藉助微米級小顆粒，礦井一氧化碳被大量“降服”

科技日報記者 張曄

在封閉的地下巷道，一堆木炭被點燃，看不見摸不著的一氧化碳隨著跳動的火焰悄然擴散。

1000 ppm，1500 ppm，1700 ppm……監測儀器上讀數快速上升，巷道的一氧化碳的濃度已經足以讓人在幾十分鐘內死亡。

在國家礦山應急救援開灤隊的等比例巷道中，一場前所未有的井下一氧化碳捕捉與消除實驗正在緊張地進行之中。數天後，一場引燃甲烷模擬井下瓦斯爆炸的實驗再次上演，試驗目的仍然是消除高濃度的一氧化碳。

記者7月初從中國礦業大學副校長、周福寶教授團隊獲得的實驗資料表明，基於化學催化原理，他們首創一氧化碳主動同步處置方法，透過釋放消除劑粉體形成“超細塵雲”，捕捉空氣中的一氧化碳，並將其迅速轉化為無害化產物。

在地下礦井、城市高樓、工廠車間、船舶機艙等受限空間裡，一旦發生爆炸或者火災，就會積聚大量一氧化碳，往往會比開放空間同類事故造成更大的人員傷亡。該方法有助於短時間內將一氧化碳濃度降低到安全區間，為救援逃生爭取時間。

在等比例巷道中進行火災場景一氧化碳主動同步處置實驗

爆炸火災後的致命元兇

受限空間是指封閉或半封閉，進出口狹窄受限，自然通風不良的空間，高層建築、煤礦井下、地鐵隧道、機艙船艙等都是受限空間。

受限空間如果發生爆炸或者火災，由於往往會比開放空間造成更大的人員傷亡。

2020年12月4日，重慶永川區吊水洞煤礦因違規動火引發火災造成23人死亡；2019年7月1日，俄羅斯一艘深海潛艇發生火災事故，14名軍人，包括7名上校和2名俄羅斯國家英雄遇難；2017年5月2日，貴州省七扇巖隧道施工時發生瓦斯突湧爆炸，造成12名作業人員遇難……

為什麼受限空間的火災、爆炸事故會造成如此多的傷亡？

在火災爆炸事故，往往會產生大量一氧化碳，濃度可達幾千到幾萬ppm。現場人員吸入後，一氧化碳與血紅蛋白的親合力比氧氣高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12800ppm時，人在1-3分鐘內就會死去，達3200ppm時會25-30分鐘死亡，達800ppm則可能在2-3小時死亡。”團隊成員陳小雨副教授說。

近年來，隨著城市建設和能源轉型，礦井事故死亡人數逐年下降，但高樓、車間、船舶、機艙等受限空間發生火災爆炸事故的比例迅速上升，一氧化碳中毒風險正在從高危崗位向普通百姓擴散。

國家礦山應急救援開灤隊總工程師張文明表示，災害發生後，如果不能快速降低一氧化碳的濃度，後續的救援措施往往無法達到預期效果。目前，煤礦井下應對火災、爆炸而設定水棚、巖粉棚和乾粉棚等方法，對於一氧化碳束手無策。

如何在受限空間內快速消除一氧化碳，已成為全球範圍內應急救援的重要課題。

在等比例巷道中進行火災場景一氧化碳主動同步處置實驗

微米級金屬氧化物大量消除一氧化碳

2015年，周福寶教授提出一種新思路：用特殊物質吸附一氧化碳，並將其轉變為其它物質，達到降解、消除的目的。

“我們前前後後試驗了十幾種物質，經過幾年反覆實驗，最終找到一種過渡金屬氧化物，並把它設計製成具有較大表面孔隙率的微米級顆粒。”陳小雨告訴科技日報記者。

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，1g金屬氧化物，表面積可達成百上千平方米。這種佈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，使其轉化為無害化產物。為了物盡其用，科研人員對這種金屬氧化物進行改性處理，使之吸附效率大大提高。

“這種金屬氧化物本身是惰性的，不易與其它物質發生反應，在空氣中遇明火不會爆炸，因此儲存起來也比較容易，與乾粉滅火器差不多。”陳小雨說道。

周福寶團隊首先進行了20升爆炸球實驗，驗證了一氧化碳主動同步處置方法技術對瓦斯爆炸和瓦斯煤塵混合爆炸後CO消除的有效性。隨後自主設計了毒氣消除實驗箱體，研究了環境溫度、消除劑濃度、一氧化碳初始濃度等因素對消除效果影響的規律，獲得了主動同步一氧化碳處置技術的最佳應用指標。

2021年初，在江蘇省城市地下空間火災防護高校重點實驗室的管廊實驗系統內，團隊利用混凝土管廊，首次模擬了主動同步一氧化碳處置技術在受限空間火災中的消除效率。他們在全長11。5米、內徑1。5米、外徑1。8米的管廊模型中，燃燒一定量木炭，產生一氧化碳。待一氧化碳均勻擴散到整個空間後，向管廊內噴灑消除劑。

在火焰熄滅後的第6分鐘，噴入了消除劑。3分鐘內，一氧化碳濃度從1200ppm下降至700ppm左右，並維持較長時間。

同時，他們還研發了行動式消除劑氣載裝置，能夠迅速將消除劑粉體噴灑在災害環境中。由於這種粉體粒徑足夠小， 在空氣懸浮時間達40分鐘以上，能主動捕獲煙氣中的一氧化碳，使其吸附在消除劑表面而被快速轉化。

王志傑主任對一氧化碳氣載裝置評價高

應急救援應用前景廣泛

小尺度實驗成功，讓團隊信心大增。2021年4月，周福寶團隊帶著技術裝備來到唐山市。在國家礦山應急救援開灤隊基地，這裡有一個等比例巷道。巷道總長688米，完全模擬了地下礦井的結構形態。在這裡，周福寶團隊進行了為期近2個月的實驗。

首次實驗針對井下火災展開，在長16。5米、斷面積3。96平方米的正梯形獨頭巷道中，他們使用行動式消除劑氣載裝置消除一氧化碳。

“實驗結果非常好，可以瞬間將獨頭巷道內的一氧化碳從1700百萬分比濃度消減至345百萬分比濃度。”張文明說。

隨後，團隊又在全尺寸巷道中進行甲烷爆炸後的一氧化碳產物消除實驗。他們利用爆炸管道裝置進行爆炸實驗，並在爆炸裝置出口處佈置了多個消除劑粉棚，模擬爆炸後的衝擊波，由衝擊波觸發引發一氧化碳消除實驗。結果顯示，每立方米100克的消除劑可瞬間將一氧化碳從2178百萬分比濃度消減至649百萬分比濃度。

陳小雨介紹，他們已經針對礦井爆炸環境，設計出自動釋放的粉棚，例如每隔2米佈置1個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分鐘內受災區域一氧化碳濃度降至500ppm。

同時，也可以使用行動式手動氣載裝置人工噴灑消除劑。5分鐘內就可將受災區間一氧化碳濃度降至1000ppm，30分鐘內使環境中一氧化碳降至200ppm。

“所有井下的爆炸、火災，致死的最大因素就是一氧化碳。這個課題瞄準的就是一氧化碳的消除，抓住了它的產生機理、現場使用等方向。這個課題與我們救護的實際情況相符，希望我們能合作研究出更多符合實際應用的成果。” 國家安全生產應急救援指揮中心原常務副主任王志堅說，“我們不只可以立足於煤礦，還可以運用於公共安全，對於鐵路隧道、地鐵、高層建築等受限空間，它的應用前景非常大。”