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微米级金属氧化物出手 “降服”爆炸后的致命元凶

来源:科技日报2021-07-14 09:34

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  这种布满小孔的金属氧化物颗粒具有较好的吸附作用,可以在瞬间吸附空气中的一氧化碳和氧气,使其转化为无害化产物。为了物尽其用,科研人员对这种金属氧化物进行了改性处理,使之吸附效率大大提高。

  在封闭的地下巷道,一堆木炭被点燃,看不见摸不着的一氧化碳随着跳动的火焰悄然扩散。

  1000百万分比浓度(ppm)、1500ppm、1700ppm……监测仪器上的读数快速上升,巷道的一氧化碳浓度已经足以让人在几十分钟内死亡。

  在国家矿山应急救援开滦队的等比例巷道中,一场前所未有的井下一氧化碳捕捉与消除实验正在紧张地进行。数天后,一场引燃甲烷模拟井下瓦斯爆炸的实验再次上演,试验目的仍然是消除高浓度的一氧化碳。

  记者7月初从中国矿业大学副校长、周福宝教授团队获得的实验数据表明,他们基于化学催化原理,首创的一氧化碳主动同步处置方法,可通过释放消除剂粉体形成“超细尘云”,捕捉空气中的一氧化碳,并将其迅速转化为无害化产物。

  在地下矿井、城市高楼、工厂车间、船舶机舱等受限空间里,一旦发生爆炸或者火灾,就会积聚大量一氧化碳,这往往会比开放空间同类事故造成的人员伤亡更大。该方法有助于短时间内将一氧化碳浓度降低到安全区间,为救援逃生争取时间。

  爆炸后高浓度一氧化碳致人窒息死亡

  受限空间是指封闭或半封闭,进出口狭窄受限,自然通风不良的空间,高层建筑、煤矿井下、地铁隧道、机舱船舱等都是受限空间。

  为什么受限空间的火灾、爆炸事故会造成如此多的伤亡?

  在火灾、爆炸事故中,往往会产生大量一氧化碳,浓度可达几千到几万ppm。现场人员吸入后,一氧化碳与血红蛋白的亲和力比氧气高200—300倍,使血红蛋白丧失携氧能力,致人窒息死亡。

  “空气中一氧化碳浓度达12800ppm时,人在1—3分钟内就会死亡,浓度达3200ppm时人会25—30分钟死亡,浓度达800ppm人则可能在2—3小时死亡。”团队成员、中国矿业大学陈小雨副教授说。

  近年来,随着城市建设和能源转型,矿井事故死亡人数逐年下降,但高楼、车间、船舶、机舱等受限空间发生火灾、爆炸事故的比例迅速上升,一氧化碳中毒风险正在从高危岗位向普通百姓扩散。

  国家矿山应急救援开滦队总工程师张文明表示,灾害发生后,如果不能快速降低一氧化碳的浓度,后续的救援措施往往无法达到预期效果。目前,煤矿井下应对火灾、爆炸而设置的水棚、岩粉棚和干粉棚等方法,对于一氧化碳束手无策。

  如何在受限空间内快速消除一氧化碳,已成为全球范围内应急救援的重要课题。

  惰性金属氧化物进行无害化转化

  2015年,周福宝教授提出一种新思路:用特殊物质吸附一氧化碳,并将其转变为其他物质,达到降解、消除的目的。

  “我们前前后后试验了十几种物质,经过几年反复实验,最终找到一种过渡金属氧化物,并把它设计制成具有较大表面孔隙率的微米级颗粒。”陈小雨告诉科技日报记者。

  陈小雨介绍,这种金属氧化物的直径只有10—50微米,但是比表面积非常大,1克金属氧化物,表面积可达成百上千平方米。这种布满小孔的金属氧化物颗粒还具有较好的吸附作用,可以在瞬间吸附空气中的一氧化碳和氧气,使其转化为无害化产物。为了物尽其用,科研人员对这种金属氧化物进行了改性处理,使之吸附效率大大提高。

  “这种金属氧化物本身是惰性的,不易与其他物质发生反应,在空气中遇明火不会爆炸,因此保存起来也比较容易,与干粉灭火器差不多。”陈小雨说。

  周福宝团队首先进行了20升爆炸球实验,验证了一氧化碳主动同步处置方法技术对瓦斯爆炸和瓦斯煤尘混合爆炸后消除一氧化碳的有效性。随后团队自主设计了毒气消除实验箱体,研究了环境温度、消除剂浓度、一氧化碳初始浓度等因素对消除效果影响的规律,获得了主动同步一氧化碳处置技术的最佳应用指标。

  2021年初,在江苏省城市地下空间火灾防护高校重点实验室的管廊实验系统内,团队利用混凝土管廊,首次模拟了主动同步一氧化碳处置技术在受限空间火灾中的消除效率。他们在全长11.5米、内径1.5米、外径1.8米的管廊模型中,燃烧一定量木炭,产生一氧化碳。待一氧化碳均匀扩散到整个空间后,向管廊内喷洒消除剂。

  在火焰熄灭后的第6分钟,喷入了消除剂。3分钟内,一氧化碳浓度从1200ppm下降至700ppm左右,并维持较长时间。

  同时,他们还研发了便携式消除剂气载装置,能够迅速将消除剂粉体喷洒在灾害环境中。由于这种粉体粒径足够小,其在空气中悬浮时间可达40分钟以上,能主动捕获烟气中的一氧化碳,并将一氧化碳吸附在消除剂表面从而快速转化。

  可应用于多种受限空间的应急救援

  小尺度实验成功,让团队信心大增。2021年4月,周福宝团队带着技术装备来到唐山市。在国家矿山应急救援开滦队基地,有一个等比例巷道。巷道总长688米,完全模拟了地下矿井的结构形态。在这里,周福宝团队进行了为期近2个月的实验。

  首次实验针对井下火灾展开。在长16.5米、断面积3.96平方米的正梯形独头巷道中,科研人员使用便携式消除剂气载装置消除一氧化碳。

  “实验结果非常好,可以瞬间将独头巷道内的一氧化碳从1700ppm消减至345ppm。”张文明说。

  随后,团队又在全尺寸巷道中进行甲烷爆炸后的一氧化碳产物消除实验。他们利用爆炸管道装置进行爆炸实验,并在爆炸装置出口处布置了多个消除剂粉棚,模拟爆炸后的冲击波,由冲击波引发一氧化碳消除实验。结果显示,每立方米100克的消除剂可瞬间将一氧化碳从2178ppm消减至649ppm。

  陈小雨介绍,他们已经针对矿井爆炸环境,设计出自动释放的粉棚,例如每隔2米布置1个一氧化碳消除剂粉棚,装有2公斤消除剂,瞬间可将爆炸源处一氧化碳浓度降至1500ppm以下,5分钟内受灾区域一氧化碳浓度降至500ppm。

  同时,也可以使用便携式手动气载装置人工喷洒消除剂。5分钟内就可将受灾区间一氧化碳浓度降至1000ppm,30分钟内使环境中一氧化碳降至200ppm。

  “所有井下的爆炸、火灾,致死的最大因素就是一氧化碳。这个课题瞄准的就是一氧化碳的消除,抓住了它的产生机理、现场使用等方向。这个课题与我们救护的实际情况相符,希望我们能合作研究出更多符合实际应用的成果。”国家安全生产应急救援指挥中心原常务副主任王志坚说,“研究成果不仅可以立足于煤矿,还可以运用于公共安全领域,对于铁路隧道、地铁、高层建筑等受限空间,它的应用前景非常大。”(张 晔

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