礦用污泥基防滅火復合凝膠特性研究

馬其華 馬尉翔

（1、山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590 2、山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

1 概述

凝膠具有優越的降溫、堵漏、保水等特性，是煤礦防滅火領域的一種重要材料[1]。但凝膠基料往往比較昂貴，難以大規模使用。為降低基料成本并保證滅火效果，一類以粉煤灰、膨潤土、硅藻土等大顆粒填料物質作為骨架支撐作用的復合凝膠得到了發展。在復合凝膠中，填料并不直接參與成膠反應，而是以分散顆粒或雜質狀態填充于凝膠形成的網絡中，起到增加基料面積，發揮更好的隔氧、滅火等覆被效應[2]。在污水處理過程中，通常會添加如聚丙烯酰胺（HPAM）和聚合氯化鋁鐵（PAFC）等絮凝劑，生成大量HPAM～Al3+/Fe3+凝膠，從而將污水中的雜質絮凝沉降下來[3]，因此污泥實質是弱凝膠與污泥顆粒組成的非均質體，其具備用作防滅火復合凝膠填料的基本條件。基于此，本文以污泥為填料制備污泥基煤礦防滅火復合凝膠，研究污泥基復合凝膠的防滅火性能，闡明污泥基復合凝膠的成膠機理，以期降低凝膠物料成本并實現污泥的資源化利用。

2 材料與方法

2.1 材料

本試驗所用原料為：水玻璃，液態，波美度40，模數3.3；促凝劑（NaHCO3），分析純；增塑劑（聚丙烯酰胺，HPAM），分子量500 萬，分析純；污泥，由諸城市銀河污水處理廠提供。污泥的預處理條件為：在真空干燥箱中干燥至恒重，隨后粉碎碾磨并通過80 目篩分。

2.2 樣品制備

將一定量促凝劑放入裝有一定量自來水的燒杯中完全溶解，隨后加入增塑劑繼續攪拌加速水解，再向其中緩慢加入一定量的污泥，攪拌至污泥顆粒均勻分散。取10g 水玻璃基料與上述溶液均勻混合，并靜置至體系成膠。上述所有操作均在室溫下進行，各實驗組配比如表1 所示。

表1 物料配比

2.3 測試方法

通過瓶測法確定膠凝時間，于燒杯中依次加入材料，充分攪拌10s 后開始計時。斜置觀察液面變化，穩定后記錄時間，每組測試3 遍，計算平均值[4]；保水性測試將凝膠置于干燥箱內100℃恒溫加熱，每隔2h 取出稱重并記錄，持續8h，保水率計算公式如下：

式中：w(%)表示復合凝膠的保水率，M 表示復合凝膠的初始質量(g)，Mt表示加熱t 時刻復合凝膠的質量(g)。

凝膠經冷凍干燥處理后，使用掃描電子顯微鏡在2kv 加速電壓下觀察凝膠切片的微觀形態。

為進行煤自燃抑制性測試，將凝膠與煤粉（40 目）以1:1.2 重量比充分混合，并在恒溫干燥箱內以40℃加熱12h，隨后測試處理煤樣程序升溫過程的CO 釋放量。

3 結果與分析

3.1 成膠時間

如圖1 所示，促凝劑變量組成膠時間變化顯著，污泥組與增塑劑組變動幅度相近。此外，隨著含量的增加，促凝劑與污泥縮短了成膠時間，增塑劑反之。進一步分析表明，高濃度的NaHCO3溶液電離出更多H+的與水玻璃中的H2SiO42-和H3SiO4-反應，加快了成膠反應，而在一定范圍內，污泥顆粒在體系中占據一定空間，提高了促凝劑與基料的相對濃度，進而縮短了成膠時間，此外，在一定濃度下，高分子鏈段會阻礙H+與硅酸分子的接觸，阻礙反應的快速進行。

圖1 三個因素對復合凝膠成膠時間的影響

圖3 凝膠的微觀結構

3.2 保水性

如圖2 所示，增塑劑變量組保水率差別最大，污泥組與促凝劑組相近。這說明影響復合凝膠保水率最主要的因素是增塑劑，HPAM 是具有優異吸水性的極性分子，適宜濃度下，通過氫鍵或范德華力與污泥顆粒弱結合并穿插在水玻璃凝膠網絡中，增強膠體保水性[5]。污泥與促凝劑作用類似，合理控制加量可顯著提高膠體強度，減少水分散失。

圖2 三個因素對復合凝膠保水性的影響

3.3 微觀結構

3.4 阻化特性

各處理煤樣在程序升溫過程的CO 釋放量如圖4，低溫下，原煤和處理煤樣CO 釋放濃度接近，隨著溫度升高，煤自燃氧化反應快速進行，凝膠處理煤樣與原煤CO釋放濃度的差距擴大，同時，經復合凝膠處理的煤樣相比水玻璃凝膠釋放更低的CO 濃度。這是由于復合凝膠中的聚丙烯酰胺分子鏈與污泥發生了交聯，產生了氫鍵或其他作用力，增加了體系的稠度，不僅有效地隔絕了氧氣，還進一步延緩了水分的蒸發喪失，從而抑制煤的自燃。

圖4 不同處理煤樣的CO 釋放量

3.5 污泥基復合凝膠固結成膠機理

復合凝膠制備過程中，增塑劑在NaHCO3溶液中水解得到水解產物，在鏈節間靜電斥力作用下，部分水解產物形成伸直的構象，這提高了增塑劑的溶解度并稠化反應溶液，加入污泥后，污泥表面含有的-OH 與增塑劑酰胺基團中含N、O 的側鏈形成大量的氫鍵，進一步強化了增塑劑的吸附、架橋、網捕作用[6]，并增強了凝膠的保水能力和機械強度。加入水玻璃后，促凝劑電離出的H+與水玻璃中的H2SiO42-和H3SiO4-結合生成原硅酸等產物，并均勻附著在污泥表面和HPAM 鏈段上。最終，硅酸聚合物、聚丙烯酰胺長鏈、HPAM～Al3+/Fe3+凝膠三者相互交聯，固結污泥顆粒，形成填充污泥顆粒的有機-無機復雜網絡結構的凝膠體。

4 結論

本文基于煤礦防滅火凝膠的現實需求，制備了污泥基防滅火復合凝膠，研究了凝膠的性質與成膠機理，并驗證其防滅火效果，得到以下結論：

4.1 促凝劑與增塑劑可有效控制復合凝膠成膠時間與保水性，可進一步調控符合現場應用的最佳配比。

4.2 掃描電鏡分析表明，加入污泥與增塑劑的復合凝膠結構致密，代表了更佳的保水性和抗壓強度；煤自燃抑制試驗表明，添加了污泥與增塑劑的復合凝膠具有最佳的煤自燃抑制特性。

圖5 污泥基復合凝膠的制備過程與反應機理

4.3 材料制備過程中，硅酸聚合物、聚丙烯酰胺長鏈、HPAM～Al3+/Fe3+凝膠三者相互交聯，固結污泥顆粒，形成填充污泥顆粒的有機-無機復雜網絡結構的凝膠體。