CN109899104A - 一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿井防灭火技术应用领域,提供了一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,按重量百分含量,包括:水玻璃4%‑35%、发泡剂0.4%‑3%、稳泡剂0.1%‑3%、促凝剂1%‑5%,余量为水;其中发泡剂是由两种或两种以上阴离子型发泡剂复配而成。本申请所用发泡剂为两种或两种以上阴离子型发泡剂复配而成,所采用的成胶体系为水玻璃和促凝剂,成本低,绿色经济环保,使用过程中无毒无害,具有良好的经济效益。所得到的凝胶泡沫在成胶前将保持水基泡沫流动性强、堆积性好的优点,成胶后又保持水玻璃凝胶降温效果突出、堵漏风效果好的优点,其阻化和灭火效果良好,可显著降低火源温度、热辐射和CO的产生量,灭火稳定,不会出现复燃现象。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井防灭火技术应用领域,具体涉及一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫。
背景技术
煤炭自燃严重威胁着煤矿的安全生产,会造成人员伤亡,财产损失,环境污染等问题。为防治煤炭自燃,国内外广泛采用采空区灌浆、喷洒阻化剂、注惰性气体、注泡沫及注凝胶等防灭火技术。这些技术在防治煤炭自燃过程中发挥着重要作用,但仍然存在一些尚未解决的问题。例如,灌浆防灭火技术注入的浆液积聚于地势较低部位,浆液不能均匀地覆盖浮煤,对中、高及顶板煤体起不到防治作用;物理阻化剂价格便宜,但是阻化时间短,化学阻化剂价格比较昂贵;惰性气体防灭火技术注入的惰性气(CO2、N2等)易随漏风扩散,不易滞留在注入的区域内;泡沫稳定性差,难以实现固化,不能长期封闭火区;注凝胶灭火存在很大的局限性,凝胶在采空区中的流动性较差,渗透范围小,不适合扑灭大范围的火灾。此外,凝胶的使用成本较高,铵盐凝胶会产生刺激性气体,不利于煤矿工人的身体健康。因此,迫切需要研发一种新型的防灭火材料来解决当前煤矿防灭火技术的不足之处。
为了有效地防止煤炭自燃,研究人员设计了一种由粉煤灰、发泡剂、增稠剂、交联剂和N2组成的多相凝胶泡沫复合材料,研究了聚合物的配比及浓度、发泡剂的浓度和粉煤灰粒径对多相凝胶泡沫性能的影响。研究人员通过玉米秸秆、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与丙烯酸接枝共聚形成复合水凝胶,然后加入化学发泡剂和可膨胀石墨,形成自发泡智能凝胶。研究人员以复配发泡剂、稳泡剂和高吸水性凝胶为原料,通过机械搅拌形成凝胶泡沫。在这些研究试验中,研究者选用的多为高分子凝胶体系,水玻璃凝胶受到较小的关注。然而,高分子凝胶泡沫的成本较高,极大地限制了此类材料在煤矿防灭火方面的应用。因此,制备一种经济环保的凝胶泡沫对防治煤炭自燃具有重要意义
发明内容
针对上述现有技术问题,本发明的目的是提供一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其发泡剂采用两种或两种以上阴离子型发泡剂复配而成,所采用的成胶体系为水玻璃和促凝剂,成本低,具有良好的经济效益。所得到的凝胶泡沫在成胶前将保持水基泡沫流动性强、堆积性好的优点,成胶后又保持水玻璃凝胶降温效果突出、堵漏风效果好的优点,其阻化和灭火效果良好,可显著降低火源温度、热辐射和CO的产生量,灭火稳定,不会出现复燃现象。
另外,本发明提供了一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫的制备方法以及防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫的应用。
本发明采用以下的技术方案:
一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,按重量百分含量,包括:水玻璃4%-35%、发泡剂0.4%-3%、稳泡剂0.1%-3%、促凝剂1%-5%,余量为水;所述发泡剂是由两种或两种以上阴离子型发泡剂复配而成。
进一步地,所述发泡剂是由脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠复配而成。
进一步地,所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠的质量比为1:4-4:1。
上述技术方案中,发泡剂采用两种或两种以上阴离子型发泡剂复配而成。其凝胶泡沫成胶机理:
因为分子结构上的差异,阳离子起泡剂的分子作用力比阴离子起泡剂(例如:脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠)小,表观黏性低,液膜内气体比较容易穿透膜导致气泡衰变。此外,由于分子链中亲水端和疏水端的结构特殊性,阴离子发泡剂容易形成相斥的分子双层排布,使液膜能够在更长时间内保持一定厚度,因此增加了泡沫的破泡半衰期。所以,选择两种或两种以上阴离子型发泡剂复配的发泡剂,例如复配的脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠作为发泡剂。在凝胶泡沫溶液发泡阶段,溶液的表面张力迅速降低,表界面能量显著降低,溶液发泡效果显著;在凝胶泡沫溶液成胶阶段,水玻璃溶液在促凝剂的作用下发生反应生成硅酸,硅酸聚合成聚硅酸,再转化成凝胶作为泡沫壁。
具体涉及的反应方程式见(a)和(b)式所示:
凝胶泡沫防治煤炭自燃的机理主要通过以下四种途径:
1、凝胶泡沫覆盖在煤体表面,阻止煤与氧气的接触。该凝胶泡沫有较强的承载和悬浮能力,高发泡倍数的凝胶泡沫能输送到地势高、复杂、危险的区域。因此,凝胶泡沫能够覆盖大面积的煤体。
2、凝胶泡沫增强媒体的润湿性。复配的发泡剂能提高煤体的润湿性。水的比热容比煤大,因此,煤体的温度在水的作用下缓慢上升。煤自燃的可能性大大降低。
3、蒸发和冷却吸收热量。水蒸发吸收大量热量,发泡体积大,散热快。凝胶泡沫具有良好的导热性和渗透性。它甚至可以冷却煤体。
4、优良的堵漏风效果。泡沫破裂后,凝胶泡沫凝胶化,煤体裂隙和孔隙中充满凝胶。因此,具有良好的堵漏风效果。
进一步地,所述水玻璃的波美度为20-40,模数为2-4。
进一步地,所述促凝剂为碳酸氢钾、碳酸氢钠、葡萄糖酸-δ-内酯、碳酸氢铵和碳酸钠中的一种或几种。
进一步地,所述水玻璃和促凝剂的质量比为5-10:1。
进一步地,所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液、羧甲基纤维素、三乙醇胺、二乙醇胺、椰子油甜菜碱和聚乙二醇中的一种或几种。
一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫的制备方法,包括以下步骤:
(1)将水玻璃与去离子水混合,水玻璃的质量浓度为4%-35%,搅拌均匀得到混合溶液;
(2)将发泡剂、稳泡剂和促凝剂依次加入混合溶液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌,最终形成凝胶泡沫。
一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫的应用,将凝胶泡沫用于注入矿井下采空区防治煤炭自燃,将水玻璃、发泡剂、稳泡剂和促凝剂混合发泡后形成的凝胶泡沫注入采空区,覆盖于煤体表面后形成降温隔氧的泡沫层。
本发明具有的有益效果是:
所使用的发泡剂进行复配后具有协同作用,能够显著增加溶液的发泡体积;
所用的制备原料绿色经济,使用过程中无毒无害,成胶时间可控,胶凝时间良好,经济环保,能够有效解决传统无机硅凝胶流动性差、渗透性低、可堆积性差等问题,以及解决水基泡沫在灭火过程中存在的降温效果差,泡沫破灭半衰期短的问题;
可以覆盖在煤体裂隙,达到很好的堵漏、降温、隔氧效果,相对传统水玻璃凝胶和水基泡沫灭火材料,其能粘附在燃烧煤体的表面,能显著降低火源温度、热辐射和CO的产生量,灭火稳定,不会出现复燃现象;
所使用的促凝剂和水玻璃组成的成胶体系胶凝效果良好、成本低、绿色环保,成胶时间根据两者用量的不同控制在3-30min,泡沫间形成的凝胶壁,极大地提高了泡沫的稳定性和保水性,形成的泡沫持久保水,泡沫半衰期可达5h以上;
将发泡剂、稳泡剂、成胶体系和水混合搅拌后发泡,通过发泡器将凝胶泡沫注入采空区煤炭易燃区域后,凝胶泡沫可快速向高位堆积,在所灌注的区域内,对不同高度的煤炭均可有效地覆盖,能够有效地粘结煤体,对遗煤进行降温,泡沫破灭后能在遗煤的表面形成一层隔氧膜,持久有效地防治煤炭自燃;其凝胶泡沫为经济环保型凝胶泡沫,不仅能够很好地防治煤炭自燃,而且不会恶化矿井下的工作环境,不会产生有毒有害气体。
附图说明
图1为凝胶泡沫、水玻璃凝胶和水基泡沫处理的煤样在程序升温下模拟煤的自燃过程图;
图2为凝胶泡沫、水玻璃凝胶及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面后CO浓度随时间变化图;
图3为凝胶泡沫、水玻璃凝胶及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面后煤球温度随时间变化图;
图4为凝胶泡沫、水玻璃凝胶及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面后煤球热辐射值随时间变化图。
具体实施方式
本发明的发泡剂、稳泡剂、成胶体系的浓度均为经过筛选的适宜浓度范围,该浓度范围可根据实际情况进行适当的调整,适当的增加或者减少三种物质的含量。其中成胶体系为促凝剂和水玻璃的混合物。在质量浓度范围内,适当的增加发泡剂、稳泡剂和成胶体系的质量浓度,发泡成胶的效果会有所改善。
实施例1
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=1:1)的质量浓度为0.8%,改性硅树脂聚醚乳液的质量浓度为0.25%,水玻璃的质量浓度为15%,NaHCO3的质量浓度为1%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、改性硅树脂聚醚乳液和NaHCO3依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
煤球在自制的燃烧炉中燃烧10min后,分别将等量的(300-600ml)凝胶泡沫、水玻璃凝胶溶液及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面。
将经过凝胶泡沫、水玻璃凝胶和水基泡沫处理过的煤样在相同的条件下放置24h,采用程序升温试验模拟煤的自燃过程。其结果见图1所示。在同一温度下,经凝胶泡沫处理过的煤样CO的释放量最低。比较原煤样和各阻化煤样在150℃时CO的释放量,计算得出凝胶泡沫在150℃时的阻化率为Eco=77.58%,说明本发明的凝胶泡沫具有良好的防治煤炭自燃的效果。
分别将等量的(300-600ml)凝胶泡沫、水玻璃凝胶溶液及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面,其CO浓度随时间变化见图2所示。结果显示喷洒凝胶泡沫后的煤球CO的释放量显著降低,灭火后期CO释放量趋于20ppm左右。说明本发明的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
分别将等量的(300-600ml)凝胶泡沫、水玻璃凝胶溶液及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面,其煤球温度随时间变化图见图3所示。结果显示喷洒凝胶泡沫后的煤球温度显著降低,灭火后期温度持续降低,没有出现复燃现象。说明本发明的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
分别将等量的(300-600ml)凝胶泡沫、水玻璃凝胶溶液及水基泡沫喷洒在燃烧煤球表面,其结果见图4所示。结果发现喷洒凝胶泡沫后的煤球热辐射值显著降低,灭火后期热辐射值稳定在7mW/m2·min,没有出现复燃现象。说明本发明的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例2
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=1:1)的质量浓度为0.8%,改性硅树脂聚醚乳液的质量浓度为0.25%,水玻璃的质量浓度为12%,NaHCO3的质量浓度为2%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、改性硅树脂聚醚乳液和NaHCO3依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法,喷洒凝胶泡沫后煤球的温度下降了65.52%,灭火后期温度持续降低;热辐射值最终稳定在10mW/m2·min;灭火过程中CO浓度迅速下降,后期出现波动现象,CO浓度最终稳定在30ppm左右,说明本发明的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例3
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=1:1)的质量浓度为0.8%,改性硅树脂聚醚乳液的质量浓度为0.25%,水玻璃的质量浓度为10%,NaHCO3的质量浓度为5%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、改性硅树脂聚醚乳液和NaHCO3依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法,喷洒凝胶泡沫后煤球的温度下降了61.36%,灭火后期温度持续降低;热辐射值最终稳定在12mW/m2·min;灭火过程中CO浓度迅速下降,后期出现波动现象,CO浓度最终稳定在26ppm左右,说明本发明的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例4
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=1:1)的质量浓度为0.8%,改性硅树脂聚醚乳液的质量浓度为0.25%,水玻璃的质量浓度为11%,NaHCO3的质量浓度为6%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、改性硅树脂聚醚乳液和NaHCO3依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
采用与实施例1相同的方法,喷洒凝胶泡沫后煤球的温度下降了63.12%,灭火后期温度持续降低;热辐射值最终稳定在9mW/m2·min;灭火过程中CO浓度迅速下降,后期出现波动现象,CO浓度最终稳定在27ppm左右,说明本发明的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例5
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=1:4)的质量浓度为0.4%,羧甲基纤维素的质量浓度为0.1%,水玻璃的质量浓度为35%,碳酸氢钾的质量浓度为5%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、羧甲基纤维素和碳酸氢钾依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
将所制得的凝胶泡沫喷洒在燃烧的煤球表面,考察其在灭火过程中的温度、热辐射和CO浓度随时间变化情况,结果显示所制得的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例6
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=4:1)的质量浓度为3%,椰子油甜菜碱的质量浓度为3%,水玻璃的质量浓度为4%,葡萄糖酸-δ-内酯的质量浓度为1%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、椰子油甜菜碱和葡萄糖酸-δ-内酯依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
将所制得的凝胶泡沫喷洒在燃烧的煤球表面,考察其在灭火过程中的温度、热辐射和CO浓度随时间变化情况,结果显示所制得的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例7
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=1:3)的质量浓度为2%,三乙醇胺的质量浓度为1.5%,水玻璃的质量浓度为20%,碳酸氢铵的质量浓度为4%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、三乙醇胺和碳酸氢铵依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
将所制得的凝胶泡沫喷洒在燃烧的煤球表面,考察其在灭火过程中的温度、热辐射和CO浓度随时间变化情况,结果显示所制得的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
实施例8
按照经济环保型凝胶泡沫基液质量为100g,准备复配发泡剂(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠:十二烷基硫酸钠=3:1)的质量浓度为1%,二乙醇胺的质量浓度为0.8%,水玻璃的质量浓度为10%,碳酸钠的质量浓度为1%,其余为水。
首先将水玻璃与去离子水混合,搅拌均匀得到混合溶液;将脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基硫酸钠、二乙醇胺和碳酸钠依次加入混合液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌1min以上,采用Waring-Blender搅拌法进行发泡,形成凝胶泡沫。
将所制得的凝胶泡沫喷洒在燃烧的煤球表面,考察其在灭火过程中的温度、热辐射和CO浓度随时间变化情况,结果显示所制得的凝胶泡沫具有良好的灭火效果。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,包括:水玻璃4%-35%、发泡剂0.4%-3%、稳泡剂0.1%-3%、促凝剂1%-5%,余量为水;所述发泡剂是由两种或两种以上阴离子型发泡剂复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,所述发泡剂是由脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠复配而成。
3.根据权利要求2所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基硫酸钠的质量比为1:4-4:1。
4.根据权利要求1所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,所述水玻璃的波美度为20-40,模数为2-4。
5.根据权利要求1所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,所述促凝剂为碳酸氢钾、碳酸氢钠、葡萄糖酸-δ-内酯、碳酸氢铵和碳酸钠中的一种或几种。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,所述水玻璃和促凝剂的质量比为5-10:1。
7.根据权利要求1所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫,其特征在于,所述稳泡剂为改性硅树脂聚醚乳液、羧甲基纤维素、三乙醇胺、二乙醇胺、椰子油甜菜碱和聚乙二醇中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将水玻璃与去离子水混合,水玻璃的质量浓度为4%-35%,搅拌均匀得到混合溶液;
(2)将发泡剂、稳泡剂和促凝剂依次加入混合溶液中,以大于1000r/min的转速机械搅拌,最终形成凝胶泡沫。
9.根据权利要求1所述的一种防治煤炭自燃的经济环保型凝胶泡沫的应用,其特征在于,将凝胶泡沫用于注入矿井下采空区防治煤炭自燃,将水玻璃、发泡剂、稳泡剂和促凝剂混合发泡后形成的凝胶泡沫注入采空区,覆盖于煤体表面后形成降温隔氧的泡沫层。
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