Пенообразователи и поверхностно-активные вещества для тушения пожаров: классификация пенообразователей и пены

Специфика пен, используемых для тушения пожаров, заключается в первую очередь в способе их получения – образовании пены на сетках или тонких перфорированных листах. Формирование пенной структуры этим способом происходит за доли секунды, и здесь определяющими являются свойства смачивающих пленок на металлической поверхности и свободных пленок в процессе их быстрой деформации и контактного взаимодействия.

Состав пены для тушения пожаров

Важнейшим показателем, характерным для процесса образования противопожарной пены, является наличие предельного давления, под которым водный раствор подается в генератор пены. При достижении предельного давления раствора (как правило, это 5-6 атм.) происходит «срыв» процесса пенообразования и вместо пены из генератора раздельно выходят распыленный раствор и воздух. Существует критическая скорость формирования пены, превышение которой вызывает сбой процесса. Водный раствор пенообразователя должен содержать вещества, которые обеспечивают стабильность процесса пенообразования и устойчивость пены в процессе тушения пламени.

Второй характерной особенностью противопожарной пены является ее контактная устойчивость на поверхности горючих жидкостей и химических соединений, определяющая эффективность процесса тушения и способность предотвращения повторного возгорания жидкости. Сочетание специфического способа образования пены с возможностью подбора состава пенообразующей композиции позволяет ставить вопрос о направленном регулировании физико-химических свойств пены как путем изменения режима образования пены, так и варьированием рецептуры пенообразователя.

Связующим звеном при анализе процесса образования пены на сетках, механизма стабилизации и контактного разрушения пены являются электроповерхностные свойства границы раздела «углеводород – раствор ПАВ – воздух».

Для пены и системы «пена – жидкость» их значение оказалось важным практически на всех этапах существования:

• при образовании пены на сетках – в дополнительной стабилизации смачивающих и деформируемых пленок за счет возбуждения электроосмотического противотока и электростатической компоненты расклинивающего давления;
• при обезвоживании пены – в снижении скорости утончения пенной пленки и в снижении темпов нарастания капиллярного давления пенных каналов при движении пены в вертикальных трубопроводах;
• при движении и деформации пены – в снижении величины динамической компоненты капиллярного давления каналов Плато-Гиббса;
• при контактном разрушении – в обеспечении изоэлектрического состояния частиц полимера в процессе формирования разделительной пленки на границе пены с органическим растворителем; в снижении электрокинетического потенциала границы «раствор – воздух» при образовании смешанного раствора в пенных каналах при контакте пены с растворителем;
• в электрическом поле – в возбуждении электроосмотического переноса жидкости и экранировании ионами двойного электрического слоя границы «раствор – воздух» внешнего высокочастотного электрического поля.

Основная трудность при изучении пены заключается в невозможности создания ее эталонного образца, поэтому важной стороной работы является создание устройств и методов измерения физико-химических параметров пены и обеспечения контролируемых и воспроизводимых условий ее получения.

Комплекс экспериментальных исследований и теоретических обобщений процесса образования пены, принципы регулирования свойств пены с различными газами-наполнителями, обеспечение контактной устойчивости пены к полярным жидкостям и способы ее «модифицирования» в сочетании с методологией определения электроповерхностных свойств пены и пленок проверены при создании новых пенообразователей и способов тушения нефти и нефтепродуктов.

Огнетушащая эффективность пены определяется комплексом физико-химических параметров. Причем в зависимости от назначения важнейшими свойствами пены могут быть такие, как изолирующая способность, термическая устойчивость, вязкость, предельное сдвиговое напряжение, кратность, самопроизвольное растекание, пленкообразующее действие и т.д. Обеспечение этих свойств осуществляется путем выбора состава пенообразующего раствора и способа получения пены.

Что такое пенообразователь и его применение в пожаротушении

Термин «пенообразователь» относится к концентрированному водному раствору, на основе которого получают рабочий раствор пенообразователя, а не к устройству, с помощью которого получают пену. Такие устройства называют генераторами пены или пеногенераторами. Существуют пеногенераторы различных типов, например эжекционного типа, с принудительной подачей воздуха, барботажные и т.д.

По мере развития промышленности возникали новые требования к качеству пены, что вело к синхронному совершенствованию состава пенообразователя и созданию новых конструкций пеногенераторов.

В настоящее время трудно определить авторство на конкретные виды генераторов пены, поскольку приблизительно одинаковые конструкции производятся различными компаниями в Европе и в Америке. При анализе литературы, включая материалы рекламного характера, авторы книги указывали авторство изделия, если находили его в патентном описании компании.

Составы пенообразователей, как правило, не раскрываются фирмами-производителями, поэтому бывает трудно отнести их к определенному классу. В связи с этим авторы книги не могут нести ответственность за информацию, предоставляемую компаниями-производителями.

Свойство, качество и эффективность пенообразователей тесно связаны с названием фирм, которые организовали их производство. С течением времени различные фирмы – производители пенообразователей, появлявшиеся на рынке пожарной техники, распадались или меняли название.

К началу 2000 года ряд известных в области противопожарной техники компаний объединились в рамках нескольких концернов, таких как «Тайко», «Кидде», «Вильяме», а такая известная компания, как «ЗМ», покинула рынок пенообразователей для пожаротушения.

Применяемые для пожаротушения пенообразователи, называемые еще пенными концентратами, представляют собой концентрированные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ). Для получения пенообразующего раствора исходный пенный концентрат – пенообразователь разбавляют на 94-99 % водой так, чтобы содержание пенообразователя в рабочем растворе составляло не более 6 % об.

Концентрация рабочего раствора зависит от типа пенообразователя. Например, пенообразователь ПО-ЗАИ (Ива) применяется в 3 %-ной концентрации, а ПО-1Д – в 6 %-ной. Такое различие связано с природой ПАВ, на основе которых изготовлены эти пенообразователи.

Природа молекул ПАВ определяет возможность образования пены высокой кратности, необходимой для тушения пожаров в трюмах кораблей и складских помещениях.

Пенообразователи (пенные концентраты) представляют собой многокомпонентные водные растворы, в состав которых входят один или несколько видов поверхностно-активных веществ; добавки, обеспечивающие термическую и гидростатическую устойчивость пены, низкую температуру замерзания пенного концентрата; ингибиторы коррозии и вещества, обеспечивающие совместимость перечисленных выше компонентов.

Химическое строение и состав молекул ПАВ определяют характер взаимодействия пены с горючей жидкостью, что в итоге отразится на «загрязнении» (сорбции) пены горючим, на самопроизвольном растекании пены и водного раствора по углеводородам и на обеспечении контактной устойчивости пены на полярных жидкостях, таких как низкомолекулярные спирты.

Для получения пены средней кратности на генераторах эжекционного типа используются пенообразователи на углеводородной поверхностно-активной основе. Эти вещества обеспечивают высокую пенообразующую способность водного раствора, но пены на их основе обладают низкой термической устойчивостью и смешиваются с нефтью и нефтепродуктами при погружении в топливо. Пены низкой кратности на основе углеводородных ПАВ практически не применяются для тушения пожаров углеводородов, поскольку они хорошо смешиваются с нефтепродуктами и утрачивают изолирующие свойства.

Низкократные пены, полученные на основе пенообразователей с фторированными ПАВ, обладают особыми свойствами, которые обусловлены сверхнизким поверхностным натяжением рабочих растворов этих веществ. Этот эффект позволяет предотвратить смешение пены с горючим и обеспечить образование и самопроизвольное растекание водного раствора из пены по поверхности нефтепродукта в виде тонкой водной пленки.

По природе поверхностно-активной основы пенообразователи делятся на протеиновые (фторпротеиновые) и синтетические (фторсинтетические).

Отечественный ГОСТ разделяет пенообразователи на составы общего и специального назначения, причем «общего» означает широкую доступность пенообразователя по стоимости. Пенообразователи специального назначения используются для тушения полярных горючих жидкостей, таких как ацетон или этиловый спирт.

Фторсодержащие пенообразователи также относятся к группе специальных и разрабатывались, в первую очередь, как пленкообразующие и для тушения пожаров низкомолекулярных спиртов.

Производившиеся в период 70-90-х годов прошлого столетия отечественные пенообразователи, такие как ПО-1, ПО-1Д и ПО-6К, относились к категории биологически жестких, поэтому их производство прекращено. Биологически мягкие углеводородные пенообразователи типа ПО-ЗА (ПО-ЗАИ), ПО-ЗНП, «Сампо», ТЭАС (ПО-6ТС) и их аналоги выпускаются в небольших количествах. Как показала практика, они недостаточно эффективны при тушении пожаров нефтепродуктов в резервуарах.

Наиболее эффективными в этом плане являются пенообразователи на основе фторсинтетических ПАВ, пена на основе которых способна формировать водные пленки, самопроизвольно растекающиеся по нефти и нефтепродуктам. Эти пенообразователи получили общее название – водные пленкообразующие. К этой группе пенообразователей относятся отечественные составы «Подслойный» и «Мультипена» (г. Новороссийск).

Характеристика пенообразователей

Требования к пенообразователям

К фторсодержащим пенообразователям, которые используются в системе подслойного тушения пожаров, предъявляются дополнительные требования:

• Поверхностное натяжение рабочего раствора пенообразователя при 20 °С не выше 17,3 мН/м.
• Межфазное поверхностное натяжение на границе с гептаном при 20 °С не менее 2,5 мН/м.
• Сумма поверхностного и межфазного натяжений при 20 °С не более 19,8 мН/м.

Пенообразующая способность таких пенообразователей не должна зависеть от жесткости воды, использованной для приготовления рабочего раствора.

Поверхностно активные вещества пенообразователей для тушения пожаров

Пены получают из водных растворов поверхностно-активных веществ. Основное отличительное свойство этих веществ заключается в их способности самопроизвольно концентрироваться, адсорбироваться на границе раздела фаз «вода – воздух» и «вода – углеводороды».

Характерной особенностью ПАВ-пенообразователей является их способность к образованию мицелл, в которых ПАВ аккумулируются, если их концентрация превысила критическое значение, называемое критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). При появлении свободной поверхности, например при пенообразовании, молекулы ПАВ из мицелл поступают на поверхность пенных пленок. Вновь образованная поверхность пленок будет стабильной до тех пор, пока запас молекул в мицеллах не исчерпается.

ПАВ – это, как правило, вещества, синтезированные на белковой или синтетической основе, например на базе углеводородов или фторуглеродов, путем присоединения к ним гидрофильной группы, повышающей их растворимость в воде.

ПАВ снижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом и этим обеспечивают эластичность водных пленок в течение всего времени существования. Снижение поверхностного натяжения воды молекулами ПАВ достигается за счет их самопроизвольного концентрирования на поверхности. Причем молекулы ПАВ ориентируются углеводородными гидрофобными концами к воздуху, а полярным гидрофильным – к воде. Поэтому, если подойти сверху, поверхность водного раствора ПАВ представляется как углеводородная, а поверхностное натяжение углеводородов намного ниже, чем воды. В результате адсорбции поверхностное натяжение воды оказывается заметно пониженным при растворении в ней даже очень небольшого количества ПАВ.

Склонность молекул ПАВ к адсорбции объясняется их дифильным строением, т.е. в одной молекуле имеются две части, которые резко различаются по растворимости в воде: гидрофобная часть – это углеводородная цепочка и гидрофильная часть, представляющая собой солевой остаток кислоты. Такое химическое строение характерно для веществ, относящихся к группе анионных ПАВ. Другие виды ПАВ также содержат гидрофильную и гидрофобную части, но их химическое строение иное.

При растворении в воде молекулы ПАВ вытесняются из раствора на поверхность из-за плохой совместимости гидрофобной части молекул с водой. По мере увеличения концентрации и достижения некоторой предельной величины молекулы ПАВ образуют ассоциаты, называемые мицеллами, в которых гидрофильные части молекул обращены наружу, а гидрофобные – внутрь. Мицеллярные растворы являются термодинамически устойчивыми коллоидными системами. Концентрация ПАВ, при которой начинается образование мицелл, называется критической концентрацией мицеллообразования.

В зависимости от знака заряда, который приобретает поверхность при адсорбции молекул, все поверхностно-активные вещества разделяются на четыре группы:

• анионные, придающие поверхности отрицательный заряд;
• катионные, заряжающие поверхность положительно;
• неионогенные, практически не влияющие на заряд поверхности;
• амфолитные, заряжающие поверхность в зависимости от кислотности среды (рН) положительно – в кислой среде или отрицательно – в щелочной.

Такое поведение ПАВ зависит от характера диссоциации молекул. Так, анионные ПАВ диссоциируют с образованием поверхностно-активного аниона, а катионные образуют поверхностно-активный катион.

Примеры:

• анионное ПАВ – натриевая соль карбоновой кислоты;
• катионное ПАВ – четвертичная аммонийная соль;
• амфолитное ПАВ – карбоксибетаин;
• неионогенное ПАВ – оксиэтилированный бутилфенол.

Величина адсорбции молекул ПАВ на границе «раствор – воздух» определяется на основании анализа зависимости поверхностного натяжения водного раствора от концентрации ПАВ.

Предполагается, что стабильной является пенная пленка, поверхность которой покрыта плотным монослоем молекул ПАВ, поэтому максимальная поверхность, которую может стабилизировать пенообразователь, определяется концентрацией ПАВ, величиной ККМ и величиной адсорбции молекул в плотном монослое на границе раздела фаз.

Классификация пенообразователей и пен

Пенообразователи и пены различаются по химической природе поверхностно-активного вещества, способу образования, назначению, структуре.

По природе основного поверхностно-активного вещества пенообразователи делятся на:

• протеиновые (белковые);
• синтетические углеводородные;
• фторсодержащие.

По способу образования пенообразователи делятся на:

• химические (конденсационные);
• воздушно-механические;
• барботажные;
• струйные.

По назначению пенообразователи различают:

• общего назначения;
• целевого назначения;
• пленкообразующие.

По структуре пены подразделяются на высокодисперсные и грубодисперсные.

По кратности пены бывают:

• низкой кратности и пеноэмульсии;
• средней кратности;
• высокой кратности.

Типы применяемых пенообразователей и их параметры

Пенообразователи целевого назначения отличаются определенной направленностью состава. Например, образующие очень устойчивую пену, длительно не разрушающуюся на открытом воздухе. Такие пены хорошо сохраняются на поверхности потушенного бензина и нефти, препятствуя повторному воспламенению горючего. Пенообразователи являются многокомпонентными растворами, например пенообразователь «Сампо», в состав которого входят алкилсульфаты, высшие жирные спирты, карбамид, бутанол и бутилацетат.

Для тушения спиртов и водорастворимых органических соединений используют пенообразователи, в состав которых входят природные или синтетические полимеры, которые коагулируют при смешении водного раствора с растворителем. В результате коагуляции на поверхности органического растворителя образуется толстая полимерная пленка, которая
механически защищает пену от контакта с растворителем.

Широко использовалось природное высокомолекулярное соединение – альгинат натрия, который добывают из морских водорослей – ламинарий. При контакте пены со спиртом полимер коагулирует, образуя толстую полимерную пленку на поверхности спирта, которая предотвращает непосредственный контакт пены со спиртом.

К пенообразователям целевого назначения также относятся морозоустойчивые пенообразователи, которые содержат от 15 до 35 % полиэтиленгликолей. Универсальные и многоцелевые отечественные пенообразователи «Форэтол» и «Универсальный» пригодны для тушения любых горючих жидкостей, но особенно высока их эффективность при тушении метанола и этилового спирта, причем тушение происходит без существенного их разбавления водой. Пленкообразующие пенообразователи, например «Подслойный» (Новороссийск), способны самопроизвольно формировать на поверхности углеводородов водную пленку, которая предотвращает поступление паров воды
в зону горения. Этот эффект достигается за счет резкого понижения поверхностного натяжения водного раствора до величины порядка 15–18 мН/м.