CC BY
25
УДК 004.056:06168
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДЕГАЗИРУЮЩУЮ И ЛОКАЛИЗУЮЩУЮ
СПОСОБНОСТЬ ПЕННЫХ КОМПОЗИЦИЙ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ
В.М. Решетников
кандидат военных наук
доцент кафедры радиационной и химической защиты командно-иженерного факультета Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск
E-mail: vreshetnikov52Qmail.ru
Аннотация. В статье представлен вариант методического подхода к определению факторов, влияющих на дегазирующую и локализующую способность пенных композиций для низко-кипящих аварийно химически опасных веществ при чрезвычайных ситуациях на химически опасных объектах.
Ключевые слова: коэффициент диффузии, пенная композиция для дегазации и локализации АХОВ, дегазирующее вещество, пенообразователь, устойчивость и кратность пены. Цитирование: Решетников В.М. Факторы, влияющие на дегазирующую и локализующую способность пенных композиций при ликвидации чрезвычайных ситуаций на химически опасных объектах // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2018. № 4 (39). С. 27-32
В настоящее время существует значительное количество исследований, посвящённых вопросам применения пенных композиций для выполнения различных видов работ. В частности, пенные композиции применяются для тушения пожара, локализации проливов нефти и нефтепродуктов, маскировки вооружения и военной техники от средств наведения и поражения противника, дегазации и локализации отравляющих и аварийно химически опасных веществ. Предложенный методический подход к определению факторов, влияющих на дегазирующую и локализующую способность пенных композиций для низкокипящих аварийно химически опасных веществ (далее - АХОВ), будет способствовать дальнейшим исследованиям по определению возможных путей и направлений повышения оперативности и эффективности применения пенных композиций. В качестве управляющей переменной, влияющей на оперативность и эффективность применения пенных композиций, предлагается коэффициент диффузии.
Сократить время дегазации поверхностей, заражённых низкокипящими аварийно химически опасными веществами, возможно повы-
шением её скорости, которая находится в прямой зависимости от коэффициента диффузии (И) дегазирующих компонентов рецептуры и АХОВ.
В общем виде закон диффузии Фика можно представить формулой [1]:
Вс
дт = О—дв ■ дЪ, (1)
где дт - количество пенной композиции, диффундирующее за промежуток времени сЛ, кг;
И - коэффициент диффузии, м2/ч;
дс - концентрация (кратность) пенной композиции по высоте д1;
д1 - высота слоя пенной композиции, м;
дБ - площадь пенного покрытия (площадь 2
сЛ время диффузии, ч.
Таким образом, время дегазации или коэффициент диффузии зависят от концентрации или кратности пенной композиции, высоты её слоя, площади пенного покрытия и времени диффузии, которое в свою очередь должно быть меньше величины устойчивости пены. Рассмотрим эти составляющие.
В любом однородном веществе, газообраз-
ном или жидком, молекулы одной части вещества постоянно диффундируют в другую часть вещества; это так называемая самодиффузия. Но обычно приходится иметь дело не с самодиффузией, а с взаимной диффузией веществ. Для достижения полноты дегазации необходимо чтобы коэффициент диффузии пены в АХОВ был равен коэффициенту диффузии АХОВ в пену.
При нейтрализации АХОВ пенами на границе раздела их фаз образуется диффузионный слой, состав которого различен по ширине слоя. В центральной части и далее к границе пены слой находится в состоянии равновесия и концентрация нейтрализованного АХОВ в нем приближается к концентрации дегазирующей пенной композиции, ср. В диффузионном слое, прилегающем к заражённой поверхности, концентрация нейтрализованного вещества значительно меньше и приближается к концентрации с, ещё не прореагировавшего АХОВ. Скорость диффузии тем больше, чем больше различие в концентрациях [2]:
§ = КЗ- с),
(2)
где йс/дЛ, - скорость изменения концентрации в объёме рассматриваемой фазы;
5 - величина поверхности соприкосновения данных фаз;
К - коэффициент растворения, зависящий от коэффициента диффузии и толщины диффузионного слоя а, К = О/а\
с - концентрация разлившегося АХОВ; ср - концентрации дегазирующей пенной композиции.
Две жидкости неограниченно диффундируют друг в друга лишь в том случае, если они способны смешиваться друг с другом. Например, вода и спирт, вода и эфир, керосин и растительное масло. Но часто жидкости ограниченно смешиваются друг с другом. Вначале при их слиянии наблюдаётся диффузия, но когда некоторое количество одной жидкости растворится во второй, то диффузия приостанавливается сколько бы долго эти жидкости ни находились в соприкосновении.
Для увеличения коэффициента растворения, а значит увеличения скорости дегазации, применяют катализаторы межфазного перехо-
да. Межфазным катализом называют ускорение реакций между химическими соединениями, находящимися в различных фазах. Большинство реакций протекают в жидкой фазе. Поэтому выбор растворителя также важен, как и выбор реагентов. Как правило, органические соединения хорошо растворимы в органических растворителях, а неорганические - в воде.
Для успешного применения межфазного катализа принципиально важен правильный выбор катализатора межфазного переноса. В качестве катализаторов в системах жидкость _ ЖИдК0СТЬ используют четвертичные аммониевые, фосфониевые или арсониевые соли, а в системах жидкость - твёрдое тело - макро-циклические комплексоны: краун-полиэфиры, криптанды, а также открыто-цепные аналоги
_ ПОданьь
Дегазирующие пенные композиции являются водными растворами, поэтому в основном в исследованиях [3,4,5] выбирают, так называемый катализатор Макоши - триэтилбен-зиламмонийхлорид (далее - ТЭБАХ). Даже его незначительное количество в пенной композиции, позволяет увеличивать коэффициент растворения почти в 2 раза. Вместе с тем, увеличение содержания катализатора более 0,6% не приводит к дальнейшему повышению коэффициента растворения.
С другой стороны, для получения локализующих пенных композиций, нет необходимости увеличивать коэффициент диффузии, а наоборот, если он будет низким, т.е. диффузия АХОВ и пены будет происходить очень медленно или совсем не происходить. В этом случае, пенные композиции будут образовывать защитный экран не дегазирующий, но предотвращающий испарение АХОВ с зеркала розлива, т.е. образования вторичного облака заражённого воздуха. Это может исключить необходимость проведения дегазационных работ в полном объёме за счёт сбора АХОВ в герметичные ёмкости из-под слоя локализующей пенной композиции.
В статье под временем дегазации понимается время, необходимое дегазирующему компоненту, входящему в состав пенной композиции, для полной нейтрализации АХОВ.
При этом, для достижения полноты де-
газации, время контакта должно быть минимальным, чтобы снизить общее время на дегазацию, но в тоже время должно быть достаточным для контакта пенной композиции и АХОВ, находящегося на зараженной поверх-ноетии.
Дегазирующие (нейтрализующие) свойства пенной композиции достигаются добавлением в ее состав дегазирующих веществ химических веществ, активно взаимодействующих с АХОВ и превращающих их в нетоксичные соединения. Такие вещества подразделяются на окислительно-хлорирующих) (гипо-хлориты, хлорамины) и щелочного (едкие щелочи, сода, аммиак, аммонийные соли) действия. Для придания пенным композициям иол и дегазирующих свойств, т.е. способности нейтрализовывать АХОВ как кислотного, так и щелочного характера, необходимо вводить в состав ней соответственно щелочи и хлорамины. Как показывают исследования [6], время дегазации, при применении в пенной композиции дегазирующих веществ едкого натра и дихлорамина, сокращается при увеличении их процентного содержания. Это было бы хорошо для растворов, но не для йен, т.к. увеличение содержания едкого натра приводит к нагреванию пенной композиции до 30 °С и снижению ее устойчивости до 20 мин, что в свою очередь не обеспечивает достижения полноты дегазации. Увеличение содержания дихлорамина более 4% приводит к агрессивному воздействию
пенной композиции на резинотехнические изделия, т.е. разрушению структуры средств индивидуальной защиты органов дыхания и кожи, а также колес и резиновых частей автомобилей. Следовательно бесконтрольное количество введения дегазаторов в пенные композиции не допустимо. Например, для едкого натра и дихлорамина, содержание но весу ионной композиции составляет соответственно 2% и 4%. При применении других дегазаторов эти значения могут отличаться.
Показателем устойчивости пенной композиции может являться средний диаметр газовых пузырьков в пене. С начала образования пенной композиции в ней наблюдаются процессы старения, в результате которых пена изменяет свои свойства.
На рисунке 1 приведен продольный разрез пенного столба, опирающегося на слой АХОВ, в модели замкнутых капилляров [7]. Оптимальное соотношение верхних) и нижнего радиусов обеспечивает равномерное поступление дегазирующих компонентов к поверхности контакта пены с АХОВ, а так же устойчивость пенной композиции (рисунок 1а). По закону замкнутых капилляров, сразу после получения пены жидкость из ее верхних слоев начинает перетекать вниз покидая слой пенной композиции и переходит в диффузионный слой, создавая избыток дегазирующего вещества в нем (рисунок 16).
Рисунок 1 Продольный разрез пенного столба, опирающегося на слой аварийно химически опасного вещества, в модели замкнутых капилляров: а в момент получения пены; б после
отекания жидкости из верхних) слоя в нижние
Сохранить оптимальное соотношение радиусов, а значит увеличить устойчивость, возможно добавлением в дегазирующую пенную композицию стабилизаторов: солей поливалентных металлов, глинозема, поливинилового спирта, глицерина, эфиров целлюлозы и т.д. Например, при использовании глицерина устойчивость йены изменяется но нормальному закону, при увеличении глицерина в пенной композиции до 5% время существования йены возрастает, а при дальнейшем увеличении содержания глицерина - снижается.
Учитывая, что концентрация пенной композиции изменяется равномерно но всей высоте слоя, т.е. дс = const, то концентрацию пенной композиции целесообразно заменить на кратность пены.
Кратность пены представляет собой отношение объема пены к объему раствора, пошедших) на ее образование.
В зависимости от величины кратности пенные композиции подразделяются на следующие группы:
пеноэмульсии, К < 3; низкократные пены, 3 < К < 20; пены средней кратности, 20 < К < 200; иены высокой кратности, К > 200. Исходя из формулы 1, чем выше кратность пенной рецептуры, тем выше коэффициент диффузии и соответственно снижается время дегазации. Однако, пенные композиции высокой кратности содержат незначительное количество жидкости в единице объема, а следовательно толщина пленки жидкости вокруг воздушных пузырьков очень мала, они быстро лопаются снижая время существования пены,
необходимое для достижения полноты дегазации.
Пенные композиции низкой кратности содержат значительно большее количество жидкости в единице объема, а следовательно толщина пленки жидкости вокруг воздушных пузырьков более высокая. В таких пенных композициях идет интенсивное оседание входящих компонентов в диффузионный слой и диффузия будет проходить медленно. Одновременно идет увеличение размеров пузырьков и возможен прорыв паров АХОВ через слой пены, что не обеспечивает полноту дегазации (рисунок 2).
Снижение скорости диффузии имеет положительный эффект для пенных композиций, предназначенных для постановки пенных экранов. В этом случае наиболее важно не химическое взаимодействие пены и АХОВ, а создание экрана, препятствующего распространению облака зараженного воздуха. Следовательно, для локализации пролива АХОВ целесообразно применять пенные композиции низкой кратности.
Пенные композиции средней кратности имеют оптимальные значения но размерам пузырьков и толщине плёнки жидкости вокруг них, что обеспечивает с одной стороны устойчивость пенной композиции, а, с другой стороны, способность в диффузионном слое отрывать молекулы АХОВ и удерживать их в плёнке жидкости между пузырьками газа при дегазации. Таким образом, для дегазации целесообразно применять пенные композиции средней кратности.
Рисунок 2 Схема прорыва паров аварийно химически опасных веществ через слой пены: а разрушение плёнки пузырька пены, соприкасающегося с поверхностью жидкости; б увеличение объёма пузырька пены; в прорыв паров
При получении пенных композиций определённой кратности имеются различные пенообразователи. Для дегазирующих пенных композиций можно применять наиболее распространённый в производстве пенообразователь ПО-РЗА.
Для локализации проливов АХОВ можно использовать этот же пенообразователь, но учитывая, что такие пенные композиции должны быть низкой кратности, то количество пенообразователя уменьшается примерно в 4 раза. В настоящее время применяются локализующие пенные композиции на основе карбамидоформальдегидной смолы для получения твердеющей пены.
При этом необходимо учитывать, что процессы формирования локализующих пенных композиций сопровождаются реакциями поликонденсации водного раствора карбамидоформальдегидной смолы с получением пенопла-стов. Этот процесс начинается с момента соединения смолы с отвердителем кислой среды - ортофосфорной кислотой.
Как было указано выше, чем ниже коэффициент диффузии, а следовательно меньше взаимодействие с АХОВ, тем лучше для локализующей пенной композиции. Такая пена должна обладать не только устойчивостью, но и химической стойкостью к АХОВ. Коэффициент диффузии уже не может быть основной переменной для таких пенных композиций, а лишь одной из них, причём он должен стремиться к нулю. Время защитного действия в этом случае будет являться функцией от нескольких переменных:
Т3 = / (Б,3,С,1,к), (3)
где Б - коэффициент диффузии, м2/ч;
д _ площадь пенного покрытия (площадь 2
С - концентрация (кратность) пенной композиции;
1 - высота слоя пенной композиции, м;
к - стабильность локализующей пенной композиции.
В свою очередь, стабильность локализующей пенной композиции будет зависеть от: времени её отверждения, химической стойкости и механических свойств затвердевшей пенной композиции.
Для предотвращения затвердевания пенной композиции в элементах пеногенератора, компоненты при приготовлении разделяют на две ёмкости: в одной - карбамидоформальде-гидная смола в смеси с водой, в другой - вода, пенообразователь, глицерин и ортофосфорная кислота. Ортофосфорная кислота способствует получению стабильной пены и придаёт пенопласту дополнительные огнезащитные свойства. Глицерин придаёт необходимую устойчивость пенной композиции до её затвердевания, а пенообразователь - требуемую кратность. Безусловно, для локализующей пенной композиции нет необходимости введения дегазирующих компонентов.
В статье приведены методические подходы к определению факторов, влияющих на дегазирующую и локализующую способность пенных композиций. Это даёт возможность проведения дальнейших исследований по повышению эффективности и оперативности применения пенных композиций путём варьирования составляющими компонентами и их процентным содержанием.
Литература
1. Рудобашта С.П., Карташов Э.М. Диффузия в химико-технологических процессах. - 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: КолосС, 2009. - 478 с.
2. Межфазный катализ: Химия , катализаторы и применение. Ред. Ч.М. Старке. М.: Химия, 1991, 157 с.
3. Решетников В.М., Аржанухин И.О. Применение защитных пенных экранов при локализации проливов АХОВ. Материалы XXIV Международной конференции. «Предупреждение. Спасение. Помощь». - Химки: АГЗ МЧС России, 2014. Секция 5. С.226-231.
4. Решетников В.М., Аржанухин И.О. Пути снижения экологического воздействия на население и территории при авариях на ХОО // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2014. №2(21). С.24-28.
5. Разработка пенообразуюгцих рецептур для применения в составе многоцелевого комплекса технических средств при локализации аварийных проливов химически опасных веществ с применением
твердеющих пенных покрытий: отчёт о НИР. Шифр «Пепа-АХОВ-НЦ» Руководитель Гришкевич А.А..-М. 2014-113с. - Голипад П.Н., Завьялова Н.В., Ефременко Е.Н. и др.
6. Решетников В.М., Аржанухин И.О. Поиск оптимального соотношения между компонентами для получения пенной дегазирующей рецептуры / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2015. № 3 (26). С. 59-64.
7. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. — М.: Химия, 1983. - 264 с.
THE FACTORS INFLUENCING DEGASSING AND THE CONFINING ABILITY OF
THE FOAM COMPOSITIONS
Vasiliy RESHETNIKOV
Candidate of Military Sciences
Associate Professor of the Department of Radiation and
Chemical Protection of the Faculty of Command and
Engineering
Academy of Civil Protection EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md.
Novogorsk
E-mail: vreshetnikov52Qmail.ru
Abstract. The article presents the variant of a methodological approach to the determination of the factors influencing degassing and the confining ability of the foam to compositions of low-boiling hazardous chemical substances in case of emergencies on chemically hazardous objects. Keywords: diffusion coefficient, foam composition for degassing and localization of ACS, degassing agent, foaming agent, foam stability and multiplicity.
Citation: Reshetnikov V. M. The factors influencing degassing and the confining ability of the foam compositions // Scientific and educational problems of civil protection. 2018. No. 4 (39). pp. 27-32
References
1. Rudobashta S.P., Kartashov E.M. Diffuziya v khimiko-tekhnologicheskikh protsessakh. - 2-ye izd., pererab. i dop. - M.: KolosS, 2009. - 478 s.
2. Mezhfaznyy kataliz: Khimiya , katalizatory i primeneniye. Red. CH.M. Starks. M.: Khimiya, 1991, 157 s.
3. Reshetnikov V.M., Arzhanukhin I.O. Primeneniye zashchitnykh pennykh ekranov pri lokalizatsii prolivov AKHOV. Materialy XXIV Mezhdunarodnoy konferentsii. «Preduprezhdeniye. Spaseniye. Pomoshch'». -Khimki: AGZ MCHS Rossii, 2014. Sektsiya 5. S.226-231.
4. Reshetnikov V.M., Arzhanukhin I.O. Puti snizheniya ekologicheskogo vozdeystviya na naseleniye i territorii pri avariyakh na KHOO (stat'ya). Zhurnal «Nauchnyye i obrazovatel'nyye problemy grazhdanskoy zashchity» (VAK). -Khimki.: AGZ MCHS Rossii, 2014. №2. S.24-28.
5. Razrabotka penoobrazuyushchikh retseptur dlya primeneniya v sostave mnogotselevogo kompleksa tekhnicheskikh sredstv pri lokalizatsii avariynykh prolivov khimicheski opasnykh veshchestv s primeneniyem tverdeyushchikh pennykh pokrytiy: otchet о NIR. Shifr «Pena-AKHOV-NTS» Rukovoditel' Grishkevich A.A..-M. 2014-113s. - Golipad P.N., Zav'yalova N.V., Yefremenko Ye.N. i dr.
6. Reshetnikov V.M., Arzhanukhin I.O. Poisk optimal'nogo sootnosheniya mezhdu komponentami dlya polucheniya pennoy degaziruyushchey retseptury // Zhurnal «Nauchnyye i obrazovatel'nyye problemy grazhdanskoy zashchity» (VAK) 2015. №3(26). S.59-64
7. Tikhomirov V. К. Peny. Teoriya i praktika ikh polucheniya i razrusheniya. 2-ye izd., pererab. — M.: Khimiya, 1983. - 264 s.
