防治煤自燃的阻化微胶囊制备及性能研究

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目前,常用的综放采煤技术导致采空区遗留残煤多、漏风严重,使得煤自燃频繁发生。而采空区遗煤的自燃具有空间和时间上的不确定性,从而导致常规的防灭火方法无法有效作用。因此,本文提出微胶囊阻化的思路。将高效的阻化剂进行微胶囊化处理,从而实现芯材阻化剂的定时、定点释放。该方法能有效克服环境及阻化剂本身的性质对阻化效果的不良影响,并能提升阻化寿命及阻化效率。以PEG6000为壁材,LDHs为芯材,采用熔化分散冷凝法成功制备出阻化微胶囊。TG/DSC、FTIR、SEM-EDS用于对微胶囊的热解、包覆、表面形貌、分散性等特性的研究。结果表明:微胶囊外表光滑、无粘结现象、微粒间分散均匀,直径在200μm左右。包覆性良好,表面仅为PEG6000的效元素为C、O,研磨破碎后同时具有PEG6000和LDHs的特征峰。具有良好的热稳定性,热解主要分为三个阶段,初始热解温度为232.47℃,热解之前由PEG6000起到阻化作用,热解则是由LDHs起到阻化作用。壁材动作温度在59.8℃之前,总放热量较小为983J/g。采用TG/DSC实验研究了不同芯壁比阻化微胶囊对煤样A自燃特性的影响,计算其表观活化能,综合优选最佳芯壁配比,并应用于煤样B、C。研究表明:微胶囊对煤自燃的阻化性主要体现在TG和DSC曲线的第一和第三阶段,当芯壁比为1:5时效果最佳。在阶段一,质量残留率由92.4%提升到94.4%,T1由91.4℃提升到100.2℃,热流量由0.54m W/mg减小到0.13m W/mg,放热量由-56.1J/g增加到26.2J/g。在阶段三,T6由358.9℃增加至371.5℃,T7由479.4℃增加到553.9℃,热流量由14.02mW/mg减小到8.82m W/mg,总放热量由2610.1J/g减小到2404.2J/g。针对TG和DSC曲线的第一和第三阶段所对应的水分蒸发及气体脱附阶段和受热分解阶段进行活化能的计算。在水分蒸发及气体脱附阶段A1、A2、A3、A4的活化能分别为40.33kJ/mol、53.55kJ/mol、54.39kJ/mol、52.42kJ/mol,A2、A3、A4的活化能较接近,但A4的增长速率最快,有随温度升高继续增大的趋势,判定A4在该阶段的效果较好。在受热分解阶段活化能依次为141.82kJ/mol、169.26kJ/mol、154.24kJ/mol、178.36kJ/mol,A4最大且较A1、A2、A3有明显提升,Kissinger法进一步验证了FWO法的计算结果。最优芯壁比的微胶囊添加到煤样B、C中同样具有优异的阻化效果,极大减小了煤自燃的放热量、放热速率及质量损失,并有效延迟了特征温度。研究对煤火灾害防治理论与方法具有重要意义。
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