关于NH4H2PO4/改性伊利石复合粉末抑制甲烷爆炸的实验研究

基于自主搭建的实验平台，以9.5%甲烷-空气混合气为研究对象，系统探究了不同质量浓度下伊利石、磷酸铵及改性复合粉末对甲烷爆炸压力、火焰形态及传播速度的影响。结果表明，添加0.16g/L NH4H2PO4/改性伊利石复合粉时，爆炸峰值压力（Pmax）和峰值压力上升速率（dP/dt）分别降低53.1%和84.7%，火焰熄灭时间达519ms（较纯甲烷提升265.49%），传播速度降低61%。通过热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）揭示了复合粉协同抑制爆炸的作用机制：改性伊利石作为载体提升分散性，NH4H2PO4快速分解产生非燃烧气体（如NH3、H2O）稀释可燃气氛，同时形成物理化学双重屏障阻断自由基链式反应。

杨克|刘静|李乐凯|季红|邢志翔|蒋俊成

常州市大学安全科学与工程学院，江苏常州213164，中国

摘要

甲烷意外爆炸事故不仅对工业过程的安全构成严重威胁，还会由于过量碳排放和温室效应导致严重的环境污染。因此，在本文中，通过自建的实验平台，使用9.5%的甲烷作为爆炸气体，研究了不同质量浓度的伊利石、NH₄H₂PO₄、改性伊利石以及NH₄H₂PO₄/改性伊利石复合粉末对甲烷爆炸压力、火焰传播形状和火焰传播速度的影响。采用热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对复合粉末的热稳定性和表面微观结构进行了分析，阐明了其抑制爆炸的机制。通过各种数据比较，发现这四种粉末均具有抑制甲烷爆炸的效果。其中，添加50%质量浓度的NH₄H₂PO₄/改性伊利石复合粉末（浓度为0.16 g/L）时，抑制效果最佳。在喷雾质量浓度为0.16 g/L时，与纯甲烷相比，Pmax和(dP/dt)max分别降低了53.1%和84.7%；达到Pmax所需的时间增加了271.4%，火焰熄灭时间延长至519 ms，增加了265.49%，而最大火焰传播速度降低了61%。NH₄H₂PO₄/改性伊利石复合粉末的添加通过化学和物理方式阻碍了火焰的传播，从而实现了甲烷爆炸的抑制效果。

引言

甲烷是天然气和煤层气的主要成分。如果甲烷泄漏并遇到点火源且未能及时得到抑制，在开采、储存、运输和使用过程中存在显著的爆炸风险（Wang等人，2024a；Wang等人，2025a；Zhao等人，2025）。此类事故不仅会造成大规模的人员伤亡和巨大的财产损失，还会破坏生态环境并影响能源供应的稳定性。近年来频繁发生的灾害事件凸显了甲烷爆炸预防和控制的紧迫性（Huang等人，2025；Li等人，2025b）。因此，开发高效且经济可行的爆炸抑制技术和新型抑制剂对于降低能源行业的安全风险、确保生产和公共安全以及促进可持续能源发展至关重要。这已成为工业安全领域的研究核心课题之一。

为了预防和控制甲烷爆炸，学者们提出了多种抑制方法，包括细水雾、惰性气体、多孔介质和粉末等（Han等人，2025；Ji等人，2023；Lei等人，2024；Li等人，2025a）。其中，粉末抑制剂因其运输、储存、成本和环保方面的优势而被广泛研究（Zhao等人，2021）。常见的爆炸抑制粉末包括NaHCO₃、Al(OH)₃、SiO₂、NH₄H₂PO₄、K₂C₂O₄等。它们主要通过蒸发和吸收热量、消除自由基以及中断化学侧链反应来发挥抑制爆炸的作用（Chen等人，2022；Shi等人，2022；Wang等人，2025b；Wang等人，2025c）。根据现有研究，传统的化学活性粉末如NaHCO₃和NH₄H₂PO₄在抑制甲烷爆炸方面具有一定的效果，但仍存在显著局限性。为了提高抑制效率，研究重点在于开发具有优异综合性能的新类型爆炸抑制材料。主要研究方向包括粉末的超细处理、改性和复合设计，同时考虑材料的经济性和环保性（Fan等人，2019；Guo等人，2024；Ni等人，2009）。

近年来，许多研究表明，当使用复合爆炸抑制材料时，会产生协同效应，其抑制效果明显优于单一材料（Cao等人，2024；Gandhi等人，2024；Wang等人，2025e）。针对甲烷爆炸，Liang等人（2024）通过机械化学技术将KHCO₃负载到改性渣体表面，制备了KHCO₃/改性渣体复合粉末，并研究了其对9.5%甲烷/空气混合物爆炸的抑制性能。结果表明，作为多孔载体的改性渣体有效改善了KHCO₃的分散性和抗吸湿性，弥补了KHCO₃容易聚集和抑制效果有限的缺点，显著提高了复合粉末在降低爆炸压力和抑制火焰传播方面的综合效果。Gao等人（2025）将氢氧化镁和硼酸锌引入干水分散体的核心溶液中，制备了复合干水分散体，并系统评估了其对甲烷爆炸的协同抑制效果。研究发现，这种复合干水分散体通过固液两相的协同作用，弥补了传统干水分散体在抑制强度和持久性方面的不足，显著降低了爆炸的峰值温度和压力，有效阻断了火焰链式反应，表现出优异的绿色高效抑制特性。上述研究表明，复合粉末具有抑制效果显著、制备工艺简单和成本低廉的优点，是抑制甲烷爆炸的理想材料。总之，改性处理可以改变粉末材料的物理和化学性质，而复合处理则实现了抑制粉末之间的协同效应。改性和复合处理是开发高效粉末爆炸抑制剂的重要途径。

在制备复合抑制剂时，要求载体具有良好的分散性、吸附性能和悬浮性能（Meng等人，2022；Wang等人，2025d；Zhang等人，2021）。伊利石粉末是一种富含钾的层状硅酸盐粘土矿物。其晶体结构由两个四面体和一个类夹心的八面体层组成，形成类似三明治的TOT形单元层结构，具有独特的层状分子结构（Wang等人，2022；Yang等人，2021）。这种结构和表面活性位点赋予了伊利石优异的改性潜力。此外，该结构还赋予了伊利石高比表面积、良好的层间剥离性和低热导率等特性，从而支持其物理爆炸抑制性能的有效发挥。

因此，本文选择原始伊利石作为原料。通过直接吸附法将DAP乙醇溶液吸附到伊利石表面，获得了氨基改性的伊利石。以改性伊利石为载体，将其与适量NH₄H₂PO₄复合混合，制备了NH₄H₂PO₄/改性伊利石复合粉末。利用自制的爆炸实验平台研究了不同组分抑制剂对甲烷-空气预混气体爆炸的抑制特性和机制，探讨了粉末质量和复合比例对抑制效果的影响，并确定了最佳复合比率和抑制浓度。

实验材料制备

实验中使用的2,6-二氨基吡啶（DAP）、无水乙醇和盐酸均为分析级试剂。伊利石的改性和复合材料的制备过程如图1所示，共分为四个步骤。

(1) 使用电子天平准确称取2.5克DAP，将其加入50毫升干燥容量瓶或玻璃瓶中，然后加入约40毫升无水乙醇。

粉末表征

为了直观观察粉末的微观结构，使用扫描电子显微镜对不同粉末进行了扫描和检测。图3展示了伊利石和NH₄H₂PO₄复合粉末的电子显微镜扫描图像。其中，图3(a)和(c)的放大倍数为5000倍，图3(b)和(d)的放大倍数为10000倍。

从图(a)可以看出，伊利石呈现出松散的层状团聚结构，含有许多层间孔隙。

爆炸抑制机制分析

基于上述分析，NH₄H₂PO₄/改性伊利石复合粉末抑制甲烷爆炸的机制如图13所示。其抑制效果可归结为吸热冷却、不可燃气体稀释、自由基捕获和物理屏障等。在爆炸反应过程中，NH₄H₂PO₄作为核心活性成分，在受热时迅速分解产生大量不可燃气体（如NH₃和H₂O）。

结论

本文通过自制的透明甲烷爆炸测试平台，以9.5%纯甲烷-空气混合物爆炸作为对照组，研究了伊利石、NH₄H₂PO₄、改性伊利石和NH₄H₂PO₄/改性伊利石复合粉末在不同加载量和不同粉末质量浓度下的抑制效果。通过对爆炸超压、火焰传播速度和抑制机制的分析，得出了主要结果。

作者贡献声明

蒋俊成：撰写 – 审稿与编辑、资源获取。邢志翔：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。刘静：撰写 – 初稿撰写、调查、数据分析、概念构思。杨克：撰写 – 审稿与编辑、资源提供、方法学设计、资金获取。季红：数据验证、监督、数据管理。李乐凯：初稿撰写、数据验证。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[51704041, 52204204, 21927815]、江苏省自然科学基金[BK20140264, BK20150269]以及常州市科技支撑计划[CE20235039]的支持。