CC BY
41
Тушение пожаров
УДК 614.842.615
ПЕНООБРАЗУЮЩИЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ТУШЕНИЯ, ИЗОЛЯЦИИ И ДЕГАЗАЦИИ ПРОЛИВОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
Андреев Александр Петрович
Герасимова Ирина Николаевна
А. П. Андреев
канд. техн. наук, доцент, Академия ГПС МЧС России
И. Н. Герасимова
старший преподаватель, Академия ГПС МЧС России
Исследованы возможности применения различных добавок пено-образующих составов для тушения, изоляции и химической дезактивации проливов экологически опасных жидкостей.
Современные техногенные катастрофы имеют,
как правило, целый ряд экологически опасных последствий. Так, аварии на химических предприятиях могут сопровождаться не только пожарами, но и попаданием токсичных веществ в окружающую среду. Применение обычных средств тушения в таких случаях может иметь нежелательные последствия. Например, после тушения пеной образуется большое количество сточных вод, зараженных токсичными элементами. Применение специальных изолирующих пен, о которых сообщалось в публикациях [1-5], предотвращает попадание токсичных веществ в воздух, но не гарантирует от проникновения их в почву и грунтовые воды.
Наиболее целесообразно для ликвидации аварий применять многоцелевые пенообразующие составы, эффективные для тушения, изоляции и дегазации проливов токсичных веществ. Для этого специальные добавки (дегазаторы, нейтрализаторы, комплексообразователи) можно вводить непосредственно в пенообразующий раствор. Добавление в пену дегазаторов повышает ее изолирующую способность.
Для разработки указанных составов необходимо показать принципиальную возможность применения того или иного поверхностно-активного вещества (ПАВ) в качестве основы для специальных пенообразующих композиций. Эта задача сводится к оценке пенообразующей способности ПАВ различных классов в присутствии специальных добавок.
В ходе работы были исследованы низкократные пены, полученные на размельчителе тканей РТ-1 из водных растворов ПАВ различной природы:
• алкилсульфат (пенообразователь "Прогресс-30");
• алкилбензолсульфонат (пенообразователь РАС);
• алкилсульфонат (пенообразователь Сульфонол НП-1);
• оксиэтилированные ПАВ (пенообразователи ОП-7, ОП-10, ОД-24);
• пенообразователь сложного состава (ПО-6 ЦТ);
• фторсинтетические пенообразователи ("Под-слойный", ПО-6 ТФ).
Пенообразующие свойства составов с добавками электролитов оценивались по кратности и устойчивости пены. Лабораторные данные проверялись в условиях полигона на табельном пожарном оборудовании.
Результаты экспериментов приведены в табл. 1. Как видно из данных табл. 1, с введением в раствор пенообразователя "Прогресс-30" серной кислоты возрастает кратность получаемых пен, но уменьшается их устойчивость. Аналогичное явление отмечалось в работе [6]. Влияние гидроксида натрия сводится к падению кратности и устойчивости пен.
Соляная и фосфорная кислоты в количестве до 10% об. практически не изменяют кратность пен на основе алкилсульфата. Фосфорная кислота не уменьшает устойчивость пен, а соляная в количестве 5% об. снижает ее на 40%.
ТАБЛИЦА 1. Пенообразующая способность пенообразова- ТАБЛИЦА 2. Устойчивость пен на основе оксиэтилирован-телей "Прогресс-30" и РАС ных ПАВ и пенообразователя Сульфонол НП-1
Концентра- Кратность пены Устойчивость пены, с
ция, % об. "Прогресс-30" РАС "Прогресс-30" РАС
Серная
кислота:
0 7 8,0 250 240
5 8 8,0 150 150
10 8 7,5 150 150
15 7 7,0 150 150
Гидроксид
натрия:
0 7 8,0 250 240
5 7 8,0 200 300
10 7 7,0 97 400
Устойчивость, с
Электролит ОП-7 ОП-10 ОД-24 Сульфонол НП-1
- 201 + 18 205 + 4 195 + 22 236 + 15
КС1 223 + 13 210 + 9 235 + 16 251 + 16
кко3 140 + 39 155 + 11 225 + 22 257 + 8
ЖС1 208 + 36 93 + 14 230 + 32 292 + 25
Си(Ш3)2 192 + 27 242 + 5 240 + 49 302 + 10
к^о4 95 + 25 93 + 4 245 + 10 257 + 43
Мп804 63 + 4 72 + 8 303 + 12 -
]^804 76 + 12 45 + 13 252 + 32 -
Си804 79 + 13 61 + 12 236 + 60 332 + 10
СаС12 - 142 + 34 257 + 42 -
М8С12 194 + 33 210 + 12 275 + 40 -
Итак, кратность пен на основе алкиларилсуль-фоната мало зависит от введения кислоты или щелочи. Устойчивость в растворе серной кислоты падает, едкого натра — заметно растет.
Щелочи неодинаковы по своему воздействию на пену. Так, введение гидроксида калия до 10% об. не вызывает ни стабилизации пены, ни уменьшения кратности и устойчивости.
Пенообразователь Сульфонол НП-1 ведет себя аналогично РАС, однако стабилизирующее действие едкого натра на пену выражено в большей степени. Устойчивость пены на основе Сульфонола НП-1 при добавке 5% об. гидроксида натрия составляет около 500 с.
Высока устойчивость пен ОП-7 в присутствии большого количества (до 15% об.) кислот — серной, соляной и фосфорной. Напротив, введение щелочи до 2% об. значительно снижает кратность и устойчивость этих пен, а при дальнейшем увеличении концентрации щелочи наступает высаливание ПАВ из раствора.
Добавка гидроксида натрия до 10% об. в раствор пенообразователя "Подслойный" снижает устойчивость пены на 20 - 30%.
Пенообразователь ПО-6 ЦТ при добавлении серной кислоты сразу теряет пенообразующие свойства, при этом не наблюдается даже начального увеличения кратности, характерного для пены на основе пенообразователя "Прогресс-30". Таким образом, добавки, введенные в ПО-6 ЦТ для повышения устойчивости, в частности высшие жирные спирты (ВЖС), в присутствии кислоты способствуют разрушению пены. Как известно, оптимальное соотношение вторичных алкилсульфатов (ВАС) и ВЖС зависит от целого ряда факторов, в частности от водородного показателя среды [7]. Увеличение кислотности приводит к переходу ВЖС из солюби-лизированного состояния в эмульсию, которая вызывает разрушение пены. Интересно отметить, что раствор ПО-6 ЦТ при добавлении кислоты мутнеет.
Пригодность пенообразователя "Подслойный" для использования в качестве основы композиций с дегазаторами оценивалась по кратности получаемых пен и их устойчивости на поверхности бутанола.
Гидроксид натрия вызывает уменьшение кратности пены с 8 до 7, устойчивости на бутаноле — с 12 до 6 мин. Фосфорная кислота снижает кратность до 5,5, а устойчивость пены — до 3 мин.
Аналогично действуют тиосульфат натрия и перманганат калия. Значительное увеличение контактной устойчивости пены (до 45 мин) достигается, если для ее получения взять аммиачную воду с концентрацией 90% об.; кратность пены при этом не более 5. При концентрации аммиачной воды 50% об. кратность пены составляет 7,5, устойчивость — 35 мин.
Рассмотрим влияние различных веществ (электролитов и неэлектролитов) на устойчивость пен на основе оксиэтилированных ПАВ — ОП-7, 0П-10, ОД-24. Электролиты вводили в количестве 0,5 моль/дм3.
Данные экспериментов представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, с ростом степени оксиэти-лирования N N =7, 10, 24) влияние электролитов на устойчивость пен сильно уменьшается. Это говорит о важной роли степени гидратации молекул ПАВ в устойчивости пен.
Устойчивость пен из оксиэтилированных ПАВ в большей мере зависит от аниона, чем от катиона. Хлориды и нитраты способствуют увеличению устойчивости, сульфаты снижают ее.
Напротив, устойчивость пен на основе алкил-сульфоната больше зависит от катиона и почти не зависит от аниона.
Ниже приведены данные по устойчивости пен на основе оксиэтилированного пенообразователя
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 6'2005
ОП-7 с добавками неэлектролитов (этанол, пере-
кись водорода):
Концентрация Устойчивость
неэлектролита, % (об.) пены, с
Этанол:
0..................................................................................................................183
1..................................................................................................................184
2..................................................................................................................190
3..................................................................................................................210
4..................................................................................................................240
Перекись водорода:
0..................................................................................................................183
2..................................................................................................................180
4..................................................................................................................178
6..................................................................................................................150
10..............................................................................................................135
Видно, что в случае этанола имеет место небольшая стабилизация пены. Обратное влияние на эту пену оказывает перекись водорода. Это можно объяснить изменениями гидратации ПАВ: этанол упрочняет структуру воды и способствует гидратации, а перекись водорода, наоборот, разрушает структуру воды и прочность связи ее молекул с молекулами оксиэтилированных ПАВ [8].
Пены на основе алкилсульфонатов и алкилсуль-фатов ведут себя иначе (табл. 3).
Табл. 3 показывает, что величина устойчивости изменяется в пределах ошибки измерений.
Совместное введение в пенообразующий раствор щелочи и перекиси водорода нивелирует зависимость устойчивости от концентрации.
Устойчивость пен различных составов на основе пенообразователя РАС с добавками составляет:
• гидроксид натрия 3% об. — 206 с;
• гидроксид натрия 3% об. и пероксид водорода 4% об. — 200 с;
• гидроксид натрия 6% об. и пероксид водорода 4% об. —214 с;
• гидроксид натрия 3% об. и пероксид водорода 10% об. —200 с.
Ухудшение пенообразующих свойств при введении дегазаторов вызвано потерей поверхностной активности и химическим распадом поверхностно-активной основы. Для того чтобы оценить послед-
ТАБЛИЦА 3. Устойчивость пен на основе пенообразователей "Прогресс-30", Сульфонол НП-1 с добавками неэлектролита
Концентрация пероксида Устойчивость пены, с
водорода, % об. "Прогресс-30" Сульфонол НП-1
0 248 + 40 190 + 10
2 196 + 40 180 + 10
4 214 + 40 196 + 10
6 242 + 40 190 + 10
10 190 + 40 197 + 10
ний фактор, необходимо исследовать способность композиций сохранять пенообразующие свойства в процессе хранения.
Растворы алкилсульфонатов с щелочами сохраняют пенообразующие свойства по крайней мере в течение 3 месяцев со дня приготовления. Таким образом, литературные данные о большей стабильности алкилсульфонатов по сравнению с алкилсуль-фатами в кислой среде [9] справедливы и для щелочных композиций. Причиной этого является, очевидно, большая энергия связи С-Б по сравнению с сульфоэфирной С-О-Б [10]. Поведение пенообразователей в композициях с фосфорной кислотой является нетипичным для их распада в кислых средах: пенообразующие свойства этих растворов (как алкилсульфатов, так и алкилсульфонатов) изменяются только при хранении более 15 месяцев.
Таким образом, факторы, влияющие на изменение устойчивости и кратности пен в сильных кислотах и щелочах, можно условно разделить на две взаимосвязанные группы. К первой группе относятся особенности структуры раствора и поверхности раздела раствор - воздух, которые изменяются при увеличении концентрации кислот и щелочей. Вторая включает свойства самих молекул ПАВ (прежде всего, способность к диссоциации).
Для ионных ПАВ (алкилсульфатов и алкилсуль-фонатов) диссоциация сопряжена с увеличением заряда поверхности, что способствует стабилизации пены. Повышение кислотности среды подавляет диссоциацию, ведет к деионизации поверхности и уменьшению устойчивости пены.
Процессы ассоциации поверхностно-активных ионов и ионов добавленных электролитов влияют на стабилизирующее действие щелочей. Вероятно процессами ассоциации можно объяснить тот факт, что гидроксид калия не увеличивает устойчивость пен из алкилсульфонатов.
Повышение концентрации электролитов ведет, кроме того, к вытеснению молекул ПАВ на поверхность раздела фаз (высаливанию), что равносильно увеличению адсорбционной активности.
С ростом ионной силы раствора связаны изменения его структуры, что особенно важно для окси-этилированных ПАВ: все добавки, упрочняющие структуру воды и повышающие гидратацию ПАВ, способствуют стабилизации пены.
Проведенные исследования позволяют
сделать следующие выводы:
1. Пенообразователи сложного состава чаще всего неприемлемы для разработки дегазирующих пен.
2. Для щелочных и щелочно-перекисных композиций более всего пригодны алкилсульфонаты.
3. В композициях с ортофосфорной кислотой можно применять ПАВ практически всех исследованных типов.
4. Для составления кислотных пенообразую-щих растворов наиболее приемлемы оксиэтилиро-ванные ПАВ.
5. Оксиэтилированные ПАВ обладают высокой устойчивостью к введению различных электролитов, причем устойчивость растет с увеличением степени оксиэтилирования.
6. Для совместного хранения пенообразователей с дегазаторами пригодны композиции на основе алкилсульфонатов с едким натром, а также всех исследованных ПАВ с ортофосфорной кислотой.
Полученные выводы проверяли в условиях полигона следующим образом. Для получения пен средней кратности из растворов ПАВ, содержащих специальные добавки, использовали пеногенера-тор эжекционного типа ГВП-100. Кратность полученных пен в зависимости от величины давления
жидкости перед генератором измеряли весовым способом.
Результаты проверки
1. Добавление до 5% щелочи к алкилсульфона-там поднимает кратность от 90 до 120. Состав, содержащий одновременно 3% №0Н и 3% Н2О2, образует пену кратностью не менее 80.
2. Добавление к ОП-7 10% соляной кислоты позволяет поднять кратность пены с 25 до 35-40. Фосфорная кислота снижает кратность до 20, а серная вообще не позволяет получить пену средней кратности.
3. Все исследованные специальные добавки снижают кратность пены на основе алкилсульфона-тов. Единственно применимой оказалась композиция с фосфорной кислотой (не более 3%), которая образует пену кратностью не более 55-60.
ЛИТЕРАТУРА
1. Norman Е. С. The use of foam for vapor mitigation // Fire Command. — 1988. — V. 55, № 4. — P. 18-20.
2. Extraordionari foams // Hazardous Cargo Bull. — 1988. — V.9,№1. — P. 52-53.
3. Regent A. Redukcija emisije toksicnih para pomocu "Hazmat" pjena // Zast. Pozara. — 1988. — V. 28, № 1. — P. 51-55.
4. Vapor Mitigation Foams // Fire Eng. — 1983. —V. 136,№1. — P. 62.
5. Foam supress harm full vapours // Fire. — 1987. — V. 80, № 989. — P. 52.
6. Левинский Б. В. Сравнительная характеристика пенообразующей способности реагентов ОРС и алкилсульфатов натрия // Технол. добычи и обр. руд. — Вып. 12. — М., 1965.
7. Шароварников А. Ф. / Пож. техника и тушение пожаров. — Вып. 15. — М.: ВНИИПО, 1975.
8. Самойлов О. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов. — М.: АН СССР, 1957.
9. Pauling L. С. / J. Chim. Physique. — 1949. — V. 46. — P. 435.
10. Сьютер Ч. Химия органических соединений серы. Ч. 1. — М.: Мир, 1950. — 329 с.
Поступила в редакцию 14.11.05.
