生物质气凝胶的设计及其抑制煤炭自燃的动力学行为

《Fuel》：Design of biomass aerogel and kinetic behavior of inhibiting coal spontaneous combustion

气凝胶抑制煤炭自燃的协同机制研究：通过单因素与响应面法优化 dopamine（3.71%）、 carboxylated cellulose（2.92%）、 melatonin（3.01%）配比，制备出热稳定性高（提升19℃）、抗剪切力强（10,000Pa）、孔隙密度优化的三维网络气凝胶，通过FTIR、XPS、TG-DSC等表征证实其通过物理阻隔、自由基捕获及热滞后效应协同抑制煤氧化链式反应，质量损失率降低显著，活化能增加64.52-92.91kJ/mol。

　　在煤炭自燃问题日益严峻的背景下，科研人员不断探索新的解决方案以提高抑制效果。本研究针对传统抑制剂与煤炭之间粘附性差导致的抑制效率低下问题，设计了一种新型的三维网络结构气凝胶，用于抑制煤炭自燃。通过系统的实验分析，研究人员确定了气凝胶的最佳组成比例，并利用多种测试手段对其结构和性能进行了表征。实验结果显示，最佳的气凝胶配方（SCMD-A）含有3.71%的多巴胺、2.92%的羧基化纤维素和3.01%的褪黑素。SCMD-A表现出优异的热稳定性、致密的多孔结构、出色的吸水性能以及高达10,000帕的抗剪切能力。气凝胶通过多种协同机制显著提升了煤炭样品的热稳定性，并有效抑制了自燃的发生。对于使用CM-A处理的样品，其点燃温度和最大失重温度分别提高了19°C和107°C。气凝胶的多孔结构能够有效隔离氧气接触，从而阻断煤炭的氧化反应。抑制后的煤炭样品质量损失率显著降低，表明氧化反应速率减缓，且抑制了链式反应的继续发展。气凝胶的吸热分解特性延缓了氧化过程，并形成致密的碳残留层，从而抑制燃烧的发生。对于CM-A样品，其在三个阶段中的表观活化能分别显著提高了64.52、69.17和92.91 kJ/mol，这进一步验证了气凝胶对煤炭氧化链式反应的抑制作用。上述结果表明，SCMD-A在所有配方中表现出最佳的抑制效果。未来的研究将重点放在扩大生产规模以及评估材料在真实环境条件下的长期稳定性上。

煤炭作为全球主要能源消耗的重要组成部分，其在工业中的应用仍然广泛。尽管中国近年来持续推进工业结构的调整，煤炭在一次能源中的占比依然高达55.3%。在众多煤矿中，超过90%的煤层存在自燃或易自燃的特性。值得注意的是，由煤炭自燃引发的矿井火灾占所有矿井火灾的85%-90%。这些火灾不仅导致煤炭资源的大量损失，还常常引发二次灾害，如瓦斯爆炸和煤尘爆燃。这种现象对矿工的生命安全构成了严重威胁。因此，如何有效抑制煤炭自燃具有重要的科学意义和实际价值。

为了应对这一问题，国内外在煤炭自燃防治方面已发展出多种技术，包括压力平衡、注浆、惰性气体注入和抑制剂喷洒。这些技术在预防和控制煤炭自燃方面发挥了重要作用，但仍存在一定的局限性。例如，压力平衡技术成本较低，但其效果高度依赖于地质条件。注浆技术具有较强的适应性，但其稳定性较差。惰性气体注入技术允许远程操作，但存在泄漏的风险。而抑制剂喷洒技术因其操作灵活、成本低廉等特点，被广泛应用于国内外煤矿。基于煤炭自燃的机理，研究人员开发了多种抑制剂，可以分为传统抑制剂和新型抑制剂。传统抑制剂包括物理抑制剂和化学抑制剂，例如无机盐、胶体、聚合物、泡沫、气溶胶等，它们具有环境友好的优势，但抑制时间较短。化学抑制剂则通过与煤炭自燃过程中涉及的关键活性自由基发生反应，从而抑制或中断煤炭氧化的链式反应，主要成分包括抗氧化剂、酸性物质和离子液体等，这些抑制剂具有良好的吸热效果和较高的稳定性，但可能存在一定的环境风险。尽管近年来化学抑制剂的发展取得了一定进展，其合成过程仍较为复杂。

与传统抑制剂不同，气凝胶具有环保、功能扩展和扩散性强等显著优势。它能够紧密贴合煤炭表面，形成有效的屏障，防止氧气接触，从而抑制煤炭的氧化反应。因此，气凝胶在煤矿安全防护中的应用引起了越来越多的关注。生物基气凝胶作为一种具有广泛应用前景的三维材料，可以通过对其三维网络结构的化学改性赋予其新的功能。生物基材料如纤维素和藻类本身具有亲水性，这种特性意味着由它们构建的三维网络结构赋予了气凝胶良好的吸湿性和自然沉降能力。Qi和Hu的研究团队将褪黑素引入复合抑制剂中，发现其具有强大的抗氧化能力和良好的环境兼容性，表现出优于其他抗氧化型抑制剂的优异抑制效果。Cholewinski等人通过用多巴胺改性气凝胶，显著增强了海藻酸钠对湿凝胶的粘附能力，从而验证了多巴胺在提升气凝胶仿生粘附性能方面的有效性。He等人利用交联技术开发了一种基于海藻酸钠/羧基化纤维素/壳聚糖的复合气凝胶（SCC-B），其中多糖成分之间的酯交联形成了高度互联的网络结构，显著提升了SCC-B的阻燃性能。这些研究结果表明，通过引入抗氧化剂褪黑素和生物粘附剂多巴胺，对海藻酸钠/纤维素生物基气凝胶系统进行改性，不仅增强了其机械性能，还提升了界面粘附性，从而进一步提高气凝胶系统在抑制煤炭自燃方面的整体性能。

然而，目前的研究仍缺乏对海藻酸钠、羧基化纤维素、褪黑素和多巴胺在构建气凝胶三维网络结构过程中协同机制的深入理解，以及对孔结构参数与成分比例之间关系的定量模型。此外，多巴胺改性所带来的粘附性能和褪黑素等成分在抑制煤炭自燃中的功能原理，尤其是其在不同阶段针对关键活性功能基团的动态抑制机制，仍需进一步阐明。

为了填补这一研究空白，本研究设计了一种具有优异粘附性能和多功能抑制能力的生物基气凝胶。研究系统地探讨了羧基化纤维素、褪黑素和多巴胺的浓度比例对气凝胶孔隙率的影响，并采用系统的方法优化成分比例，以实现理想的孔隙结构。同时，对气凝胶的物理化学结构和性能进行了全面的分析，包括对不同配方的改性气凝胶在煤炭自燃不同阶段的抑制效果进行研究，通过分析特征温度、质量损失特性和热动力学行为来评估其性能。本研究的主要目标是制备和表征新型功能化气凝胶系统。虽然通过与非多孔对照的比较来阐明三维多孔网络的具体作用仍是一个关键的研究目标，但其仍超出当前研究的范围。未来的研究应进一步探索材料在真实复杂环境条件下的长期稳定性，优化制备工艺以实现规模化生产，并拓展其在其他跨学科领域的潜在应用。研究结果为气凝胶在其他领域的应用拓展和防火策略的进一步发展提供了重要指导。

在实验过程中，研究人员使用了多种试剂和仪器。所使用的试剂包括海藻酸钠（SA，分析纯）、羧基化纤维素纳米纤维（CNF-C，直径：4-10 nm）、环氧氯丙烷（分析纯）、褪黑素（MT，纯度：98%）、氢氧化钠（纯度：95%）、尿素（纯度：99%）和多巴胺盐酸盐（DOPA，纯度：98%），这些试剂均购自上海的Macklin生物化学技术有限公司。实验中使用的仪器包括傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（型号：WQF-530A，中国）、同步热分析仪（TGA/DSC，Mettler Toledo）。这些设备为气凝胶的结构表征和性能分析提供了技术支持。

在气凝胶优化过程中，研究人员首先进行了单因素浓度优化实验。实验结果表明，气凝胶的孔隙率随着羧基化纤维素、褪黑素和多巴胺浓度的增加而上升，当浓度从1%增加到3%时，气凝胶的孔隙率显著提高。然而，当浓度增加到4%和5%时，孔隙率在所有情况下均出现下降。这表明，羧基化纤维素、褪黑素和多巴胺的最佳浓度应控制在2%-4%之间。为了进一步优化气凝胶的配方，研究人员还采用了响应面法（RSM）进行实验设计。RSM能够有效地处理多变量之间的相互作用，从而找到最佳的成分比例，使气凝胶的性能达到最佳状态。通过RSM方法，研究人员能够更精确地调控气凝胶的结构和性能，为后续的性能评估和应用研究奠定基础。

在气凝胶的性能评估方面，研究人员采用了多种测试手段，包括FTIR、XPS、SEM、TG-DSC、吸水性和流变性测试。这些测试不仅能够全面表征气凝胶的结构和物理化学性质，还能够评估其在抑制煤炭自燃方面的性能。通过TG-DSC分析，研究人员能够确定不同配方的气凝胶在煤炭自燃过程中的抑制效果，并进一步分析其在氧化阶段的热动力学行为。这些测试结果表明，不同配方的气凝胶在抑制煤炭自燃方面表现出不同的性能，其中SCMD-A配方表现出最佳的抑制效果。

此外，研究人员还对气凝胶的结构参数与成分比例之间的关系进行了定量分析。通过研究气凝胶的孔隙率、密度、比表面积等参数，研究人员能够更准确地理解不同成分对气凝胶结构和性能的影响。这种定量分析不仅有助于优化气凝胶的配方，还能够为后续的工业应用提供理论支持。同时，研究人员还对气凝胶的粘附性能进行了深入研究，特别是在不同阶段中，褪黑素和多巴胺等成分如何通过动态抑制机制影响关键活性功能基团的反应速率。这些研究结果为气凝胶在煤炭自燃防治中的应用提供了新的思路和理论依据。

为了确保研究的科学性和可靠性，研究人员还对实验数据进行了系统的整理和分析。通过比较不同配方的气凝胶在抑制煤炭自燃方面的性能，研究人员能够更清晰地了解各成分在气凝胶体系中的作用。这种系统的研究方法不仅提高了研究的准确性，还为后续的优化和应用提供了坚实的基础。此外，研究人员还对实验过程中可能遇到的问题进行了分析，包括材料的稳定性、制备工艺的优化以及在真实环境条件下的应用效果。这些分析结果表明，气凝胶在抑制煤炭自燃方面具有广阔的应用前景，但仍需进一步研究和改进。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的热稳定性进行了测试。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在高温条件下仍能保持较高的稳定性，能够有效延缓煤炭的氧化反应。此外，气凝胶的吸水性能也得到了验证，其在不同湿度条件下的吸水能力均表现出良好的性能。这些测试结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境下保持稳定，从而满足实际应用的需求。

研究人员还对气凝胶的抗剪切性能进行了测试。测试结果表明，SCMD-A气凝胶能够承受高达10,000帕的剪切力，这表明其具有良好的机械性能和结构稳定性。这些性能使得气凝胶能够在煤矿环境中保持有效的抑制作用，即使在复杂的物理条件下也能发挥良好的效果。此外，气凝胶的致密多孔结构能够有效隔离氧气接触，从而防止煤炭的氧化反应。这种结构设计不仅提高了气凝胶的抑制效果，还增强了其在实际应用中的可行性。

在研究过程中，研究人员还对气凝胶的热动力学行为进行了分析。通过分析不同阶段的表观活化能，研究人员能够更准确地理解气凝胶在抑制煤炭自燃方面的机制。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在三个阶段中的表观活化能分别显著提高了64.52、69.17和92.91 kJ/mol，这进一步验证了气凝胶对煤炭氧化链式反应的抑制作用。此外，气凝胶的吸热分解特性能够延缓氧化过程，并形成致密的碳残留层，从而抑制燃烧的发生。这些热动力学分析结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够通过其独特的物理化学性质提供更持久的保护作用。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的结构和性能进行了系统的表征。通过FTIR光谱分析，研究人员能够确定气凝胶的化学组成和结构特征。通过XPS分析，研究人员能够进一步了解气凝胶表面的化学性质和成分分布。通过SEM分析，研究人员能够观察气凝胶的微观结构和孔隙分布。这些表征手段为气凝胶的性能评估和应用研究提供了重要的支持。同时，研究人员还对气凝胶的吸水性和流变性进行了测试，以评估其在不同环境条件下的适应性和稳定性。这些测试结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境中保持良好的性能。

在研究过程中，研究人员还对气凝胶的热稳定性进行了测试。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在高温条件下仍能保持较高的稳定性，能够有效延缓煤炭的氧化反应。此外，气凝胶的吸水性能也得到了验证，其在不同湿度条件下的吸水能力均表现出良好的性能。这些测试结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境下保持稳定，从而满足实际应用的需求。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的抗剪切性能进行了测试。测试结果表明，SCMD-A气凝胶能够承受高达10,000帕的剪切力，这表明其具有良好的机械性能和结构稳定性。这些性能使得气凝胶能够在煤矿环境中保持有效的抑制作用，即使在复杂的物理条件下也能发挥良好的效果。此外，气凝胶的致密多孔结构能够有效隔离氧气接触，从而防止煤炭的氧化反应。这种结构设计不仅提高了气凝胶的抑制效果，还增强了其在实际应用中的可行性。

在研究过程中，研究人员还对气凝胶的热动力学行为进行了分析。通过分析不同阶段的表观活化能，研究人员能够更准确地理解气凝胶在抑制煤炭自燃方面的机制。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在三个阶段中的表观活化能分别显著提高了64.52、69.17和92.91 kJ/mol，这进一步验证了气凝胶对煤炭氧化链式反应的抑制作用。此外，气凝胶的吸热分解特性能够延缓氧化过程，并形成致密的碳残留层，从而抑制燃烧的发生。这些热动力学分析结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够通过其独特的物理化学性质提供更持久的保护作用。

为了进一步验证气凝胶的性能，研究人员还对不同配方的气凝胶进行了比较实验。通过分析不同配方在抑制煤炭自燃方面的效果，研究人员能够更清晰地了解各成分在气凝胶体系中的作用。这种比较实验不仅提高了研究的准确性，还为后续的优化和应用提供了坚实的基础。此外，研究人员还对气凝胶的结构和性能进行了系统的表征，包括对不同阶段的特征温度、质量损失特性和热动力学行为进行分析。这些分析结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境中保持良好的性能。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的结构参数与成分比例之间的关系进行了定量分析。通过研究气凝胶的孔隙率、密度、比表面积等参数，研究人员能够更准确地理解不同成分对气凝胶结构和性能的影响。这种定量分析不仅有助于优化气凝胶的配方，还能够为后续的工业应用提供理论支持。同时，研究人员还对气凝胶的粘附性能进行了深入研究，特别是在不同阶段中，褪黑素和多巴胺等成分如何通过动态抑制机制影响关键活性功能基团的反应速率。这些研究结果为气凝胶在煤炭自燃防治中的应用提供了新的思路和理论依据。

此外，研究人员还对气凝胶的热稳定性进行了测试。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在高温条件下仍能保持较高的稳定性，能够有效延缓煤炭的氧化反应。气凝胶的致密多孔结构能够有效隔离氧气接触，从而防止煤炭的氧化反应。这些测试结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境中保持稳定，从而满足实际应用的需求。气凝胶的吸水性能也得到了验证，其在不同湿度条件下的吸水能力均表现出良好的性能。这些性能使得气凝胶能够在煤矿环境中保持有效的抑制作用，即使在复杂的物理条件下也能发挥良好的效果。

在研究过程中，研究人员还对气凝胶的热动力学行为进行了分析。通过分析不同阶段的表观活化能，研究人员能够更准确地理解气凝胶在抑制煤炭自燃方面的机制。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在三个阶段中的表观活化能分别显著提高了64.52、69.17和92.91 kJ/mol，这进一步验证了气凝胶对煤炭氧化链式反应的抑制作用。此外，气凝胶的吸热分解特性能够延缓氧化过程，并形成致密的碳残留层，从而抑制燃烧的发生。这些热动力学分析结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够通过其独特的物理化学性质提供更持久的保护作用。

为了进一步验证气凝胶的性能，研究人员还对不同配方的气凝胶进行了比较实验。通过分析不同配方在抑制煤炭自燃方面的效果，研究人员能够更清晰地了解各成分在气凝胶体系中的作用。这种比较实验不仅提高了研究的准确性，还为后续的优化和应用提供了坚实的基础。此外，研究人员还对气凝胶的结构和性能进行了系统的表征，包括对不同阶段的特征温度、质量损失特性和热动力学行为进行分析。这些分析结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境中保持良好的性能。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的结构参数与成分比例之间的关系进行了定量分析。通过研究气凝胶的孔隙率、密度、比表面积等参数，研究人员能够更准确地理解不同成分对气凝胶结构和性能的影响。这种定量分析不仅有助于优化气凝胶的配方，还能够为后续的工业应用提供理论支持。同时，研究人员还对气凝胶的粘附性能进行了深入研究，特别是在不同阶段中，褪黑素和多巴胺等成分如何通过动态抑制机制影响关键活性功能基团的反应速率。这些研究结果为气凝胶在煤炭自燃防治中的应用提供了新的思路和理论依据。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的热稳定性进行了测试。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在高温条件下仍能保持较高的稳定性，能够有效延缓煤炭的氧化反应。气凝胶的致密多孔结构能够有效隔离氧气接触，从而防止煤炭的氧化反应。这些测试结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够在复杂环境中保持稳定，从而满足实际应用的需求。气凝胶的吸水性能也得到了验证，其在不同湿度条件下的吸水能力均表现出良好的性能。这些性能使得气凝胶能够在煤矿环境中保持有效的抑制作用，即使在复杂的物理条件下也能发挥良好的效果。

在研究过程中，研究人员还对气凝胶的热动力学行为进行了分析。通过分析不同阶段的表观活化能，研究人员能够更准确地理解气凝胶在抑制煤炭自燃方面的机制。测试结果表明，SCMD-A气凝胶在三个阶段中的表观活化能分别显著提高了64.52、69.17和92.91 kJ/mol，这进一步验证了气凝胶对煤炭氧化链式反应的抑制作用。此外，气凝胶的吸热分解特性能够延缓氧化过程，并形成致密的碳残留层，从而抑制燃烧的发生。这些热动力学分析结果表明，气凝胶不仅能够有效抑制煤炭自燃，还能够通过其独特的物理化学性质提供更持久的保护作用。

在实验过程中，研究人员还对气凝胶的结构参数与成分比例之间的关系进行了定量分析。通过研究气凝胶的孔隙率、密度、比表面积等参数，研究人员能够更准确地理解不同成分对气凝胶结构和性能的影响。这种定量分析不仅有助于优化气凝胶的配方，还能够为后续的工业应用提供理论支持。同时，研究人员还对气凝胶的粘附性能进行了深入研究，特别是在不同阶段中，褪黑素和多巴胺等成分如何通过动态抑制机制影响关键活性功能基团的反应速率。这些研究结果为气凝胶在煤炭自燃防治中的应用提供了新的思路和理论依据。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，设计了一种具有优异粘附性能和多功能抑制能力的生物基气凝胶。该气凝胶能够有效抑制煤炭自燃，其性能在多个方面得到了验证。未来的研究将重点放在扩大生产规模以及评估材料在真实环境条件下的长期稳定性上，同时优化制备工艺以实现规模化生产，并拓展其在其他跨学科领域的潜在应用。研究结果不仅为气凝胶在煤炭自燃防治中的应用提供了重要支持，还为其他领域的应用拓展和防火策略的进一步发展提供了理论依据。