氯鹽阻化劑吸附CO性能的實(shí)驗(yàn)研究

翟小偉 胡冕 馬博昊 薛晨曉 陶新

摘 要：為研究氯鹽阻化劑對CO的吸附性能，根據(jù)井下工作面風(fēng)流流動情況設(shè)計(jì)CO液體吸附測定裝置，利用控制變量法研究不同濃度、不同風(fēng)速下的NaCl，MgCl2，CaCl2對CO的吸附性能參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明，3種氯鹽阻化劑的吸附量均在一定程度上受到濃度的影響：風(fēng)速為2.0 m/s時(shí)，NaCl和CaCl2溶液對CO的吸附量均隨濃度增加而增加，MgCl2溶液的吸附量隨著其濃度的增加呈先增強(qiáng)再減弱的變化趨勢，3種氯鹽溶液中CaCl2溶液的吸附效果最優(yōu)，NaCl溶液的吸附效果最為微弱;當(dāng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)速在1.8～2.2 m/s范圍內(nèi)，氯鹽阻化劑的CO吸附性能與風(fēng)速成反比，適當(dāng)降低風(fēng)速后，3種氯鹽溶液的吸附效果均有提高。研究結(jié)果證實(shí)了氯鹽阻化劑對

CO具有一定的吸附性能，對礦井有害氣體消除與防滅火技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：一氧化碳;物理吸附;氯鹽阻化劑;濃度中圖分類號：TD 711

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）05-0772-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0502開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Experimental study on the adsorption performance

of chloride inhibitors for CO

ZHAI Xiaowei1，4，HU Mian2，4，MA Bohao3，XUE Chenxiao2，4，TAO Xin2，4

（1.Yulin Institute，Xian University of Science and Technology，Yulin 719000，China;

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.John Finlay Engineering and Technology Group of Companies，Beijing 100022，China;

4.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to explore the adsorption performance of chlorine salt inhibitors on CO，a CO liquid adsorption measuring device has been designed according to the air flow in the underground working surface.The control variable method was used to study the parameters of CO adsorption performance by NaCl，MgCl2，and CaCl2at different concentrations and wind speeds.The results showed that the adsorption capacity of the three chlorine salt inhibitors was affected by the concentration to a certain extent：when the wind speed was 2.0 m/s，the adsorption capacity of CO by NaCl and CaCl2solutions increased with increasing concentrations.With the increase of the concentration of MgCl2solution，the adsorption capacity increased and then weakened.Among the three chloride salt solutions，the CaCl2solution had the best adsorption effect，and the NaCl solution? the weakest.When the experimental wind speeds range was between 1.8～2.2 m/s，the CO adsorption performance by the chloride inhibitor was inversely proportional to the wind speed.After the wind speed was appropriately reduced，the adsorption effect of the three chloride salt solutions was improved.The research results confirm that the chloride inhibitor has a certain adsorption capacity for CO，which has certain guiding significance for the development of the combination of harmful gas elimination and fire prevention and fire extinguishing technology in mines.Key words：carbon monoxide;physical adsorption;chloride inhibitor;concentration

0 引 言

中國煤炭資源豐富，但礦井災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)工作[1]。一旦井下發(fā)生煤自燃與火災(zāi)，輕則影響生產(chǎn)，燒毀煤炭資源及設(shè)備，重則造成人員傷亡，甚至整個(gè)礦井遭到嚴(yán)重?fù)p毀[2]。井下煤炭發(fā)生自燃時(shí)會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，其中CO最為典型，極易造成嚴(yán)重傷亡事故[3]。目前CO消除技術(shù)主要有吸附法、低溫催化氧化法、變壓吸附法以及深冷分離法[4-6]等，其中吸附法無論從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性上都更加適合煤礦使用。TAO等采用4種新型碳負(fù)陰離子功能化離子液體吸收CO，發(fā)現(xiàn)CO在4種新型離子液體中的吸收量隨壓力的升高而增加[7]。上述技術(shù)對CO的消除效果明顯，但原材料成本高，制作應(yīng)用較為復(fù)雜。氯鹽阻化劑作為一種成本低、制作簡單的防滅火材料，常被用于井下采空區(qū)防滅火工藝當(dāng)中[8]。在煤礦現(xiàn)場防火實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在對煤礦異常區(qū)域噴灑阻化劑進(jìn)行防滅火處理后，井下空氣中CO含量通常會在較短時(shí)間內(nèi)大幅下降[9]。除了因風(fēng)流帶走大量CO外，所噴灑的氯鹽阻化劑對CO也可能存在一定的吸附性。由于液體表面張力的存在使得氣體分子可以被液體表面所吸附[10]。張艷楠等以CaCl2作為搭載鹽，制成了不同含鹽量的復(fù)合吸附劑，并測得了CaCl2溶液的氣-液吸收量[11]。馬礪等采用CaCl2、NH4Cl和MgCl23種氯鹽阻化劑對原煤樣進(jìn)行處理后通過程序升溫實(shí)驗(yàn)研究阻化煤樣的初次與二次氧化，結(jié)果表明3種氯鹽阻化劑對煤樣具有明顯的阻化效果[12]。侯欽元利用活性炭（AC）吸附劑對CO進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在一次吸附實(shí)驗(yàn)中，CO的消除率為42.8%[13]。齊藝裴等通過對各種變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低變質(zhì)和高變質(zhì)程度煤樣對CO的物理吸附量較大[14]。目前關(guān)于氯鹽阻化劑對CO是否具有吸附性能以及其吸附性能在不同工況條件下的變化規(guī)律還鮮有研究?；诖?，本論文通過自發(fā)研制試驗(yàn)臺，模擬井下氯鹽阻化劑噴灑情況，分析3種氯鹽阻化劑在不同工況條件下對CO的吸附性能，試圖將煤礦防滅火技術(shù)與有害有毒氣體消除技術(shù)相結(jié)合，為礦井現(xiàn)場實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理物理吸附主要是由于氣、液、固的表面分子結(jié)構(gòu)特性而導(dǎo)致的相互吸附，其主要影響因素有表面分子張力、接觸角等[15]。表面張力是作用于液體表面單位長度直線上的收縮力，其方向與該直線垂直并與液面相切，通常以γ表示，常用單位為mN/m。溶液的表面張力除與溫度、壓力有關(guān)外，常受溶質(zhì)性質(zhì)和濃度的影響[16]。在界面化學(xué)中，Gibbs吸附等溫方程式是說明和處理吸附作用的最基本的公式，它是基于化學(xué)熱力學(xué)基本關(guān)系式導(dǎo)出的關(guān)于表面張力、體相濃度和吸附量三者的關(guān)系式。Gibbs吸附等溫方程式可表示為[17]

ΓB=-aBRT

dσdaB

（1）

式中 ΓB為溶質(zhì)在單位面積表面層的吸附量，mol/m2;σ為液體表面張力，N/m;aB為溶質(zhì)的活度;R為氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）;T為溫度，K。根據(jù)上式可知，當(dāng)體系溫度一定時(shí)吸附量ΓB與溶質(zhì)的活度aB有關(guān)。由于無機(jī)氯鹽的表面張力與濃度呈近似線性關(guān)系，而活度是理論計(jì)算用的濃度表示，故dσ與daB的比值可近似為常數(shù)，因此可得濃度與吸附量之間存在一定關(guān)系[18-19]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置為了真實(shí)地模擬煤礦井下風(fēng)流流動及井下阻化劑的噴灑情況，根據(jù)某礦2#回采工作面和回風(fēng)巷道的尺寸進(jìn)行物理相似模擬，制作出一套CO吸附測定裝置。實(shí)驗(yàn)裝置主要由氣體處理、吸附測定和數(shù)據(jù)處理3大部分構(gòu)成，包括高壓水泵、CO儲氣瓶、氣體預(yù)混箱、耐壓管道、霧化噴頭、反應(yīng)箱、通風(fēng)管道、CO傳感器、排水裝置和通風(fēng)機(jī)等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)箱及通風(fēng)管道為透明有機(jī)玻璃材質(zhì)，便于觀察溶液噴灑狀況。CO氣體純度大于99%。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，CO氣體從儲氣瓶進(jìn)入氣體預(yù)混箱，與空氣充分混合之后在抽出式通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下由進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)入主箱體，經(jīng)過氯鹽溶液噴灑吸附作用后進(jìn)入出風(fēng)管道排出室外安全空間。進(jìn)風(fēng)管道和出風(fēng)管道內(nèi)各有一個(gè)高精度CO檢測儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄兩側(cè)管道內(nèi)CO濃度變化情況。通過噴灑待測溶液前后的CO濃度變化情況，可對比各種氯鹽溶液對CO吸附性能的差異。

1.3 溶液配制采用NaCl，MgCl2和CaCl23種常用氯鹽阻化劑，分別配制不同濃度的氯鹽水溶液在CO風(fēng)流中進(jìn)行噴灑，研究其對CO的吸附效能。溶液的質(zhì)量百分濃度是指溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量的百分率，用%表示。計(jì)算公式如下

d=m1m1+m2

（2）

式中 d為溶液質(zhì)量百分濃度，%;m1為溶質(zhì)質(zhì)量，g;m2為溶劑質(zhì)量，g。經(jīng)查表得出NaCl，MgCl2，CaCl2在20 ℃下水中的最大質(zhì)量百分濃度[20]，以此來確定實(shí)驗(yàn)用溶液濃度配比，見表1。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程 1）開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)速為2.0 m/s，檢測裝置氣密性。

2）打開CO儲氣瓶總閥門，調(diào)節(jié)減壓閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)，使CO與空氣在預(yù)混室內(nèi)充分混合并通入管路中，微調(diào)轉(zhuǎn)子流量計(jì)使CO檢測儀示數(shù)穩(wěn)定在200×10-6左右。

3）先記錄一組未噴灑溶液時(shí)的CO濃度值作

為實(shí)驗(yàn)對照數(shù)據(jù)。

4）打開水泵開關(guān)噴灑不同濃度的待測溶液，并立即記錄CO檢測儀示數(shù)，每5秒記錄一次，共記錄20次。

5）結(jié)束后關(guān)閉CO儲氣瓶閥門及水泵，待管路內(nèi)CO檢測儀示數(shù)為零時(shí)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

2 結(jié)果與分析由于噴灑溶液后所測得的CO濃度數(shù)據(jù)量較大且有波動，常用的點(diǎn)線圖或柱狀圖不足以表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢，故采用箱線圖來表示噴灑每種濃度后CO數(shù)值的取值區(qū)間，并取箱線圖中每組CO數(shù)據(jù)的中位數(shù)用以計(jì)算消除率（CO濃度下降值占初始CO濃度的百分比），繪制不同種類、不同濃度溶液的消除率點(diǎn)線圖。

2.1 不同濃度配比NaCl溶液對CO的吸附性能影響

由圖2可知，未進(jìn)行噴灑NaCl溶液時(shí)（即濃度為0%）管道內(nèi)CO濃度穩(wěn)定在200×10-6左右。當(dāng)噴灑8%濃度NaCl溶液后出風(fēng)管道內(nèi)CO濃度上升，分析原因?yàn)镃O密度較空氣稍輕，致使部分CO氣體逐漸積聚在實(shí)驗(yàn)主箱體上部，積聚到一定程度時(shí)與噴頭噴出的細(xì)水霧接觸并被帶至風(fēng)流中，又因?yàn)?%濃度NaCl溶液吸附力較為微弱，故隨風(fēng)流進(jìn)入出風(fēng)管道，最終導(dǎo)致出風(fēng)管道內(nèi)CO濃度上升。12%濃度NaCl溶液噴灑后CO濃度有略微降低，表現(xiàn)出了一定的吸附效果。16%濃度的NaCl溶液吸附效果較12%濃度的NaCl溶液更進(jìn)一步。20%，24%濃度的NaCl溶液噴灑時(shí)CO數(shù)據(jù)中位線雖然低于16%濃度的NaCl溶液，但其數(shù)據(jù)均值和整體數(shù)值區(qū)間都略高于16%濃度NaCl溶液，數(shù)值最高點(diǎn)CO濃度甚至超過未噴灑溶液時(shí)的CO濃度，說明20%和24%濃度的NaCl溶液對CO吸附效果并不穩(wěn)定。NaCl溶液的消除率隨濃

度先減小后增大，但消除效果較差，最大僅約2%。

綜上，8%濃度NaCl溶液對CO幾乎不具備吸附性，濃度到達(dá)12%時(shí)開始顯現(xiàn)其吸附性，且隨濃度的增大而增強(qiáng)，但吸附性能微弱。

2.2 不同濃度配比MgCl2溶液對CO的吸附性能影響

由圖3（a）知，開始實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)噴灑8%濃度MgCl2溶液與噴灑8%濃度NaCl溶液時(shí)出現(xiàn)的情況相同，說明8%濃度MgCl2溶液也不具有明顯的吸附性。而當(dāng)噴灑14%與20%濃度的MgCl2溶液時(shí)，CO濃度出現(xiàn)了明顯的下降，且MgCl2濃度為20%時(shí)CO濃度下降值較為穩(wěn)定。噴灑26%，32%濃度MgCl2溶液時(shí)，CO濃度下降量相較于前2種濃度有所減少，但也都表現(xiàn)出了對CO較為明顯的吸附性。32%濃度MgCl2溶液進(jìn)行噴灑后出現(xiàn)了異常點(diǎn)，CO濃度為207×10-6，超過未噴灑溶液時(shí)CO的初始值，分析原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置進(jìn)風(fēng)口處受外界風(fēng)流干擾造成。結(jié)合圖3（b）可以得出不同濃度MgCl2溶液對CO所具有的吸附性的強(qiáng)弱隨濃度的增加呈先增加后減小的變化規(guī)律：起始低濃度的MgCl2溶液對CO吸附性較弱，但隨著濃度的增加其吸附性顯著增加。當(dāng)濃度在14%～20%之間時(shí)具有最大吸附效果，之后吸附性又逐步減弱，但仍強(qiáng)于低濃度溶液。

2.3 不同濃度配比CaCl2溶液對CO的吸附性能影響

由圖4（a）可以看出，低濃度的CaCl2溶液對CO仍不具有可觀察的吸附性。提高濃度至16%～24%，CO濃度出現(xiàn)明顯下降，而且可以看到濃度從8%提高至16%的過程中CO濃度值下降幅度大，從16%提高至24%過程中CO濃度值下降幅度明顯減小。繼續(xù)提高濃度至32%，CO濃度值又出現(xiàn)了大幅度下降并且數(shù)據(jù)較為集中，說明吸附效果較為穩(wěn)定。CaCl2溶液濃度達(dá)到最高值40%時(shí)，CO濃度下降量并沒有較大變化，與濃度為32%時(shí)持平。圖4（b）可明顯看出CaCl2溶液對CO的吸附性能與濃度成正比?？傮w來看，CaCl2溶液對CO的吸附性隨濃度的提高而逐步增加。CaCl2溶液濃度在8%～16%和24%～32%的區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，對其吸附性影響最大;CaCl2溶液濃度在16%～24%和32%～40%區(qū)間內(nèi)變化時(shí)對其吸附性影響較小。

2.4 風(fēng)速對氯鹽阻化劑吸附性能的影響在物理吸附中，時(shí)間對吸附量的影響較大[21]。

實(shí)驗(yàn)中由噴頭噴灑出的溶液呈細(xì)霧狀，易隨風(fēng)流在實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)一起移動，因此減小風(fēng)速可以增加氣流從進(jìn)風(fēng)管道流動至出風(fēng)管道的時(shí)間，從而增加溶液與含CO氣流相接觸的時(shí)間，有利于提高吸附效果。為探究風(fēng)速對氯鹽阻化劑吸附性能的影響，調(diào)節(jié)裝置風(fēng)速分別為1.8 m/s和2.2 m/s，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

1）由圖5（a）可以看出，在1.8 m/s風(fēng)速下的高濃度NaCl溶液表現(xiàn)出了較為明顯的吸附效果，變化規(guī)律稍有偏差，但與其他濃度規(guī)律大致相同。而8%低濃度的NaCl溶液吸附性仍然較弱。2.2m/s風(fēng)速下的各濃度清除率總體上低于其他2種風(fēng)速。3種風(fēng)速下吸附性隨濃度的變化規(guī)律大致相同，即吸附性與濃度成正比。

2）由圖5（b）和圖5（c）可知，MgCl2溶液和CaCl2溶液在不同風(fēng)速下的吸附性隨濃度變化規(guī)律均保持一致。14%MgCl2溶液在1.8m/s風(fēng)速下的清除率最高。40%CaCl2溶液在1.8 m/s風(fēng)速下清除率達(dá)到了10.9%。綜上，降低風(fēng)速并沒有影響每種氯鹽溶液吸附性能與濃度之間的變化規(guī)律，而且還會因?yàn)樵黾恿巳芤号cCO氣流接觸的時(shí)間，進(jìn)一步提高了吸附效果。

3 結(jié) 論

1）3種氯鹽阻化劑對CO的吸附性能都與其溶液濃度有關(guān)，且大小順序?yàn)椋篊aCl2>MgCl2>NaCl。

2）NaCl和CaCl2水溶液的CO吸附性都與其濃度成正比，MgCl2溶液的吸附性能隨濃度的增加呈先增加后減小的趨勢。

3）在一定范圍內(nèi)降低風(fēng)速可增加溶液與氣流接觸時(shí)間，從而提高吸附效果。

4）在礦井實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化配制溶液使其達(dá)到最優(yōu)吸附性能并適當(dāng)考慮工作面風(fēng)速，這對礦井有害氣體消除技術(shù)和防滅火技術(shù)相結(jié)合具有重要意義。

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