CC BY
14Исаева Л. К., Кармес А. П., Пряничников А. В., Храмцов С. П.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ И ЛИКВИДАЦИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
В статье рассмотрено применение паро-капельной смеси, называемой температурно-активированной водой (ТАВ) в качестве огнетуша-щего вещества. Показано, что по экологическим показателям ТАВ более безопасна, чем вода из водопровода или поверхностных водоёмов, используемая при тушении пожаров.
Ключевые слова: тушение пожара, темпе-ратурно-активированная вода, экологическая безопасность, токсичность продуктов горения.
В Академии Государственной противопожарной службы МЧС России была создана теплоэнергетическая установка для тушения пожаров парокапельной смесью, названной «температурно-активированной водой» -ТАВ. Авторы технологии ТАВ - Владимир Роенко и Виктор Пряничников [1]. ТАВ создают в специальном прямоточном водотрубном теплообменнике при избыточном давлении от 15,8 до 98,7 атм с помощью дизельной горелки. Вода нагревается до температуры 160-280 °С и подаётся к специальным стволам-распылителям, на выходе из которых перегретая вода при взрывном вскипании образует струю парокапельной смеси [2]. По своим свойствам ТАВ близка к туману (взвесь мелких капель воды в воздухе, где их число составляет примерно 500 ед/л), и вес её в литре воздуха может составлять от долей до нескольких граммов. Во взвешенном состоянии капли могут находиться в воздухе при скорости восходящих потоков 0,6 м/с [3].
Использование ТАВ для тушения пожаров и ликвидации ЧС доказало её эффективность. По некоторым экологическим параметрам тушение пожаров ТАВ однозначно имеет преимущества перед другими способами использования воды и составов на её основе: сокращается время тушения и расход воды, а излишне пролитая вода не причиняет вреда объектам тушения.
Вместе с тем до сих пор не изучены вопросы о том, какие физико-химические процессы происходят между ТАВ и продуктами горения, какова их концентрация в парокапельной смеси. Также неизвестно, во сколько раз и какие токсиканты могут превышать приемлемые ингаляционные дозы (ЬЭ50) и концентрации (ПДКСС и ПДКМР) продуктов горения в атмосферном воздухе, как изменяется их концентрация продуктов горения вокруг очага пожара во времени и пространстве.
Выявление этих закономерностей является необходимым условием обеспечения экологической безопасности в зоне действия пожара и отвечает мерам, рекомендованным Всемирной организацией здравоохранения по оценке качества воздуха на урбанизированных территориях.
Состав продуктов горения зависит от условий горения, элементного и молекулярного состава горючего. При пожаре наибольшая часть образующихся химических соединений состоит из диоксида и оксида углерода, не полностью окисленных предельных углеводородов (кислоты, спирты, альдегиды и др.). Кроме
того, в продуктах горения присутствуют гетероатомные углеводороды, в том числе непредельные углеводороды бензольного ряда (фенолы, кислоты) и полиароматические углеводороды (ПАУ). Их молекулы помимо прочего содержат кислород, азот, серу, хлор, металлы, состоят из углеводородных цепей и функциональных гидрофильных групп: (карбоксильные (СООН), гидроксильные (ОН), аминные ^И2) и другие). Соединения, содержащие эти полярные группы, хотя и ограниченно, но растворимы в воде за счёт образования водородных связей.
В таблице 1 приведён выборочный состав наиболее опасных продуктов горения нефти, а в таблице 2 - состав продуктов горения, поступающий в воздух при пожарах в жилых помещениях [4, 5].
Анализ состава продуктов горения показывает, что большинство из них
присутствует в воздухе в концентрациях больших, чем ПДК. Некоторые соединения обладают канцерогенным эффектом
Таблица 2
содержание некоторых токсичных
продуктов горения в воздухе помещений при пожарах
Таблица 1
состав наиболее токсичных продуктов горения нефти
Загрязнитель Концентрация, мг/м3
Фактическая ПДКСС
Аэрозоль 20 -10-3 0,05
Диоксид углерода 10 000 9 000
Оксид углерода 32 3
Диоксид серы 2,8 0,05
Формальдегид 30 -10-3 0,003
Ацетальдегид 43,8 -10-3 0,01
Акролеин 23,2 -10-3 0,03
Другие альдегиды, всего 100 -10-3 -
Бензол 2610-3 0,1
Толуол 8510-3 0,6
Стирол 5 -10-3 0,002
БаП 0,6 -10-3 1-10-6
Другие ПАУ, всего 10 -10-3 1-10-6
Диоксины 0,03 -10-9 0,5 -10-9
Дибензофураны 0,06 -10-9 0,5 -10-9
Концентрация, мг/м3
Токсикант Средняя на пожаре (Фф) ПДКсс ЬС 50
СО2 1,6-105 916 2-105
СО 22-103 1 3 -103
СН3ОН 0,7-103 0,5 5-105
СН3СООН 0,3 -103 0,06 -
(СН3)2СО 1-103 0,35 2,4 -103
НСНО 0,1 -103 0,003 (1 —2) -102
СН2СНСНО 0,3 -103 0,3 (0,5-1)-102
ИСЫ 0,5-103 0,01 (1,5-2)-102
0,3 -103 0,04 2,4 -102
СИ3СИО 3 -103 0,01 -
С6И6 3,3 -103 0,1 8-102
С6И5СИ3 1,1 -103 0,6 5,6 -102
С6И5СИСИ2 1-103 0,002 4,2 -102
ПАУ (по пирену) 5,6-103 0,03 -
ИС1 14-103 0,2 1,5 -103
СИ3СЫ 0,04 -103 0,03 15
С6Н4(ЫСО)2 (ТДИ) 0,016 -103 0,02 -
СН2СНС1 0,026-103 0,005 (ОБУВ) -
С20Н12 (БаП) 9-10-2 1-10-6 -
Тетрахлордиоксины (по ТХДД - С12Н4С14О2) 9-10-6 0,5 пг/м3* -
Тетрахлордибензо-фураны 0,5 -10-6 0,5 пг/м3 -
Са 13,5 -10-3 0,001 0,5
БО2 1-103 0,5 6-103
И8 8 0,003 -
Сажа 9,6-103 0,05 -
Примечание:
* пг (пикограмм) - 10-9 миллиграмма (одна триллионная часть грамма)
Таблица 3
растворимость кислорода и диоксида углерода (мг/л) при разной температуре воды
Температура воды, °С 0 10 20 30 40 50 60 80
мг О2/л Н2О 14,6 11,3 9,1 7,5 6,5 5,6 4,8 2,9
мг СО2/л Н2О 3,37 2,36 1,72 1,32 1,05 0,87 0,72 0,55
(например, бензол, диоксины, БаП). Чем значительнее запас горючего и продолжительнее пожар, тем больше образуется продуктов горения, больше размер территории, где приземный слой воздуха загрязнён до опасного уровня.
Поскольку в процессе тушения ТАВ вступает в контакт с продуктами горения, то этот процесс, по-видимому, меняет экологическую обстановку на пожаре. Характер этого взаимодействия зависит от физико-химических свойств горючих материалов, динамики пожара и в значительной степени от свойств водяной паро-капельной смеси.
Воздействие температуры и давления на воду, поступающую в теплоприём-ник, позволяет предполагать, что ТАВ обладает некоторыми свойствами, отличными от исходной воды.
Так, процесс перехода воды в область метастабильного состояния при нагреве до 160-280 °С и последующего взрывного вскипания с образованием парокапельной смеси должен сопровождаться испарением растворённых в ней газов и уменьшением их концентрации. К моменту подачи на тушение содержание кислорода и диоксида углерода в ТАВ, за счёт турбули-
Таблица 4
изменение рН воды при повышении температуры жидкости
Температура воды, °С 5 20 25 60 100
Значение рН 7,37 7,08 7,00 6,50 6,12
зации и воздействия температуры, предположительно уменьшится на порядок величины, что согласуется с данными, приведёнными в таблице 3 [6].
Снижение концентрации диоксида углерода и изменение других параметров воды и парокапельной смеси, которые могут оказывать влияние на способность поглощения продуктов горения, сопровождается уменьшением кислотности воды, характеризуемой значением рН.
В обычных водах рН, как правило, находится в интервале 5,5-8,5 и не бывает ниже 4,5, так как её кислотность зависит от содержания диоксида углерода и других газов, гуминовых и других слабых органических кислот, катионов слабых оснований (ионов аммония, железа, алюминия и органических соединений).
При высоких температурах в присутствии электролитов константа электролитической диссоциации воды повышается и одновременно возрастает концентрация ионов Н+ и ОН- [6]. Соответственно, увеличивается ионное произведение воды, а рН понижается. Зависимость рН от температуры воды представлена в таблице 4 [7].
Эксперименты показали, что у ТАВ при выходе из ствола изменилась окраска индикатора, указывающая на соответствие рН капелек воды значению 6,5. До нагрева вода имела следующие показатели: рН - 7,5; содержание НСС^ от 153 до 141 мг/л; от 6,2 до 8,7 мг/л;
общая минерализация - 330 мг/л; окис-ляемость - меньше нормы, составляющей 5 мг/л [8].
Снижение рН, по-видимому, можно объяснить тем, что в парокапельной смеси уменьшается концентрация диоксида углерода, а также солей кальция и магния, железа, алюминия, марганца (Мп2+) и тяжёлых металлов [9].
Наблюдение за поведением ТАВ в воздухе и её конденсатом показывает, что это огнетушащее средство, по сравнению с водопроводной водой и водой из водоёмов, обладает двумя свойствами: отсутствие раздражающего действия на глаза и кожу и коррозионной активности. Следовательно, ТАВ более безопасна, чем вода, поступающая в водоприёмник из водопровода или поверхностных водоёмов.
В то же время необходимо учитывать, что парокапельная смесь, имеющая значение рН = 6,5, может способствовать растворимости некоторых продуктов горения. В ней могут растворяться кислые газы (СО2, НС1, N0^, углеводороды, содержащие гидрофильные группы (СООН-, СНО-, ОН-, ЫН;; и др.), проявляющие себя в воде как слабые электролиты. По некоторым данным, эти соединения способны оказывать косвенное влияние на растворимость других продуктов горения, которые являются неэлектролитами (диоксины, БаП и др.). Это явление основано на том, что продукты горения, являющиеся электролитами (органические спирты, кислоты, амины и неорганические кислоты), образуют при растворении сольваты и связывают молекулы воды.
Таким образом, по экологическим критериям использование ТАВ для ликвидации пожаров и аварий целесообразно.
Если после контакта с токсичными продуктами горения или токсичными горючими веществами, ТАВ попадёт в организм человека, по-видимому, она также не будет представлять опасности для его здоровья. Это объяснимо тем, что концентрации многих веществ будут ниже опасных значений вследствие низкой растворимости полиароматических соединений и других вредных и токсичных веществ,
образовавшихся при горении и присутствующих в атмосферном воздухе.
Авторами предлагаются следующие основные действия по дальнейшему исследованию ТАВ в качестве экологически безопасного огнетушащего вещества:
- анализ условий изменения состава атмосферного воздуха в ближайшей к очагу пожара зоне загрязнения, если тушение пожара осуществляется с помощью ТАВ;
- определение безопасности ТАВ как аэрозольной системы, в которой находятся токсичные химические соединения и которые легко проникают в организм человека из-за содержания частиц диаметром менее 10 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Роенко В. В. Уникальные свойства темпе-ратурно-активированной воды // Пожарное дело. -2009. - № 4. - С. 20-22.
2. Храмцов С. П. Практический метод расчёта энергетической системы подачи температурно-активированной воды от теплоэнергетической установки для тушения пожаров // Энергосбережение и водоподготовка. - 2011. - № 3. - С. 61-65.
3. Арабаджи В. Туманы планеты [Электронный ресурс] // Интернет-журнал Meteoweb.ru. Режим доступа: http://meteoweb.ru/phen033.php
4. Atlas E, Donnelly К, Kirby C, Giam C. S. Chemical and biological characterization of emissions from fireperson training facility // American Industrial Hygiene Association Journal. - 1985. - № 9. - pp. 532-540.
5. Исаева Л. К. Экологические последствия пожаров: дис. ... д-ра техн. наук. - М.: Академия ГПС МВД России, 2001.
6. Дегазация воды [Электронный ресурс] // Компания «AFURA»: [сайт]. Режим доступа: http://www.afura.ru/methods2.php
7. Харитонов Ю. Я. Аналитическая химия (аналитика). Кн. 1. - М.: Высшая школа, 2001.
8. Примеси природных вод и технологические показатели качества воды [Электронный ресурс] // Водоподготовка. Химико-технологические процессы на ТЭС [сайт]. Режим доступа: http://berg.k66.ru/noname14.html
9. Экспериментальные данные анализа воды в Москве [Электронный ресурс] // Испытательная лаборатория «Химико-аналитический центр»: [сайт]. Режим доступа: http://analizvod.ru/ pokazateli_voda/rezultaty_analiza_vody-5_prob.html
10. РН, TDS и жесткость воды [Электронный ресурс] // Интернет-магазин «Виноград и сад»: [сайт]. Режим доступа: http://www.vinogradisad.ru/ page/page32.html
Isaeva L., Karmes A., Pryanichnikov A., Khramtsov S.
ECOLOGICAL ASPECTS OF USING TEMPERATURE-ACTIVATED WATER TO EXTINGUISH FIRES AND ELIMINATE EMERGENCIES
Purpose. Characteristics of droplet-vapor mixture called temperature-activated water (TAW) which is used to extinguish fires and eliminate emergencies are considered from the point of view of ecological safety. The object of this research is to investigate processes and conditions of interaction between TAW and products of combustion at fires and the subject of the research is to analyze the composition, physical and chemical properties of this water.
Methods. On the basis of the analysis of conditions of TAW creation and taking into consideration the known data it was indicated that droplet-vapor mixture possesses a number of properties which can affect its ability to absorb products of combustion from air. Experimental research showed that pH of droplet-vapor mixture became equal to 6,5 after heating up to 160-280 °C and subsequent explosive boiling. It indirectly testifies the concentration reduction of dissolved gases,
calcium and magnesium salt and other chemical compounds in it.
Findings. As there is practically no oxygen in temperature-activated water and pH value equals 6,5 it doesn't possess corrosivity and doesn't cause eye and skin irritation for several first hours.
Research application field. Development of ecologically safe fire extinguishing means and elimination of emergencies.
Conclusions. According to ecological indices application of TAW as an extinguishing agent is safer than water application from a water main or any surface water reservoir. The problem of quantitative indices definition of toxic products of combustion adsorbed by TAW requires further enhanced studying.
Key words: fire extinguishing, temperature-activated water, ecological safety, combustion products toxicity.
REFERENCES
1. Roenko V.V. The unique properties of temperature-activated water. Pozharnoe delo, 2009, no. 4, pp. 20-22. (in Russ.).
2. Khramtsov S.P. Practical method of calculation of the energy supply system temperature activated water from thermal power installation for extinguishing fires. Energosberezhenie i vodopodgotovka, 2011, no. 3, pp. 61-65. (in Russ.).
3. Arabadzhi V. Tumany planety [Fogs planet], available at: http://meteoweb.ru/phen033.php (accessed May 19, 2014).
4. Atlas E., Donnelly K., Kirby C., Giam C. Chemical and biological characterization of emissions from fireperson training facility. American Industrial Hygiene Association Journal, 1985, no. 9, pp. 532-540.
5. Isaeva L.K. Ekologicheskie posledstviia pozharov [Environmental consequences of fires. Dissertation]. Moscow, 2001.
6. Degazatsiia vody [Outgassing of water], available at: http://www.afura.ru/methods2.php (accessed May 19, 2014).
7. Kharitonov Yu.Ya. Analiticheskaia khimiia [Analytical Chemistry], Moscow, Vysshaia shkola Publ., 2001, book 1. 615 p.
8. Primesi prirodnykh vod i tekhnologicheskie pokazateli kachestva vody [Admixings of natural waters and technological indicators of water quality], available at: http://berg.k66.ru/ noname14.html (accessed May 19, 2014).
9. Eksperimental'nye dannye analiza vody v Moskve [Experimental data of water analysis in Moscow], available at: http://analizvod.ru/pokazateli_voda/rezultaty_analiza_vody-5_ prob.html (accessed May 19, 2014).
10. РН, TDS i zhestkost' vody [PH, TDS and hardness of water], available at: http://www.vinogradisad.ru/page/page32.html (accessed May 19, 2014).
LiUDMiLA iSAEVA
ALEKSEi Karmes
Alexander pryanichnikov
SERGEi Khramtsov
Doctor of Technical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
