含钾盐干水灭火剂的制备及灭火机理研究

1. 绪论

1.1 引言

• 随着城市快速发展和人口密集度增加，火灾发生的频率更高、危险性更大，对个人和公共财产安全构成威胁。
• 配备高效灭火剂和消防装置是控制火情保护生命财产安全的重要措施。
• 哈龙灭火剂因其灭火效率高被广泛应用，但其含有的卤素对臭氧层造成持久破坏。
• 干粉灭火剂和细水雾灭火剂因其价格低廉，灭火效率高而被广泛应用，但存在一些缺点。
• 科学家一直在探索高效环保的灭火剂。

1.2 干水及研究现状

• 干水自1964年以来被人们所知，直到20世纪90年代中期化妆品行业快速增长的时，人们才开始更加了解该材料。
• 干水材料于1990年受到广泛关注，由疏水性SiO2和水溶液组成，因其外部的SiO2可以阻断火源，内部的水溶液蒸发吸热，达到了双重抑制作用。
• 陈先锋课题组先后制备了海藻酸钙凝胶干水[16-17]和SiO2凝胶干水[18]，结果发现干水的流动性、耐压性、保水性和稳定性得到了提升。
• Wang Yang[19]测试不同压力下干水灭火效率结果发现0.6至0.7 MPa之间灭火效率最佳。
• 孔令东[20]在干水中加入磷酸二氢铵，磷酸二氢铵可以与火焰自由基发生反应，抑制效果更佳，但磷酸二氢铵分解产生氨气对人类和环境造成不可逆的伤害。
• 本文通过在干水加入钾盐溶液对干水改性，探究不同钾盐干水对A类火和B类火的抑制效果。

1.3 干水的制备方法

• 因为干水是疏水性二氧化硅内部包覆液体制成。
• 制备干水可以分为振动粉砕法、搅拌反应法和液滴雾化法。
• 振动粉砕法适合于的规模制备干水，而搅拌反应法则适合于在实验室中制备用于实验分析的干水。
• 液滴雾化法则对于雾化器雾化的水滴粒径要求较高，在多种方法的综合优缺点比较下，本文中采用的为搅拌反应法。

1.4 干水的制备机理

• 制备干水的原料为疏水性二氧化硅和溶液，通过二氧化硅包覆细微液滴形成的，类似于制备乳化炸药形成的油包水型乳状液。
• 疏水性二氧化硅与液体互不相溶，通过把液体分散为细微液珠用以二氧化硅粉末包覆形成干水小颗粒。

1.5 干水的改性

• 用化学或者物理的方法使某种材料的微观结构或者物理化学性质发生改变称为改性。
• 干水的改性方法有包覆改性法、机械改性法、表面结构改性法等。
• 针对干水灭火剂的灭火特性，本文主要是通过在制备干水的液体中加入钾盐化合物，改变干水的化学性质。

2 干水灭火剂的基本性能及制备

2.1 干水的性质

• 干水是一种创新的消防材料，其性质显著，特别是对于在火灾中的作用，在灭火和安全管理领域中显示出独特的效用。
• 干水最引人注目的特点是其高吸水性，这种材料能迅速吸收并在其内部保存的水分，形成类似水凝胶的状态。
• 干水的低温效应是其另一个重要特性。
• 干水以其轻便性和操作简便性脱颖而出，它也方便携带和使用。
• 从环境影响的角度来看，干水的成分通常是无毒无害的，这意味着在灭火过程中不会对环境造成负面影响。
• 稳定性也是干水的突出的优点之一。

2.2 干水灭火剂的制备

2.2.1 实验材料和仪器

• 实验所用试剂：氯化钾，西陇科学化工有限公司；乙酸钾，西陇科学化工有限公司；磷酸二氢钾，西陇科学化工有限公司；疏水性SiO2，湖北汇富纳米材料股份有限公司；去离子水，实验室自制。
• 干水材料制备：将去离子水和SiO2按质量比10：1的比例在5000r/min的高速搅拌机搅拌1min得到干水。
• 改性干水制备：在去离子水中分别加入一定量的乙酸钾、氯化钾、磷酸二氢钾，配制成5%浓度的溶液，将溶液和SiO2按质量比10：1的比例在5000r/min的高速球搅拌机搅拌1min得到乙酸钾干水、氯化钾干水、磷酸二氢钾干水。

2.2.2 表征

• 使用捷克TESCAN立式扫描式电子显微镜对四组干水的形貌进行观察。
• 使用英国马尔文公司生产的MS2000激光粒度仪对四组干水粒度进行测试。
• 采用休止角法对干水的流动性进行测试。
• 在瑞力设备有限公司生产的烘箱中对四组干水进行保湿性能测试。
• 采用瑞士梅特勒托利多公司生产的DSC对四组干水测试。

3 结果与讨论

3.1 形貌表征

3.1.1 形貌与表征分析

• 磷酸二氢钾干水出现堆叠现象，粒度较大同时流动性不佳，推测是因为磷酸二氢钾溶液表面张力较小，从而使疏水性二氧化硅对溶液的包覆效果不佳。

3.1.2 小结

• 四种干水经过表征分析，发现磷酸二氢钾干水出现堆叠现象，粒度较大同时流动性不佳。

3.2 热稳定性能

3.2.1 热稳定性能分析

• 纯水干水吸热焓最大，乙酸钾干水存在多段吸热焓。
• 采用不同升温速率对不同粒径的纯水干水进行分析，发现粒径越小活化能越小，灭火效率越好。

3.2.2 小结

• 通过差示扫描量热仪对四种干水进行分析，发现纯水干水吸热焓最大，乙酸钾干水存在多段吸热焓。

4 干水材料对木垛火和油料火灭火实验及机理分析

4.1 不同钾盐扑灭A类火

4.1.1 扑灭A类火实验

• 通过热电偶测试不同干水对木垛和油池火的灭火效率，发现乙酸钾干水的灭火效果最佳。

4.1.2 扑灭A类火实验现象分析

• 乙酸钾干水存在多重灭火：外部二氧化硅隔绝氧气，内部溶液蒸发吸热、乙酸钾分解吸热、乙酸钾分解产生氢氧化钾与火焰自由基发生反应。

4.1.2A类火实验小结

• 因此乙酸钾干水灭火剂有望成为一种高效环保灭火剂。

4.2 不同钾盐扑灭B类火

4.2.1 不同钾盐扑灭B类火实验

• 乙酸钾干水对B类火的抑制效果也很好。

4.2.2 扑灭B类火实验现象分析

• 乙酸钾干水可以迅速降低火源温度，减少热量传播。

4.2.2B类火实验小结

• 乙酸钾干水灭火剂对B类火也具有很好的抑制效果。

4.3 灭火机理分析：

• 乙酸钾干水灭火剂具有多重灭火效果：外部二氧化硅隔绝氧气，内部溶液蒸发吸热、乙酸钾分解吸热、乙酸钾分解产生氢氧化钾与火焰自由基发生反应。

5 结论与展望

5.1 结论

• 本文以含钾盐干水灭火剂的制备与灭火机理研究为研究对象，以疏水性二氧化硅、去离子水、5%磷酸二氢钾、5%氯化钾、5%乙酸钾为原料，并通过高速搅拌的方法分别制备了纯水干水、磷酸二氢钾干水、氯化钾干水和乙酸钾干水四种干水。
• 采用光学显微镜、透射电镜、激光粒度仪和休止角测试仪对四种干水进行表征分析，发现磷酸二氢钾干水出现堆叠现象，粒度较大同时流动性不佳。
• 通过差示扫描量热仪对四种干水进行分析，发现纯水干水吸热焓最大，乙酸钾干水存在多段吸热焓。
• 通过热电偶测试不同干水对木垛和油池火的灭火效率，发现乙酸钾干水的灭火效果最佳。

5.2 展望

• 乙酸钾干水灭火剂有望成为一种高效环保灭火剂。