余明高,孔 杰,王 燕,鄭 凱,鄭立剛

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南焦作 454003)

改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究

余明高1,2,孔 杰1,2,王 燕1,2,鄭 凱1,2,鄭立剛1,2

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南焦作 454003;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,河南焦作 454003)

為了研制經(jīng)濟(jì)且高效的抑爆劑,以拜耳法赤泥為原料,經(jīng)過(guò)脫堿、改性處理后得到具有較高比表面積(255 m2/g)的超細(xì)改性赤泥粉體材料。利用自制瓦斯抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了改性赤泥粉體的抑爆性能。研究結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)改性的赤泥粉體在瓦斯抑爆實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抑爆效果。其中,質(zhì)量濃度為0.15 g/L的赤泥粉體可使甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣體的爆炸最大壓力降低30%,壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲35.1%左右。結(jié)合熱分析、氮?dú)馕?脫附等測(cè)試結(jié)果,對(duì)改性赤泥粉體的抑爆機(jī)理進(jìn)行了討論,分析表明改性赤泥具有較高的吸熱性,同時(shí)具有較高的比表面積,能夠有效吸附爆炸中產(chǎn)生的活性自基,從而達(dá)到抑爆的目的。

赤泥;改性;抑爆;自由基

瓦斯爆炸具有很強(qiáng)的破壞性,是礦井生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一,嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)和發(fā)展。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者致力于瓦斯抑爆的研究,并取得了一定的進(jìn)展。粉體材料以其性能優(yōu)良、儲(chǔ)運(yùn)方便、無(wú)毒害等特點(diǎn)在瓦斯抑爆領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用。SiO2,CaCO3,NH4H2PO4,KHCO3,Al(OH)3,尿素,硅藻土等都具有不同程度的抑爆效果[1-6]。通過(guò)對(duì)不同粉體的抑爆性能和抑爆機(jī)理研究表明:惰性粉體熱分解溫度越低,分解吸熱量越大,其抑爆效果越好;同時(shí),抑爆粉體遇高溫分解產(chǎn)生的基團(tuán),消耗自由基的能力越強(qiáng),其阻斷爆炸反應(yīng)鏈的作用越明顯,抑爆效果就越好。超細(xì)粉體以其表現(xiàn)出的特殊性質(zhì),如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子化效應(yīng)等,在瓦斯抑爆研究領(lǐng)域越來(lái)越受關(guān)注。Laffitte和Bouchet[7], K.Cybulskii[8],蔡周全等[9]、羅振敏等[10]、謝波和范寶春[11]、秦澗等[12]研究發(fā)現(xiàn):質(zhì)量濃度相同的同種粉體,粉體的粒徑越小,其抑爆性能越好。達(dá)到同等抑爆效果所需的抑爆材料越少。粉體粒徑減小,比表面積增大,表面吸附氣體分子和燃燒產(chǎn)生的自由基的能力增強(qiáng),從而表現(xiàn)出更好的抑爆效果。然而,目前研究較多的超細(xì)粉體抑爆材料生產(chǎn)成本較高,不利于煤礦井下的大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此,研究開(kāi)發(fā)成本低廉、簡(jiǎn)便易得、性能優(yōu)良的新型超細(xì)抑爆粉體材料,具有更好的應(yīng)用前景。

赤泥是在鋁土礦提煉氧化鋁的過(guò)程中產(chǎn)生的廢料,具有強(qiáng)堿性,平均每生產(chǎn)1 t氧化鋁要排放1～2 t的赤泥,我國(guó)氧化鋁廠(chǎng)大都采用露天筑壩堆積的儲(chǔ)存方式,不僅造成土地資源、有價(jià)元素的浪費(fèi),還對(duì)環(huán)境、生態(tài)造成較大的危害。因此,提高赤泥的高附加值利用率,開(kāi)發(fā)赤泥廢料無(wú)害化、資源化技術(shù),已成為國(guó)內(nèi)外氧化鋁產(chǎn)業(yè)界面臨的重大問(wèn)題。研究測(cè)試分析表明,赤泥的主要成分為SiO2,Fe2O3,Al2O3,CaO等,經(jīng)過(guò)脫堿、膠凝等工藝處理后,粒度分布在幾十納米至幾十微米之間,且具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。目前,赤泥多被研究作為吸附材料治理污水和廢氣,或作為催化劑載體材料[13-15]。周福寶和王德明[16]將赤泥作為惰性材料應(yīng)用到煤礦防滅火,通過(guò)基料、促凝劑、赤泥按一定比例混合形成復(fù)合滅火凝膠。該凝膠具有強(qiáng)度高、能夠滯留在工作面頂部較高的發(fā)火部位、含水量大、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但是,關(guān)于赤泥粉體的瓦斯抑爆性能研究鮮有報(bào)道。

筆者以拜耳法赤泥為原料,經(jīng)過(guò)脫堿、改性處理后得到具有高比表面積和孔隙率的超細(xì)粉體材料。利用自制瓦斯抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)研究改性赤泥粉體的抑爆性能。并結(jié)合熱分析、氮?dú)馕?脫附等測(cè)試結(jié)果,對(duì)改性赤泥粉體的抑爆機(jī)理進(jìn)行了討論分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 赤泥的改性處理過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中所用的拜耳法赤泥由河南中美鋁業(yè)公司提供,其化學(xué)組分見(jiàn)表1。

表1 拜耳法赤泥的化學(xué)組分Table 1 Chem ical com position of red m ud from Bayer process

實(shí)驗(yàn)所用鹽酸、氨水、乙醇、等試劑均為分析純?cè)噭?。赤泥改性處理主要包括以下幾個(gè)步驟:

(1)脫堿:稱(chēng)取赤泥(RM)粉體25 g,分散到100 mL的蒸餾水中,緩慢加入6mol/L的稀鹽酸溶液150 mL,85℃恒溫?cái)嚢? h,使得金屬氧化物和OH-等與鹽酸充分反應(yīng),生成金屬鹽溶液。

(2)沉淀和膠凝過(guò)程:反應(yīng)液冷卻至室溫,緩慢滴入氨水至pH值為7.8。堿性環(huán)境下Fe3+,Al3+形成Fe(OH)3和Al(OH)3小顆粒,一定條件下縮水凝結(jié)形成膠?；蚰z粒子。

(3)陳化過(guò)程:加入150mL乙醇,50℃恒溫?cái)嚢?.5 h,靜止24 h,使沉淀完全析出。

(4)洗滌、過(guò)濾、干燥和研磨:抽濾過(guò)程中使用蒸餾水反復(fù)洗滌,將沉淀中的雜質(zhì)離子,如Cl-,Na+, NH4+,Ca2+等除去,經(jīng)過(guò)干燥、研磨后得到改性赤泥(MAM)材料。

1.2 材料表征

通過(guò)TENSOR 37紅外光譜儀產(chǎn)生的紅外光譜圖(IR)分析改性赤泥中主要基團(tuán);利用JSM-6380LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察分析其微觀(guān)結(jié)構(gòu);使用AsiQM0000-3型N2吸附儀,考察改性赤泥孔隙率和比表面積大小;采用STA449C同步熱分析儀,得到赤泥粉體的熱解失重曲線(xiàn)(TG)和差式掃描曲線(xiàn)(DSC),研究改性赤泥粉體的熱解參數(shù)。

1.3 抑爆實(shí)驗(yàn)

本文使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由瓦斯爆炸管道、反應(yīng)觸發(fā)控制系統(tǒng)、高速攝錄系統(tǒng)、光電和壓力信號(hào)采集系統(tǒng)、甲烷-空氣預(yù)混配氣充氣系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)等6部分構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 瓦斯抑爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of gas explosion suppression

瓦斯爆炸管道為透明有機(jī)玻璃管,管道腔體截面為150 mm×150 mm,長(zhǎng)500 mm,有效容積為1.125 L。管道點(diǎn)火端封閉,腔體內(nèi)設(shè)有6塊金屬障礙物,尺寸為150 mm×37.5 mm×10 mm。管道另一端由聚乙烯薄膜密封,爆炸時(shí)薄膜破裂泄壓。

高速攝像系統(tǒng)由德國(guó)生產(chǎn)的Lab vision Super高速攝影儀、攝像儀控制器和電腦主機(jī)組成,實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)其采集時(shí)間為2.046 s,采集速率為2 000 ftp/s,采集量為4 092張,圖片曝光時(shí)間為1/2 000 s,能清晰表現(xiàn)爆炸過(guò)程中火焰形狀、顏色的變化。

光電壓力信號(hào)采集系統(tǒng)主要由紅外光電傳感器,壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡組成,壓力傳感器型號(hào)為MD-HF,量程為-0.1～0.1 MPa,安裝在管道的閉口端,距離點(diǎn)火頭20 mm處,光電傳感器安置在管道外能直接采集點(diǎn)火器電火花的位置,作為點(diǎn)火起始時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)。壓力傳感器和光電傳感器的采集頻率均為15 kHz。

實(shí)驗(yàn)配氣時(shí)以空氣壓縮機(jī)和甲烷高壓鋼瓶為氣體動(dòng)力輸出源,由電子流量計(jì)調(diào)節(jié)甲烷與空氣流量分別為0.475 L/min與4.525 L/min,得到甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的預(yù)混氣體。充氣時(shí)采用排氣法,向?qū)嶒?yàn)管道內(nèi)通入4倍管道容積的甲烷-空氣預(yù)混氣體,以排出原有空氣[17]。

噴粉系統(tǒng)主要由高壓儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)粉噴頭、電磁閥等構(gòu)成,由直流電源開(kāi)關(guān)控制電磁閥開(kāi)啟,利用儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓氣體將噴頭內(nèi)的粉體噴出,分散的粉體自由沉降充滿(mǎn)整個(gè)爆炸管道。

觸發(fā)系統(tǒng)主要由自制高頻脈沖點(diǎn)火器、6 V穩(wěn)壓直流電源和觸發(fā)開(kāi)關(guān)組成。

首先,按照一定比例充入預(yù)混氣體,接著啟動(dòng)噴粉裝置,均勻噴射抑爆粉體,待粉體自由沉降3 s后,由延遲開(kāi)關(guān)觸發(fā)點(diǎn)火系統(tǒng)引爆反應(yīng)氣體。通過(guò)高速攝像儀拍攝爆炸火焰?zhèn)鞑サ膭?dòng)態(tài)過(guò)程,同時(shí)采集光電信號(hào)和壓力信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改性赤泥粉體的表征分析

通過(guò)TENSOR37紅外光譜儀分析測(cè)試改性赤泥的化學(xué)成分和化學(xué)基團(tuán),得到的紅外光譜如圖2所示。由圖2中可以看出,紅外光譜曲線(xiàn)分別在750, 1 030,3 435 cm-1處出現(xiàn)3個(gè)波峰。其中,位于3 435 cm-1的峰對(duì)應(yīng)為羥基(—OH)的伸縮振動(dòng),MRM中位于1 030 cm-1處對(duì)應(yīng)為Si—O鍵突出振動(dòng)峰,位于750 cm-1處對(duì)應(yīng)為針鐵礦(FeOOH)的振動(dòng)峰。

圖2 改性赤泥(MRM)紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of MRM

利用STA449C同步熱分析儀測(cè)得改性赤泥的TG和DSC曲線(xiàn),如圖3所示。由圖3中TG曲線(xiàn)可以看到,改性赤泥在112℃開(kāi)始熱解失重,這是由于樣品中的金屬氫氧化物逐漸失去結(jié)晶水造成的。溫度達(dá)到600℃以后質(zhì)量基本不再發(fā)生變化,說(shuō)明此時(shí)樣品已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為性質(zhì)較穩(wěn)定的金屬氧化物,最終失重率為40%左右。通過(guò)分析DSC曲線(xiàn)可發(fā)現(xiàn),改性赤泥的熱解為吸熱過(guò)程,其粉體樣品吸熱量約為1 227 J/g,DSC峰值溫度為307℃。綜合熱分析結(jié)果表明:改性赤泥熱解溫度低,熱解過(guò)程中需要吸收大量的熱,熱解產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定。結(jié)合赤泥化學(xué)組分表(表1)、紅外光譜震動(dòng)波峰的位置以及TG和DSC隨溫度的變化曲線(xiàn),可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)酸中和、膠凝、洗滌等處理工藝,赤泥的主要成分由SiO2,Fe2O3和Al2O3等,變?yōu)镾iO2及Fe,Al等金屬氫氧化物。

利用電子掃描顯微鏡,對(duì)改性赤泥微粒的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)表征分析。掃描電鏡照片如圖4所示。從圖4可看出改性赤泥微粒是由50～100 nm的顆粒堆疊而成,形成不規(guī)則的納米縫隙,這種獨(dú)特的多孔架空結(jié)構(gòu),是在赤泥改性處理過(guò)程中,由Al(OH)3和Fe(OH)3等金屬氫氧化物成膠、析出的晶粒堆疊形成的。

圖3 改性赤泥熱重、差示掃描量熱分析曲線(xiàn)Fig.3 TG and DSC curves of MRM

圖4 改性赤泥掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of MRM

圖5為赤泥(a)和改性赤泥(b)的氮?dú)獾葴匚?脫附曲線(xiàn)。圖5(a)所示赤泥的吸附等溫線(xiàn)為Ⅲ型,表明赤泥顆粒中孔隙較少,赤泥與被吸附分子(N2)之間的作用力較弱,而被吸附分子之間的作用力相對(duì)更強(qiáng)。圖5(b)中改性赤泥的吸附-脫附等溫線(xiàn)為Ⅳ型,并且在P/P0=0.5～1.0(P為N2分壓, P0為液氮溫度下N2的飽和蒸汽壓)范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的滯后環(huán)。表明改性赤泥對(duì)被吸附分子的吸附作用較強(qiáng),吸附-脫附實(shí)驗(yàn)中發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。該結(jié)果說(shuō)明改性赤泥內(nèi)部具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu),這與樣品的掃描電鏡照片觀(guān)察到的結(jié)果相符合。由多點(diǎn)Brunauer-Emmett-Teller(BET)法計(jì)算所得,改性赤泥具有較高的比表面積,為255 m2/g,相比未處理赤泥(RM)的比表面積(56 m2/g)顯著增加。

圖5 赤泥和改性赤泥氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of N2adsorption-desorption of RM and MRM

2.2 改性赤泥的抑爆性能

為了盡可能地減小實(shí)驗(yàn)誤差,筆者選取當(dāng)量濃度即甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷-空氣預(yù)混氣體作為爆炸體系,利用自主搭建的爆炸實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分別測(cè)試了MRM質(zhì)量濃度分別為0.02,0.05,0.10,0.15, 0.20 g/L下瓦斯爆炸壓力參數(shù)的變化規(guī)律,具體結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著粉體質(zhì)量濃度的增加,爆炸壓力的峰值逐漸降低。在MRM質(zhì)量濃度為0.15 g/L時(shí),對(duì)比無(wú)粉體作用下的爆炸最大壓力值下降幅度最大,達(dá)到3 464 Pa,降幅為30%左右。在MRM質(zhì)量濃度為0.20 g/L時(shí),壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲最長(zhǎng),達(dá)到4.7 ms,延遲率達(dá)35.10%。同時(shí),筆者也對(duì)比測(cè)試了未處理赤泥的抑爆性能。

表2 不同濃度改性赤泥的抑爆效果Table 2 Effectiveness of exp losion suppression of MRM w ith different concentration

圖6為在無(wú)粉體、RM質(zhì)量濃度為0.15 g/L和MRM質(zhì)量濃度為0.15 g/L和0.20 g/L四種情況下的爆炸壓力變化情況。結(jié)果表明:添加抑爆粉體后爆炸壓力上升速率變慢,且爆炸壓力峰值時(shí)間出現(xiàn)較大幅度的延遲。添加質(zhì)量濃度為0.15 g/L和0.20 g/L的MRM粉體時(shí)爆炸壓力峰值下降較為明顯,而添加質(zhì)量濃度為0.15 g/L的RM粉體時(shí),對(duì)爆炸壓力最大值也有一定的降低作用,但相比相同質(zhì)量濃度下的MRM而言抑爆效果較差。這主要是由于:①改性赤泥的主要成分由金屬氧化物轉(zhuǎn)化為氫氧化物,其分解吸熱能力增強(qiáng);②改性處理后的赤泥粒徑減小,比表面積顯著增加,與甲烷爆炸產(chǎn)生的自由基的結(jié)合能力增強(qiáng)。結(jié)合圖6和表2可以看出,瓦斯爆炸時(shí)使用MRM粉體進(jìn)行抑爆可有效降低爆炸壓力,減小升壓速率,延長(zhǎng)壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間,說(shuō)明改性赤泥粉體對(duì)瓦斯爆炸具有良好的抑制作用。

圖6 質(zhì)量濃度為0.15 g/L和0.20 g/L的改性赤泥和質(zhì)量濃度為0.15 g/L的原始赤泥對(duì)爆炸壓力的影響Fig.6 The explosion pressure of MRM at the concentration of0.15 g/L and 0.20 g/L and RM at the concentration of 0.15 g/L

圖7為高速攝像儀所記錄的無(wú)粉體時(shí)、RM粉體質(zhì)量濃度為0.15 g/L和MRM粉體質(zhì)量濃度為0.15 g/L三種工況下的甲烷爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ卣髡掌?所取照片時(shí)間間隔為3 ms。對(duì)比A,B,C三圖發(fā)現(xiàn):在18 ms前,3種工況下的火焰?zhèn)鞑テ椒€(wěn)、速度緩慢,沒(méi)有表現(xiàn)出明顯區(qū)別。18 ms后火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)明顯加速,傳播速度產(chǎn)生突變,同一時(shí)刻A和B中火焰鋒面?zhèn)鞑ゾ嚯x相對(duì)C明顯變大。說(shuō)明18 ms后爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?、加速度在改性赤泥粉體的抑制作用下明顯減小。因此,改性赤泥粉體對(duì)瓦斯爆炸傳播和發(fā)展具有一定的抑制作用。瓦斯爆炸時(shí)減小爆炸火焰的傳播速度,可以減緩事故破壞規(guī)模的擴(kuò)大和發(fā)展,對(duì)井下工作人員撤離和及時(shí)采取有效控爆措施具有重大意義。

2.3 改性赤泥粉體的抑爆機(jī)理分析

圖7 赤泥和改性赤泥對(duì)爆炸火焰的影響Fig.7 The effect of red mud and modified red mud on explosion flameA—無(wú)粉體作用時(shí)爆炸火焰?zhèn)鞑D片;B—原始赤泥粉體(0.15 g/L)時(shí)火焰?zhèn)鞑D片;C—改性赤泥(0.15 g/L)時(shí)火焰?zhèn)鞑D片

瓦斯爆炸必須同時(shí)滿(mǎn)足3個(gè)基本條件:①瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于爆炸界限內(nèi)(5%～16%);②有足夠引爆瓦斯的點(diǎn)火能;③氧氣體積分?jǐn)?shù)大于12%。另外,甲烷爆炸過(guò)程實(shí)際上是由多個(gè)基元反應(yīng)組合而成的支鏈型鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程。因此,破壞瓦斯體積分?jǐn)?shù)、氧氣體積分?jǐn)?shù)、熱量和反應(yīng)鏈等4個(gè)條件中的一個(gè)或多個(gè)才能達(dá)到對(duì)爆炸的抑制作用。固體粉體微粒的抑爆機(jī)理主要表現(xiàn)為:固體微粒在爆炸高溫環(huán)境中升溫吸熱和粉體高溫分解或汽化吸熱,降低系統(tǒng)溫度;固體微粒和活性物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生惰性氣體稀釋易爆氣體和氧氣的濃度;通過(guò)化學(xué)反應(yīng)吸收消耗活性自由基,阻斷反應(yīng)鏈等。未處理赤泥主要通過(guò)自身升溫吸熱和碰撞銷(xiāo)毀自由基阻斷反應(yīng)鏈的化學(xué)效應(yīng)降低爆炸威力,其抑爆效果不能達(dá)到理想要求。

經(jīng)過(guò)改性處理的赤泥粉體,其組分有所變化,原有鋁、鐵等金屬氧化物變成金屬氫氧化物。經(jīng)對(duì)改性赤泥的熱分析結(jié)果(圖3)證明:Al(OH)3在溫度為230～370℃分解失去結(jié)構(gòu)水生成一水軟石(Al2O3· H2O),560℃以后熱解過(guò)程結(jié)束,生成Al2O3和H2O, Fe(OH)3在溫度達(dá)到600℃前完全脫水生成Fe2O3。因此,當(dāng)MRM被噴入爆炸火焰溫度高達(dá)2 000℃的高溫環(huán)境時(shí),金屬氫氧化物迅速分解,粉體內(nèi)結(jié)晶水瞬間升華為氣態(tài)水,化學(xué)方程式如下:

整個(gè)過(guò)程中改性赤泥粉體從爆炸火焰中吸收大量的熱,有效地減少熱量的集聚,降低環(huán)境溫度。赤泥受熱脫水后剩余物質(zhì)的主要成分為SiO2和金屬氧化物。SiO2和金屬氧化物的性質(zhì)穩(wěn)定,在瓦斯爆炸環(huán)境中不會(huì)參與其他反應(yīng),以惰性物質(zhì)的形式存在。

另外,由掃描電鏡圖片(圖4)和氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)可看出,改性赤泥粉體顆粒表面布滿(mǎn)狹小縫隙和突起,且內(nèi)部具有多微孔結(jié)構(gòu)。這種多孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸反應(yīng)鏈傳遞有較好的抑制作用,其作用機(jī)理是在狹小空間內(nèi)活性自由基受“冷壁效應(yīng)”的作用而消亡[18],降低系統(tǒng)自由基濃度,迫使爆炸反應(yīng)鏈中斷,有效降低熱化學(xué)反應(yīng)速率,達(dá)到抑制爆炸的作用。其次,改性后的赤泥粉體具有超大的比表面積,說(shuō)明改性赤泥具有較強(qiáng)的表面能和吸附能力。瓦斯爆炸時(shí)產(chǎn)生大量活性自由基,爆炸系統(tǒng)內(nèi)噴入赤泥粉體后,具有高表面活性的赤泥粉體迅速吸附附近的活性自由基,使其由游離態(tài)變成吸附態(tài)。吸附態(tài)的活性自由基在粉體表面繼續(xù)參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng),其反應(yīng)方程式為

吸附態(tài)自由基與游離態(tài)活性基團(tuán)反應(yīng),放出的熱量被惰性壁吸收,減少爆炸環(huán)境熱量集聚,反應(yīng)新生成的自由基受抑爆粉體表面吸附力的作用被捕獲成吸附態(tài)繼續(xù)參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通過(guò)這種方式,系統(tǒng)中游離態(tài)自由基和活性基團(tuán)不斷被轉(zhuǎn)化成吸附態(tài)或生成穩(wěn)態(tài)物質(zhì)(CO2,H2O等),爆炸空間游離自由基和活性分子的濃度降低,使得反應(yīng)物相遇碰撞的概率減小,熱化學(xué)反應(yīng)速率降低,有效限制了爆炸的傳播和發(fā)展。

綜上所述,改性赤泥的化學(xué)組分使其具有較高的熱分解吸熱量,能夠有效降低爆炸系統(tǒng)的溫度;改性赤泥的多孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有較高的比表面積,能夠有效吸附爆炸中產(chǎn)生的活性自由基。從而使瓦斯爆炸最大壓力和爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓档?。改性赤泥粉體材料對(duì)瓦斯爆炸具有一定程度抑制作用,具有重要的研究意義和良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)拜耳法赤泥進(jìn)行改性處理后獲得超細(xì)粉體材料。通過(guò)紅外、熱分析、掃描電鏡和氮?dú)馕摳降燃夹g(shù)手段對(duì)改性赤泥進(jìn)行表征分析,結(jié)果表明:該材料的主要成分為SiO2及Fe,Al等金屬的氫氧化物,并且具有較高的比表面積(255 m2/g)和多孔隙結(jié)構(gòu)。

(2)改性赤泥粉體在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抑爆效果。其中,在MRM質(zhì)量濃度為0.15 g/L時(shí),對(duì)比無(wú)粉體作用下的爆炸最大壓力值下降幅度最大,達(dá)到3 464 Pa,降幅為30%左右。在MRM質(zhì)量濃度為0.20 g/L時(shí),壓力峰值出現(xiàn)時(shí)間延遲最長(zhǎng),達(dá)到4.7 ms,延遲率達(dá)35.10%。與未處理赤泥相比,改性赤泥具有更為優(yōu)越的抑爆性能,具有良好的應(yīng)用前景。

(3)結(jié)合改性赤泥熱解特性和結(jié)構(gòu)特征,對(duì)改性赤泥的抑爆機(jī)理進(jìn)行了探討分析。改性赤泥的化學(xué)組分使其具有較高的熱分解吸熱量,能夠有效降低爆炸系統(tǒng)的溫度;改性赤泥的多孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有較高的比表面積,能夠有效吸附爆炸中產(chǎn)生的活性自由基。

(4)利用制鋁產(chǎn)業(yè)的廢料-赤泥為原料,通過(guò)改性處理應(yīng)用到抑制礦井瓦斯爆炸中,開(kāi)發(fā)抑制瓦斯爆炸的新材料,同時(shí)提出赤泥應(yīng)用的新思路。在今后的深入研究中,可以通過(guò)改進(jìn)赤泥的處理工藝,研究開(kāi)發(fā)赤泥基復(fù)合抑爆材料等方式,優(yōu)化并提高赤泥的抑爆效應(yīng)。

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Experimental research on gas explosion suppression by modified red mud

YU Ming-gao1,2,KONG Jie1,2,WANG Yan1,2,ZHENG Kai1,2,ZHENG Li-gang1,2

(1.School ofSafety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.State Key Laboratory Cultivation Bases Gas Geology and Gas Control(Henan Polytechnic University),Jiaozuo 454003,China)

In order to develop cheep and high-efficiency explosion suppression agent,the superfine red mud powders, with a high specific surface area(255 m2/g),were obtained after dealkalization andmodification from redmud in Bayer process.The gas explosion-suppression properties of the modified red mud powders were researched by self-designed experimental system.The results indicate that themodified red mud powders presents excellent gas explosionsuppression properties.Themaximum explosion pressure is decreased about30%,and the time of pressure peaks appeared is delayed about 35.1%,when the methane volume concentration 9.5%and the powders concentration is 0.15 g/L.Combined with the results of TG,DSC and N2adsorption-desorption ofmodified red mud,the explosionsuppression mechanism of themodified red mud powders were discussed.It indicates that superfine red mud powder has high properties of heat absorption and great specific surface area,which could effectively adsorb active free radial occuring from gas explosion and achieve the aim of explosion suppression.

red mud;modification;explosion suppression;free radical

煤礦科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(duì)(12)

TD712.7

A

0253-9993(2014)07-1289-07

余明高,孔 杰,王 燕,等.改性赤泥粉體抑制瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1289-1295.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0847

Yu Minggao,Kong Jie,Wang Yan,et al.Experimental research on gas explosion suppression by modified red mud[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1289-1295.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0847

2013-07-01 責(zé)任編輯:畢永華

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974055);河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(WS2013B03)

余明高(1963—),男,四川瀘州人,教授,博士生導(dǎo)師,博士。E-mail:mgyu@hpu.edu.cn