這種布滿小孔的金屬氧化物顆粒具有較好的吸附作用，可以在瞬間吸附空氣中的一氧化碳和氧氣，使其轉(zhuǎn)化為無(wú)害化產(chǎn)物。為了物盡其用，科研人員對(duì)這種金屬氧化物進(jìn)行了改性處理，使之吸附效率大大提高。

在封閉的地下巷道，一堆木炭被點(diǎn)燃，看不見摸不著的一氧化碳隨著跳動(dòng)的火焰悄然擴(kuò)散。

1000百萬(wàn)分比濃度(ppm)、1500ppm、1700ppm……監(jiān)測(cè)儀器上的讀數(shù)快速上升，巷道的一氧化碳濃度已經(jīng)足以讓人在幾十分鐘內(nèi)死亡。

在國(guó)家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)的等比例巷道中，一場(chǎng)前所未有的井下一氧化碳捕捉與消除實(shí)驗(yàn)正在緊張地進(jìn)行。數(shù)天后，一場(chǎng)引燃甲烷模擬井下瓦斯爆炸的實(shí)驗(yàn)再次上演，試驗(yàn)?zāi)康娜匀皇窍邼舛鹊囊谎趸肌?/p>

記者7月初從中國(guó)礦業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)、周福寶教授團(tuán)隊(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，他們基于化學(xué)催化原理，首創(chuàng)的一氧化碳主動(dòng)同步處置方法，可通過(guò)釋放消除劑粉體形成“超細(xì)塵云”，捕捉空氣中的一氧化碳，并將其迅速轉(zhuǎn)化為無(wú)害化產(chǎn)物。

在地下礦井、城市高樓、工廠車間、船舶機(jī)艙等受限空間里，一旦發(fā)生爆炸或者火災(zāi)，就會(huì)積聚大量一氧化碳，這往往會(huì)比開放空間同類事故造成的人員傷亡更大。該方法有助于短時(shí)間內(nèi)將一氧化碳濃度降低到安全區(qū)間，為救援逃生爭(zhēng)取時(shí)間。

爆炸后高濃度一氧化碳致人窒息死亡

受限空間是指封閉或半封閉，進(jìn)出口狹窄受限，自然通風(fēng)不良的空間，高層建筑、煤礦井下、地鐵隧道、機(jī)艙船艙等都是受限空間。

為什么受限空間的火災(zāi)、爆炸事故會(huì)造成如此多的傷亡?

在火災(zāi)、爆炸事故中，往往會(huì)產(chǎn)生大量一氧化碳，濃度可達(dá)幾千到幾萬(wàn)ppm?，F(xiàn)場(chǎng)人員吸入后，一氧化碳與血紅蛋白的親和力比氧氣高200—300倍，使血紅蛋白喪失攜氧能力，致人窒息死亡。

“空氣中一氧化碳濃度達(dá)12800ppm時(shí)，人在1—3分鐘內(nèi)就會(huì)死亡，濃度達(dá)3200ppm時(shí)人會(huì)25—30分鐘死亡，濃度達(dá)800ppm人則可能在2—3小時(shí)死亡。”團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)陳小雨副教授說(shuō)。

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)和能源轉(zhuǎn)型，礦井事故死亡人數(shù)逐年下降，但高樓、車間、船舶、機(jī)艙等受限空間發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的比例迅速上升，一氧化碳中毒風(fēng)險(xiǎn)正在從高危崗位向普通百姓擴(kuò)散。

國(guó)家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)總工程師張文明表示，災(zāi)害發(fā)生后，如果不能快速降低一氧化碳的濃度，后續(xù)的救援措施往往無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。目前，煤礦井下應(yīng)對(duì)火災(zāi)、爆炸而設(shè)置的水棚、巖粉棚和干粉棚等方法，對(duì)于一氧化碳束手無(wú)策。

如何在受限空間內(nèi)快速消除一氧化碳，已成為全球范圍內(nèi)應(yīng)急救援的重要課題。

惰性金屬氧化物進(jìn)行無(wú)害化轉(zhuǎn)化

2015年，周福寶教授提出一種新思路：用特殊物質(zhì)吸附一氧化碳，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)，達(dá)到降解、消除的目的。

“我們前前后后試驗(yàn)了十幾種物質(zhì)，經(jīng)過(guò)幾年反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終找到一種過(guò)渡金屬氧化物，并把它設(shè)計(jì)制成具有較大表面孔隙率的微米級(jí)顆粒。”陳小雨告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

陳小雨介紹，這種金屬氧化物的直徑只有10—50微米，但是比表面積非常大，1克金屬氧化物，表面積可達(dá)成百上千平方米。這種布滿小孔的金屬氧化物顆粒還具有較好的吸附作用，可以在瞬間吸附空氣中的一氧化碳和氧氣，使其轉(zhuǎn)化為無(wú)害化產(chǎn)物。為了物盡其用，科研人員對(duì)這種金屬氧化物進(jìn)行了改性處理，使之吸附效率大大提高。

“這種金屬氧化物本身是惰性的，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在空氣中遇明火不會(huì)爆炸，因此保存起來(lái)也比較容易，與干粉滅火器差不多。”陳小雨說(shuō)。

周福寶團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了20升爆炸球?qū)嶒?yàn)，驗(yàn)證了一氧化碳主動(dòng)同步處置方法技術(shù)對(duì)瓦斯爆炸和瓦斯煤塵混合爆炸后消除一氧化碳的有效性。隨后團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了毒氣消除實(shí)驗(yàn)箱體，研究了環(huán)境溫度、消除劑濃度、一氧化碳初始濃度等因素對(duì)消除效果影響的規(guī)律，獲得了主動(dòng)同步一氧化碳處置技術(shù)的最佳應(yīng)用指標(biāo)。

2021年初，在江蘇省城市地下空間火災(zāi)防護(hù)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的管廊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，團(tuán)隊(duì)利用混凝土管廊，首次模擬了主動(dòng)同步一氧化碳處置技術(shù)在受限空間火災(zāi)中的消除效率。他們?cè)谌L(zhǎng)11.5米、內(nèi)徑1.5米、外徑1.8米的管廊模型中，燃燒一定量木炭，產(chǎn)生一氧化碳。待一氧化碳均勻擴(kuò)散到整個(gè)空間后，向管廊內(nèi)噴灑消除劑。

在火焰熄滅后的第6分鐘，噴入了消除劑。3分鐘內(nèi)，一氧化碳濃度從1200ppm下降至700ppm左右，并維持較長(zhǎng)時(shí)間。

同時(shí)，他們還研發(fā)了便攜式消除劑氣載裝置，能夠迅速將消除劑粉體噴灑在災(zāi)害環(huán)境中。由于這種粉體粒徑足夠小，其在空氣中懸浮時(shí)間可達(dá)40分鐘以上，能主動(dòng)捕獲煙氣中的一氧化碳，并將一氧化碳吸附在消除劑表面從而快速轉(zhuǎn)化。

可應(yīng)用于多種受限空間的應(yīng)急救援

小尺度實(shí)驗(yàn)成功，讓團(tuán)隊(duì)信心大增。2021年4月，周福寶團(tuán)隊(duì)帶著技術(shù)裝備來(lái)到唐山市。在國(guó)家礦山應(yīng)急救援開灤隊(duì)基地，有一個(gè)等比例巷道。巷道總長(zhǎng)688米，完全模擬了地下礦井的結(jié)構(gòu)形態(tài)。在這里，周福寶團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了為期近2個(gè)月的實(shí)驗(yàn)。

首次實(shí)驗(yàn)針對(duì)井下火災(zāi)展開。在長(zhǎng)16.5米、斷面積3.96平方米的正梯形獨(dú)頭巷道中，科研人員使用便攜式消除劑氣載裝置消除一氧化碳。

“實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常好，可以瞬間將獨(dú)頭巷道內(nèi)的一氧化碳從1700ppm消減至345ppm。”張文明說(shuō)。

隨后，團(tuán)隊(duì)又在全尺寸巷道中進(jìn)行甲烷爆炸后的一氧化碳產(chǎn)物消除實(shí)驗(yàn)。他們利用爆炸管道裝置進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，并在爆炸裝置出口處布置了多個(gè)消除劑粉棚，模擬爆炸后的沖擊波，由沖擊波引發(fā)一氧化碳消除實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，每立方米100克的消除劑可瞬間將一氧化碳從2178ppm消減至649ppm。

陳小雨介紹，他們已經(jīng)針對(duì)礦井爆炸環(huán)境，設(shè)計(jì)出自動(dòng)釋放的粉棚，例如每隔2米布置1個(gè)一氧化碳消除劑粉棚，裝有2公斤消除劑，瞬間可將爆炸源處一氧化碳濃度降至1500ppm以下，5分鐘內(nèi)受災(zāi)區(qū)域一氧化碳濃度降至500ppm。

同時(shí)，也可以使用便攜式手動(dòng)氣載裝置人工噴灑消除劑。5分鐘內(nèi)就可將受災(zāi)區(qū)間一氧化碳濃度降至1000ppm，30分鐘內(nèi)使環(huán)境中一氧化碳降至200ppm。

“所有井下的爆炸、火災(zāi)，致死的最大因素就是一氧化碳。這個(gè)課題瞄準(zhǔn)的就是一氧化碳的消除，抓住了它的產(chǎn)生機(jī)理、現(xiàn)場(chǎng)使用等方向。這個(gè)課題與我們救護(hù)的實(shí)際情況相符，希望我們能合作研究出更多符合實(shí)際應(yīng)用的成果。”國(guó)家安全生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心原常務(wù)副主任王志堅(jiān)說(shuō)，“研究成果不僅可以立足于煤礦，還可以運(yùn)用于公共安全領(lǐng)域，對(duì)于鐵路隧道、地鐵、高層建筑等受限空間，它的應(yīng)用前景非常大。”(記者 張曄)

關(guān)鍵詞： 微米級(jí)金屬氧化物 金屬氧化物顆粒 一氧化碳 氧氣