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蛋白泡沫通过稻蛋白水解物（HRP）和硫酸亚铁（FeSO4）制备，并研究茶多酚（TP）、氯化镁（MgCl2）、尿素和抗坏血酸（VC）对泡沫性能及煤自燃抑制的影响。结果表明TP和尿素改性泡沫的润湿性及稳定性最佳，可降低煤特性温度15.26%-9.28%，减少热释放8.96%-9.7%。为矿井高效环保蛋白泡沫材料应用提供理论支撑。
Youjie Sheng|Xiaofeng Li|Xinli Fan|Li Ma|Yang Li|Yanxin Lu
西安科技大学安全科学与工程学院，中国710054
摘要
本研究使用水解大米蛋白（HRP）作为发泡剂，FeSO4作为泡沫稳定剂，分别加入了四种抑制剂：茶多酚（TP）、MgCl2、尿素和抗坏血酸（VC），制备了蛋白质泡沫。系统评估了这些蛋白质泡沫的发泡性、润湿性、稳定性和流变性能，并研究了它们对煤炭氧化过程中的特征温度、燃烧性能参数和热量释放的影响。结果表明，只有尿素改性的泡沫体系的发泡性略有提高；TP改性和尿素改性体系表现出优异的润湿性和泡沫稳定性，TP改性泡沫的液体排出时间可延迟至2小时；而MgCl2改性和VC改性体系的润湿性和泡沫稳定性较差。所有泡沫均为假塑性非牛顿流体，表现出非线性粘弹性特性。尿素改性和TP改性的蛋白质泡沫能够显著提高煤炭的特征温度（T1 ~ T4），并降低燃烧性能参数，分别使煤炭的最大重量损失率降低了15.26%和9.28%，热量释放减少了8.96%和9.7%。尽管由于添加了抑制剂，MgCl2改性和VC改性蛋白质泡沫的整体热量释放有所降低，但它们抑制煤炭自燃氧化的能力较弱。本研究为调节性能和应用高效蛋白质基防火灭火材料在煤矿中提供了理论支持。
引言
作为中国能源安全的基石，煤炭资源在发电和钢铁等基础产业中具有不可替代的刚性需求。然而，煤炭自燃（CSC）灾害已成为阻碍矿产资源可持续发展的核心瓶颈[1]，[2]。作为煤矿开采中的核心灾害之一，CSC不仅导致大量煤炭资源损失，还会释放大量有害气体，严重危及人员安全和生产秩序。这与中国的“双碳”战略目标相矛盾，使得CSC的预防和控制在平衡“效率、安全和环境”方面面临严峻挑战[3]，[4]，[5]。为了解决地下CSC问题，全球研究人员开发了多种防火灭火技术[6]，[7]，包括灌浆[8]，[9]，[10]、惰性气体注入[11]、抑制剂[12]，[13]，[14]和胶体[15]。尽管这些技术在特定场景下有效，但仍然无法满足覆盖高位火源、密封复杂裂缝和在大空间内提供长期预防的工程需求[16]。
为了克服传统防火灭火材料的局限性，研究人员开发了一系列基于泡沫的替代品，包括抑制剂泡沫[17]，[18]，[19]、三相泡沫[20]，[21]，[22]，[23]、凝胶泡沫[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]以及有机/无机固化泡沫[30]，[31]，[32]。矿用灭火泡沫具有高流动性、广扩散范围和强积聚能力，可以有效在采空区扩散并形成连续覆盖层，从而解决上述工程挑战。然而，随着煤矿开采深度的增加，地下条件变得更加复杂，现有泡沫材料在稳定性和流动性方面存在明显缺陷。具体来说，凝胶泡沫需要大量有机材料且成本较高；三相泡沫制备过程复杂，容易堵塞管道；无机固化泡沫消耗大量水分，而有机固化泡沫可能产生废水和废气。因此，迫切需要开发一种新型、高效且环保的矿用泡沫系统。
蛋白质泡沫因其优异的保水性能、高稳定性、良好的发泡性、简单的生产过程、低水质要求以及低粘度（便于泵送）而受到全球研究人员的广泛关注[33]，[34]，[35]，[36]，[37]。研究人员对蛋白质-表面活性剂[38]，[39]，[40]和蛋白质-多糖[41]，[42]，[43]复合物的协同稳定机制进行了系统研究。他们发现蛋白质在气液界面吸附并形成稳定的骨架结构，使蛋白质泡沫具有比传统泡沫更长的稳定性。在灭火性能方面，针对典型场景（如柴油池火灾和液体储罐火灾）的研究表明，蛋白质泡沫具有良好的热稳定性、快速油面扩散能力以及优异的冷却、灭火和防复燃性能[39]，[44]。此外，成熟的蛋白质泡沫配方具有良好的生物降解性和低环境毒性，符合绿色环保的要求[45]，[46]，[47]，[48]。然而，迄今为止开发的大多数高性能蛋白质泡沫配方主要针对典型的液体防火控制或食品行业，针对煤矿应用的蛋白质泡沫材料的研究有限。因此，将蛋白质泡沫（一种高性能材料）创新应用于煤矿防火控制具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
本研究使用水解大米蛋白（HRP）作为发泡剂，硫酸亚铁（FeSO4）作为泡沫稳定剂，开发了一种高稳定性蛋白质泡沫体系。分别加入化学抑制剂（TP、VC）、物理抑制剂（MgCl2）和物理化学混合抑制剂（尿素），系统研究了它们对蛋白质混合液性质、泡沫特性和抑制行为的影响，并阐明了不同抑制剂与蛋白质泡沫之间的相互作用机制。本研究为建立抑制剂类型/浓度与蛋白质泡沫性能之间的定量关系模型以及改进蛋白质泡沫材料性能调节的理论框架提供了重要的参考价值和指导意义。
材料制备
本实验使用的材料包括：水解大米蛋白（HRP），这是一种淡黄色的环保发泡剂，蛋白质含量为64.8 wt%，购自河南新乡亿盛有限公司。HRP富含疏水性氨基酸（如苯丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸）。这些氨基酸可以与金属阳离子配位形成部分可湿性颗粒，这种两亲复合物稳定了气液界面[39]。FeSO4·7H2O，
不同抑制剂对混合液性质的影响
图4(a)显示了混合液的初始发泡体积。添加特定浓度的TP、MgCl2和VC都会降低发泡性，而仅B-尿素略微提高了发泡性。为了进一步研究其背后的机制，通过动态表面张力测量分析了每种样品在气液界面的吸附动力学（图4(b)）。所有样品的动态表面张力随时间降低，同时系统的表面活性也逐渐
结论
本研究制备了一种高稳定性蛋白质泡沫，并系统研究了其混合液的物理化学性质、泡沫稳定性、流变性能和CSC抑制效果。主要结论如下：
(1)不同抑制剂对蛋白质泡沫混合液的性质调节作用明显不同。尿素提高了蛋白质泡沫的发泡性，而TP、MgCl2和VC则降低了其发泡性。在这些抑制剂中，TP和MgCl2
作者贡献声明
Youjie Sheng：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源协调、方法论、资金获取、正式分析、概念构思。Xiaofeng Li：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、调查、正式分析、数据管理。Xinli Fan：可视化、验证、正式分析、数据管理。Li Ma：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理。Yang Li：撰写 – 审稿与编辑、可视化、正式分析。Yanxin Lu：可视化，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52374229）的支持。
