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(yàn)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(guó)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(cái)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(huì)破壞臭氧層結(jié)構(gòu),許多國(guó)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(duì)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(chǎng)合方面有一定限制；氣溶膠滅火劑易對(duì)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(dòng)物窒息。故國(guó)內(nèi)外學(xué)者正探索發(fā)掘滅火效果更好、對(duì)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(jiǎn)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(shì)和環(huán)境等因素影響,消防人員及滅火設(shè)備不易及時(shí)到達(dá)火場(chǎng),使得火勢(shì)無法得到及時(shí)、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(dòng)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(guó)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)性:流動(dòng)性是影響干水滅火劑使用過程的重要因素,流動(dòng)性的好壞對(duì)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(duì)滅火過程和滅火效果有著巨大的影響。粒徑較大時(shí)顆粒聚在一起,會(huì)影響噴出效果；粒徑較小時(shí),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(shí),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(duì)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(huì)發(fā)生破裂,致使滅火能力變差。噴射滅火時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)激波將火焰強(qiáng)制剝離,以高速度傳播的激波還會(huì)降低火場(chǎng)上方的助燃物含量,激波推動(dòng)滅火介質(zhì)高速運(yùn)動(dòng)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(shí)作用滅火疊加而成。

李成孝[14]進(jìn)行了爆炸驅(qū)動(dòng)干水滅火劑和干粉滅火劑拋撒滅火實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)滅火效果來看,通過爆炸驅(qū)動(dòng),干水滅火劑在極短時(shí)間將火勢(shì)撲滅,且未發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象,沒有撲滅的油盤火勢(shì)也減弱較多。實(shí)驗(yàn)采用高速攝像觀測(cè)爆炸驅(qū)動(dòng)滅火劑的運(yùn)動(dòng)過程,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可觀測(cè)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(yàn)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(gè)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(shì)和環(huán)境等因素使火勢(shì)不能及時(shí)得到控制的缺點(diǎn),同時(shí)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(shí),干水滅火劑中的水汽化吸熱,降低了燃燒物的溫度,同時(shí)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?jī)?nèi)進(jìn)行A、B 2類火災(zāi)滅火模擬實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)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(guó)、日本等國(guó)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(duì)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(shí),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(chǔ)運(yùn)、易被人體吸收的優(yōu)勢(shì)[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(kù)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?jī)H為干水吸收的二氧化碳量的三分之一?？蒲行〗M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(jiǎn)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(chǔ)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(chǔ)存和運(yùn)輸氣體。梁華杰[22]應(yīng)用干水制備水合物,并對(duì)其儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存二氧化碳、氬氣實(shí)驗(yàn),并嘗試對(duì)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(jià)格低廉,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,不會(huì)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(gè)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(duì)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。