用于抑制煤炭自燃的高性能复合泡沫的制备与表征

《Separation and Purification Technology》：Preparation and characterization of high-performance composite foam for inhibition of coal spontaneous combustion

　　

摘要

煤层中的煤炭自燃是煤矿安全生产面临的主要威胁。为解决现有泡沫类防火材料存在制备工艺复杂、成本高昂等问题，本研究通过发泡性能实验筛选并复配多种表面活性剂，最终制得一种兼具良好发泡性能与稳定性的复合泡沫。通过接触角实验、同步热分析及FTIR技术，系统研究了该复合泡沫的润湿行为，分析了煤炭氧化反应的热力学与动力学参数变化规律，同时探讨了该泡沫对煤炭表面活性基团的影响。研究结果表明，当表面活性剂SDS与AEO以5:5的比例复配，溶液浓度为0.7%时，可获得最佳的发泡性能。该复合泡沫在煤炭表面形成的接触角为25.9°，远低于水及单一SDS溶液的接触角，展现出优异的短期动态润湿性能。同步热分析显示，用该复合泡沫处理后，煤炭的特征温度点向更高温度方向移动，总放热量从2432.97 J/g降至1835.84 J/g；燃烧失重阶段的放热峰强度降低，表观活化能则从136.9 kJ/mol上升至157.5 kJ/mol。经复合泡沫处理后，煤炭中羟基、脂肪烃以及CO等活性功能团的含量有所下降，而CC和-CO-O-等稳定结构元素的含量则增加，进一步证明了该复合泡沫能够有效钝化活性位点，促使煤炭向稳定结构转化，从而降低其氧化程度。

引言

煤炭在全球能源结构中仍占据重要地位，其丰富的资源禀赋以及成熟的产业链为能源供应提供了坚实保障[1]、[2]、[3]、[4]。近年来，随着开采深度的增加，剩余煤炭的温度不断上升，煤炭自燃的风险也随之增大[5]、[6]。煤炭自燃不仅会造成大量煤炭资源浪费，还会引发火灾、爆炸等安全事故，对煤矿安全生产及生态环境构成严重威胁[7]、[8]。因此，研究煤炭自燃的防治技术对于确保煤炭安全开采、减少能源损失具有重要的现实意义[9]、[10]。

目前，煤炭自燃的防治技术主要包括注浆法、凝胶注入法、抑制剂注入法以及泡沫注入法[11]、[12]、[13]。众多学者对防火灭火材料进行了大量研究。钟等人[14]研制了一种由钙、原花青素和凹凸棒石组成的复合抑制剂，该材料能够有效提高煤炭样品的临界温度，并具备较强的自由基捕获能力。于等人[15]研究了惰性气体混合物的浓度及混合比例对煤炭自燃的影响。王等人[16]探讨了缺氧燃烧条件下惰性气体环境对煤炭微观结构及自燃特性的影响机制。史等人[17]、[18]研究了CO₂浓度对煤炭矿化效率的影响，这类矿化产物可通过填充孔隙及形成惰性矿物屏障来有效抑制煤炭自燃。吴等人[19]开发了一种以CaCl₂、APP和CaHP为成分的温敏型复合抑制剂。迟等人[20]以甲基羟乙基纤维素和胶体二氧化硅为双重基质，结合APTES和植酸，构建出具有持久阻燃性能的协同Si-O-Si/P-N网络结构防火凝胶。由于具有良好的流动性、较广的扩散范围以及能够有效覆盖剩余煤炭等优点，基于泡沫的防火灭火技术已被广泛应用于煤炭自燃防治领域[21]、[22]。卢等人[23]分别将三种表面活性剂与间甲酚复配，通过接触角测定、热重分析及低温氧化实验，研究了这类复合抑制泡沫的润湿与抑制性能。孟等人[24]全面分析了水/表面活性剂/煤炭系统的能量行为与动态特性，揭示了不同表面活性剂浓度对煤炭润湿性的影响。薛等人[25]、[26]以粒化高炉矿渣和粉煤灰为原料，结合高稳定性水基泡沫，制备出了以固体废物为基体的碳活化Janus固化泡沫，该泡沫能够有效降低煤炭温度及一氧化碳浓度。

通过对现有研究的系统梳理可以发现，目前的泡沫类防火灭火材料大致可分为两相泡沫、三相泡沫、抑制泡沫和凝胶泡沫等多种类型[27]、[28]。两相泡沫虽然具有较好的扩散性能，但稳定性较差；三相泡沫和凝胶泡沫通过添加固体颗粒或凝胶成分提升了稳定性，但往往需要多种成分复配且需现场混合，制备工艺较为复杂[29]。尽管抑制泡沫同时具备隔热与化学抑制两种功能，但其组分体系更为复杂，且对现场混合条件要求严格。因此，研发一种制备工艺简单、高效的防火灭火材料对于煤炭自燃灾害的防治具有重要意义。作为新型防火材料，复合泡沫仅需通过不同类型表面活性剂的协同复配即可实现良好的发泡体积与稳定性，无需添加其他固体颗粒或凝胶成分，且制备工艺简单、成本可控[30]、[31]。不过，目前关于单独使用复合泡沫抑制煤炭自燃的研究相对较少，该类泡沫是否会影响煤炭自燃的氧化过程尚不清楚，其作用机制也有待进一步研究。因此，有必要筛选出性能更优的复合泡沫，并深入探究其对煤炭自燃氧化过程的影响。

本研究通过筛选并复配不同类型的表面活性剂，制得了一种具有优异发泡性能与稳定性的复合泡沫。通过接触角实验、同步热分析及FTIR分析，系统研究了该复合泡沫的润湿行为，分析了煤炭氧化反应的热力学与动力学参数变化规律，同时探讨了该泡沫对煤炭表面活性基团的影响，从而揭示了其抑制煤炭自燃的作用机制。研究结果为煤炭自燃灾害的防治提供了一种工艺简单、成本低廉且环保的新型技术途径。

章节节选

泡沫的制备与实验材料

用于发泡实验的传统方法主要包括Waring-Blender法、Ross-Miles法、改良Ross-Miles法以及压缩空气法[32]。考虑到实验设备等因素，本研究中的表面活性剂筛选复配工作采用Waring-Blender法进行，该方法所需设备简单、操作便捷，且实验结果较为准确。实验过程中，搅拌速度

单一表面活性剂的筛选

所选取的七种表面活性剂分别被配制成浓度在0.1%至1.5%之间的发泡溶液，然后通过Waring-Blender法进行搅拌。不同表面活性剂的发泡体积随浓度变化的情况如图5所示。相同表面活性剂的发泡体积与其发泡溶液的浓度呈正比，一旦发泡体积达到某一数值后便不再增加，会保持基本稳定状态。

结论

(1)通过对七种表面活性剂的发泡性能筛选，最终选出了SDS、AEO和LAB三种具有良好发泡性能与稳定性的表面活性剂。进一步的成对复配实验表明，当SDS与AEO以5:5的比例复配，总浓度为0.7%时，所得复合泡沫在发泡体积方面表现出显著的协同效应，且在煤炭表面形成的接触角为25.9°。该复合泡沫能够有效降低

作者贡献声明

刘瑞东：原始稿撰写、论文修订与编辑、软件应用、数据可视化、结果验证、数据整理、统计分析。雷长奎：论文修订与编辑、研究构思、实验方法设计、项目监督、经费申请、统计分析。邓军：论文修订与编辑、数据可视化、结果验证、实验研究。赵静宇：论文修订与编辑、经费申请、实验方法设计、实验研究。崔传波：论文修订与编辑、软件应用，

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52204229）以及山西省基础研究计划（项目编号202503021211018）的支持。

Ruidong Liu|Changkui Lei|Jun Deng|Jingyu Zhao|Chuanbo Cui

中国山西太原市太原理工大学安全应急管理工程学院，邮编030024