干水材料特點(diǎn)及其應(yīng)用前景

汪鳳祺,汪 泉,李成孝,朱福元,沈占軍

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗室,安徽 淮南 232001；3.淮南舜泰化工有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001)

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,各類建筑物的數(shù)量與建筑高度激增,人口密度上升,人們的生命財產(chǎn)安全由于各種火災(zāi)的高頻發(fā)生受到了極大的威脅。20世紀(jì)中葉,滅火中廣泛使用的是哈龍滅火劑[1],但由于哈龍滅火劑組分中鹵代烴的分解產(chǎn)物O3會破壞臭氧層結(jié)構(gòu),許多國家規(guī)定禁止使用哈龍滅火劑,轉(zhuǎn)而尋找哈龍滅火劑的替代物[2-3]。目前,哈龍?zhí)娲锇?惰性氣體滅火劑、鹵代烴滅火劑與氣溶膠滅火劑。這些哈龍?zhí)娲锞哂袦缁鹦矢?、環(huán)境友好和對設(shè)備無影響的優(yōu)點(diǎn)[4-6]。三類滅火劑中,惰性氣體滅火劑和鹵代烴滅火劑因其自身屬性在使用場合方面有一定限制；氣溶膠滅火劑易對環(huán)境造成污染,且工藝復(fù)雜,成本較高。目前,干粉滅火劑較為常用,但干粉滅火劑降溫效果差,易于復(fù)燃,且噴射后在空氣中留下的粉末易使人或動物窒息。故國內(nèi)外學(xué)者正探索發(fā)掘滅火效果更好、對環(huán)境無污染的新型滅火劑。

干水(dry water)本質(zhì)是外層被疏水性粉末涂層包裹的微小液滴,呈白色粉末狀,觸感和外觀上表現(xiàn)出干燥狀態(tài)的物質(zhì)。干水滅火劑作為一種新型滅火材料,優(yōu)點(diǎn)是具有良好的抗復(fù)燃性、分散性、電絕緣性,生產(chǎn)工藝簡單,原料成本較低,主要是通過物理、化學(xué)2種滅火機(jī)理綜合作用使火焰熄滅。因此,近年來干水滅火劑引起了消防行業(yè)的特別關(guān)注?；谝恍└邔咏ㄖ馂?zāi)、原始林區(qū)火災(zāi)等特殊的火災(zāi)環(huán)境,受到地勢和環(huán)境等因素影響,消防人員及滅火設(shè)備不易及時到達(dá)火場,使得火勢無法得到及時、有效的控制而造成巨大損失,借助爆炸產(chǎn)生的激波驅(qū)動滅火介質(zhì)滅火的想法由此產(chǎn)生。1996年,Grishin[7]在沖擊波撲滅森林火災(zāi)領(lǐng)域取得了理論和實(shí)踐的突破。20世紀(jì)90年代末,國防科技大學(xué)常熹玨等[8-9]采用數(shù)值模擬方法研究了激波撲滅林冠火。蔣耀港等[10-13]較為細(xì)致地研究了激波滅火機(jī)理,并研究了其在爆炸滅火彈中的應(yīng)用。李成孝[14]研究了典型干水材料制備及其高壓驅(qū)動和爆炸滅火性能,分析了滅火機(jī)理。

1 干水材料的特點(diǎn)

1.1 干水材料簡介

干水是一種穩(wěn)定的白色粉末狀物質(zhì),具有90%以上的含水量,但在觸感和外觀上呈現(xiàn)出干燥狀態(tài),因而被稱作干水。外層疏水性粉末是一種可在普通的沙子中提取,可以阻隔包裹其中的水與外界物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的白色粉末,且其形成的包覆膜有一定的抗高溫、抗高壓能力。

干水是一種無毒、防水、吸附性能好、隔熱性能好的超細(xì)顆粒環(huán)保材料。干水主要成分是水,滅火過程中水氣化吸熱,降低燃燒物的溫度。包裹在外層的疏水性粉末,附著在可燃物表面,阻擋反應(yīng)物與助燃劑接觸,隔絕燃燒物與助燃劑,使其窒息熄滅。干水流動性和分散性好,本身無毒無害,無環(huán)境污染。作為新型滅火劑,干水制備簡單,成本低廉,原材料豐富,發(fā)展?jié)摿薮?可作為哈龍滅火劑的最佳替代品之一。

1.2 物理性能

1)密度:密度是反映物質(zhì)特性的物理量,因干水滅火劑為白色細(xì)小粉末,故其具有松密度和振實(shí)密度。

2)流動性:流動性是影響干水滅火劑使用過程的重要因素,流動性的好壞對滅火效率的高低有著重要影響。

3)粒徑大小:干水滅火劑的粒徑對滅火過程和滅火效果有著巨大的影響。粒徑較大時顆粒聚在一起,會影響噴出效果；粒徑較小時,受空氣阻力的影響大,不能達(dá)到應(yīng)有的滅火效果。

4)保濕性:干水滅火劑外部是疏水性SiO2粉末,內(nèi)部含水量超過90%。使用干水滅火劑時,起到主要滅火作用的是其內(nèi)部所含的水分,因此,需要有較好的保濕性。

5)斥水性:干水滅火劑顆粒表面對水的排斥能力。

6)耐壓性:干水滅火劑含有大量的水,在一定壓力下會發(fā)生破裂,致使滅火能力變差。噴射滅火時需要一定壓力,若耐壓性過小,在噴射過程中易發(fā)生破裂,使滅火能力下降。故干水滅火劑應(yīng)具有良好的耐壓性。

2 典型干水材料的制備

干水滅火劑制備的基本原理是通過高速攪拌使一定比例的SiO2和液體形成干水滅火劑粉末,如圖1所示。

圖1 干水滅火劑制備機(jī)理[14]

制備過程:利用高速分散機(jī)將水分散成微小液滴,同時利用疏水性SiO2將破碎后的小液滴包覆,形成SiO2包裹小液滴的白色粉末。干水滅火劑的制備流程如圖2所示。

圖2 干水滅火劑的制備流程[15]

3 干水材料的應(yīng)用前景

3.1 爆炸滅火

燃燒的三要素是可燃物、助燃物和著火源。滅火過程就是創(chuàng)造出隔斷任意兩個要素之間聯(lián)系的條件。爆炸產(chǎn)生的高溫高壓的激波能夠?qū)⒖扇夹晕镔|(zhì)、粉塵以及火炸藥引燃[16-18],同時激波將火焰強(qiáng)制剝離,以高速度傳播的激波還會降低火場上方的助燃物含量,激波推動滅火介質(zhì)高速運(yùn)動到達(dá)著火區(qū)域進(jìn)行滅火。因此,爆炸滅火過程是由激波滅火、所帶介質(zhì)滅火、激波與介質(zhì)同時作用滅火疊加而成。

李成孝[14]進(jìn)行了爆炸驅(qū)動干水滅火劑和干粉滅火劑拋撒滅火實(shí)驗。從實(shí)驗滅火效果來看,通過爆炸驅(qū)動,干水滅火劑在極短時間將火勢撲滅,且未發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象,沒有撲滅的油盤火勢也減弱較多。實(shí)驗采用高速攝像觀測爆炸驅(qū)動滅火劑的運(yùn)動過程,通過對比實(shí)驗可觀測到干水滅火劑的滅火效果優(yōu)于干粉滅火劑,如圖3、圖4所示。

圖3 圓柱體干粉滅火劑爆炸滅火高速攝像分幅照片[14]

圖4 圓柱體干水滅火劑爆炸滅火高速攝像分幅照片[14]

薛永鵬等[19]通過實(shí)驗提出通過爆炸實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制剝離滅火是消防滅火不容忽視的一種滅火方法,并提出2個應(yīng)用領(lǐng)域:一是爆炸滅火可以用于研究森林消防滅火,利用無人機(jī)投擲炸藥或利用火炮發(fā)射拋擲炸藥實(shí)施消防滅火,避免了因地勢和環(huán)境等因素使火勢不能及時得到控制的缺點(diǎn),同時減少了人員傷亡；二是爆炸滅火可用于研究油氣井消防滅火。

3.2 滅火劑

干水滅火劑具有良好的抗復(fù)燃性、分散性和不導(dǎo)電性,其主要是物理、化學(xué)兩種滅火機(jī)理綜合作用使火焰熄滅。滅火時,干水滅火劑中的水汽化吸熱,降低了燃燒物的溫度,同時稀釋了助燃劑,起到窒息作用。外層的疏水性SiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,且容易附著在可燃物表面,隔絕燃燒物與助燃劑,使其窒息熄滅。

干水滅火劑是新型滅火材料,目前市面上暫無配套的滅火設(shè)備,而干水的物理性質(zhì)和干粉滅火劑類似,李成孝[14]采用干粉滅火器的噴射裝置,將制備好的干水滅火劑灌裝入滅火器瓶內(nèi)進(jìn)行A、B 2類火災(zāi)滅火模擬實(shí)驗。現(xiàn)場情況如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 灌注干水滅火劑的鋼瓶

圖6 干水滅火劑滅A類火[14]

圖7 干水滅火劑滅B類火[14]

3.3 化妝品

由于水性基質(zhì)在護(hù)膚品中的廣泛使用,故美國、日本等國家將干水應(yīng)用于化妝品行業(yè)。干水中含有大量的水分,具有很好的保濕性且密度小于水,因此,化妝品行業(yè)的一些公司將對皮膚有益的物質(zhì)加入干水內(nèi)部形成粉末狀產(chǎn)品,此類產(chǎn)品涂抹時,在外力作用下結(jié)構(gòu)被破壞,包裹的有效成分被釋放。與乳霜等產(chǎn)品形式相比,干水化妝品具有易生產(chǎn)、易儲運(yùn)、易被人體吸收的優(yōu)勢[20]。干水材料為尋求化妝品的創(chuàng)新提供了新的方向。

3.4 吸收二氧化碳

干水具有較強(qiáng)的吸收二氧化碳的能力。利物浦大學(xué)的安德魯·庫珀科研小組[21]發(fā)現(xiàn)相同體積下,沒有結(jié)合的水和二氧化硅吸收的二氧化碳量僅為干水吸收的二氧化碳量的三分之一。科研小組提出,從普通沙子中提取的二氧化硅超細(xì)粉體包覆在液滴的外部,增大了比表面積,使其吸收溫室氣體的能力提高。干水吸收大量二氧化碳的能力能夠幫助緩解全球變暖的現(xiàn)象,且其原料豐富、制備工藝簡單環(huán)保,是一種環(huán)保型物質(zhì),因此,在控制全球變暖方面有著巨大的應(yīng)用前景。

3.5 儲存和運(yùn)輸氣體

干水因外層的疏水性粉末的包覆具有較大的比表面積,所以有人提出利用其儲存和運(yùn)輸氣體。梁華杰[22]應(yīng)用干水制備水合物,并對其儲存甲烷、丙烷和二氧化碳等氣體進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,各種干水的儲氣量均比直接用水要大得多。如果將吸收了甲烷的干水看作一種新的能源物質(zhì),相較于儲存甲烷的可燃冰,粉末狀的干水材料更為安全。Benjamin等[23]利用干水進(jìn)行了儲存二氧化碳、氬氣實(shí)驗,并嘗試對干水進(jìn)行改性。

3.6 干水在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

干水的成分主要是水,原料豐富,價格低廉,生產(chǎn)工藝簡單,不會造成污染,是一種環(huán)保型材料,因此,被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。干水可用作催化劑催化氫和馬來酸反應(yīng),使生產(chǎn)琥珀酸的過程減少了攪拌工序,被廣泛應(yīng)用于食品行業(yè),使整個過程更加高效節(jié)能[24]。傳統(tǒng)的鉆井液有很多缺陷,而低密度、成分穩(wěn)定的干水鉆井液具有對地層損害小、機(jī)器洗滌方便等優(yōu)點(diǎn)[22]。在制藥行業(yè),可以將藥液加入干水內(nèi)部的液滴,以微囊的形式增加藥物的穩(wěn)定性[25]。干水也可以作為很多涂料的配方或添加劑應(yīng)用于印刷等行業(yè)[26]。綜上所述,干水作為一種環(huán)保型材料具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

干水材料是一種含水量超過90%的干態(tài)物質(zhì),可應(yīng)用于消防行業(yè)的爆炸滅火和制備干水滅火劑,在其他行業(yè),如化妝品、吸收CO2及化工、食品和制藥等行業(yè)均有應(yīng)用。因此,干水材料具有良好的應(yīng)用前景。