81777，纯水幕对氨气的洗消效果图如图1所示。

Claims (9)

1.一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，包括复合无机盐、表面活性剂和水，所述洗消剂中复合无机盐的物质的量浓度为0.01mol/L~0.09mol/L，表面活性剂物质的量浓度为0.03mol/L。

2.根据权利要求1所述一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，所述复合无机盐为氯化铁、氯化铝和氯化镁中的任意两种，且两种无机盐按摩尔比n:10-n，其中1≤n＜10，混合。

3.根据权利要求1所述一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，所述复合无机盐为氯化铁与氯化铝按摩尔比3~7:7~3混合。

4.根据权利要求3所述一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，所述复合无机盐为氯化铁与氯化铝按摩尔比5:5混合，且二者的物质的量浓度和为0.09mol/L。

5.根据权利要求1所述一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，所述表面活性剂为乳化剂OP-10。

6.根据权利要求2所述一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，所述氯化铁为六水合氯化铁，氯化铝为六水合氯化铝，氯化镁为六水合氯化镁。

7.根据权利要求1所述一种复合无机盐氨气洗消剂，其特征在于，无机盐和表面活性剂均为分析纯AR。

8.权利要求1所述的一种复合无机盐氨气洗消剂的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：（1）将复合无机盐加入水中搅拌至完全溶解，使复合无机盐物质的量浓度和为0.01mol/L~0.09mol/L；（2）向步骤（1）获得的复合无机盐溶液中加入表面活性剂，使其在溶液中的物质的量浓度为0.03mol/L，待搅拌至均一溶液即可获得复合无机盐氨气洗消剂。

9.权利要求1或2所述的一种复合无机盐氨气洗消剂的应用，所述复合无机盐氨气洗消剂可用于消防水幕。