CC BY
26
st. kpt. mgr inz. Joanna RAKOWSKA
Zaklad-Laboratorium Badan Chemicznych i Pozarowych CNBOP
ZJAWISKA REOLOGICZNE W PIANOTWÔRCZYCH SRODKACH GASNICZYCH
Czçsc III - Badania jakosci piany uzyskanej z koncentratow
o roznej lepkosci
Streszczenie
W artykule omowiono strukturç piany i czynniki wplywaj3.ce na jej wlasciwosci oraz mechanizmy niszczenia. Przedstawiono badania wplywu temperatury koncentratu i roztworu pianotworczego na jakosc i trwalosc piany gasniczej. Okreslono znaczenie wlasciwosci reologicznych srodkow gasniczych oraz ich wplyw na efektywnosc dzialan strazy pozarnej.
Summary
The article describes influence of various elements on foam structure and properties as well as mechanisms of destroy. It presents research into of concentrate and solution temperature on quality and stability of extinguishing foam. It determinates importance of rheology properties of extinguishing media for efficiency operating of fire guards.
Struktura piany
Jak przedstawiono w pracy [1] wlasciwosci reologiczne piany zalez^. od charakterystycznych cech tworz^cych j^. skladnikow (gazu, cieczy i surfaktantu).
Piana jest dyspersj^. gazów w cieczach [2,3]. Warunkiem powstania piany jest odpowiedni dla kazdego ukladu ulamek objçtosciowy gazu do roztworu substancji powierzchniowo czynnych. Piana jest to uklad komórek wielosciennych wypelnionych gazem i przedzielonych warstw^. cieczy.
Ryc. 1. Struktura piany wielosciennej
Blonka piany sklada siç z dwóch monomolekularnych warstw surfaktantów (detergentów) otaczaj^cych warstwç wody. Taka budowa baniek sprawia, ze mala ilosé surfaktantu moze znacznie zredukowaé napiçcie powierzchniowe. Grubosé blony znajduje siç w przedziale od 4,5 nm do 5G (xm.
Ryc. 2. Budowa blony rozdzielaj^cej komórki piany [2]
Ryc. 3. Struktura piany suchej - komórki wypelnione gazem oddzielone s^. cienk^. warstw^.
cieczy.
Ryc. 4. Struktura piany mokrej - pojedyncze bañki maj^. ksztalt sferyczny
Ryc. 5. Budowa blony komórek piany w roztworze o stçzeniu przekraczaj^cym krytyczne
stçzenie micelarne [2]
Prawa Plateau
Pojedyncze komórki piany s^. sferyczne ze wzgl^dów energetycznych. Dla piany wielosciennej, ksztalt komórek okreslil w 1873r. Joseph Plateau tworz^c 3 prawa Plateau:
1. Trzy scianki spotykaj^. siç pod k^tem 12G°
2. Jezeli mamy trzy scianki, to tworz^. one ramkç zwana "brzegiem Plateau"
3. Cztery brzegi Plateau zbiegaj^. siç pod katem 1G9, 5° - k^tem tetraedrycznym
Dowód praw Plateau zostal przedstawiony dopiero 1GG lat pózniej w 1976r. przez Jeana Taylora
[4].
Czynniki wplywaj^ce na strukturç piany
Zmiana udzialu fazy gazowej w pianie powoduje powstanie komórek o róznej wielkosci (rózne dlugosci krawçdzi zetkniçcia) oraz grubosci filmu miçdzyfazowego gaz-ciecz. Gaz jest istotnym czynnikiem wplywaj^cym na sprçzystosé piany z powodu swojej roli w pianie starzej^cej siç, przez coarsening1 [1]. Zdolnosé rozpraszania gazu w cieczach zalezy od lepkosci cieczy. Badania takie prowadzili m.in Pawelczyk i Maresz [5]. Dyspersja gazu w cieczach maleje ze wzrostem lepkosci cieczy. W przypadku pian gasniczych, ciecz jest roztworem wodnym zawieraj^cym m.in. zwi^zki powierzchniowo czynne. Z tego powodu lepkosé roztworów srodków gasniczych zalezy w od wlasciwosci zastosowanych surfaktantów i ich stçzenia. Nalezy pamiçtaé, ze na lepkosé silnie wplywa temperatura. Poniewaz glównym skladnikiem roztworów srodków pianotwórczych jest woda, zmiany jej lepkosci w funkcji temperatury maj^. znacz^cy wplyw na wlasciwosci uzyskanej piany.
1 coarsening - proces niszczenia piany spowodowany dyfuzja gazu pomiçdzy komórkami
temperatura [oC]
Ryc. 6. Zaleznosc lepkosci wody od temperatury (pod cisnieniem pary nasyconej w danej
temperaturze) [6]
Lepkosc cieczy jest to opor przeciwdzialaj^cy jej plyni^ciu; im wi^ksza lepkosc tym wolniejszy przeplyw cieczy. Przyczyn^. lepkosci s^. sily mi^dzycz^steczkowe, ktore wi^z^. ze sob^ cz^steczki i utrudniaj^. ich przemieszczanie si§ wzgl^dem innych cz^steczek. Lepkosc zwykle maleje ze wzrostem temperatury. W wyzszej temperaturze cz^steczki maj^. wi^ksz^. energi§ i mog^. latwiej przemieszczac si§ wzgl^dem cz^steczek s^siednich [7].
Zmian§ lepkosci ze wzrostem temperatury podaje rownanie Arrheniusa - Guzmana [3] i ma ono postac funkcji wykladniczej:
h = A exp| — |
IRT J (1)
gdzie:
A - wielkosc charakterystyczna dla danej cieczy, zalezy od ci^zaru cz^steczkowego i obj^tosci molowej,
E - wielkosc charakterystyczna dla danej cieczy, nazywana jest energi^. aktywacji lepkosci.
Mechanizm niszczenia piany. Wysychanie blony
Istniej^. trzy glowne procesy rozpadu piany:
1. "drainage" - "drenaz" - ciecz splywa sciankami, blonki zmniejszaj^. grubosc i p^kaj^.
2. "coarsening" - nast^puje dyfuzja gazu pomi^dzy komorkami piany
3. "film rupture" - p^kanie blon
Piana jest metastabilna. Jest to spowodowane tym, ze podczas wysychania piany w roztworze surfaktantu tworz^. si§ sferyczne micele oraz uklad tworzy calkowita liczba micel. Na wykresie zmian grubosci blonki w czasie (ryc. 7) widoczne schodki tworzy si§, gdyz micele ukladajo si§ w warstwy. Wysokosé schodka odpowiada odleglosci miedzy micelami, a kazda zmiana grubosci wi^ze si§ z reorganizaj struktury blonki.
Ryc. 7. Zmian grubosci blonki w funkcji czasu [3].
Zjawisko wysychania blony mydlanej zalezne jest od zawartosci surfaktantów w wodzie. Dla wyzszych st^zeñ zwi^zków powierzchniowo czynnych, zaleznosé grubosci blony h od czasu wysychania t nie jest funkcji ci^gl^, lecz jest opisana jako seria „schodów" oddzielonych „progami" o stalej wysokosci £ [3].
W mokrej pianie pocz^tkowe odciekanie cieczy z przestrzeni miedzy p^cherzykami jest spowodowane grawitaj i zalezy przede wszystkim od lepkosci. Odwadnianie piany suchej zachodzi prawdopodobnie przez granice, przenikaj^ce pian§ na wskros. Gdy dwie powierzchnie blony zblizajo si§ jedna do drugiej, ujemne ladunki znajduj3.ce si§ na granicy faz powietrze-woda powodujo odpychanie i odwadnianie ustaje, gdy blona osi^gnie grubosé równowagow^. Przypuszcza si§, ze rozpad blony jest spowodowany przypadkowymi fluktuacjami, np. ruchami Browna, które powodujo chwilowe zetkni^cie si§ dwóch powierzchni umozliwiaj^c pol^czenie si§ p^cherzyków powietrza. Zwi^kszenie lepkosci powierzchniowej zmniejsza te fluktuacje. Dodanie dodekanolu do laurynianu sodu, zwi^ksza lepkosé powierzchniowo i jednoczesnie zwi^ksza trwalosé piany [8]. Wprowadzenie dodatków, które same z reguly nie tworzy piany,
a ich stabilizuj^ce dzialanie polega na podwyzszaniu lepkosci roztworu pianotworczego, modyfikacji warstw adsorpcyjnych lub tez na tworzeniu w obj^tosci roztworu struktur, ktore -przechodz^c do blonek p^cherzykow piany - przeciwdzialaj^. procesowi odplywu z nich roztworu. W wielu przypadkach stabilizuj^ce dzialanie obserwuje si§ tylko w bardzo w^skim zakresie st^zen; w st^zeniach nizszych brak jest dzialania stabilizuj^cego, przy wyzszych - spada zdolnosc pianotworcza [9].
W pianach otrzymanych z cieczy o duzej lepkosci, proces wykraplania jest zahamowany i rozpad piany uwarunkowany jest glownie dyfuzj^. gazu.
Trwalosc pian jest tematem wielu badan [10-11], w ktorych stwierdzono m.in. zaleznosc trwalosci pian od procesow dynamicznych przebiegaj^cych przy powierzchni ciecz-gaz w roztworach zwi^zkow powierzchniowo czynnych. Szczegoln^. uwag§ zwrocono na efekty wywolywane przez zaburzenie rozkladu napi^cia powierzchniowego, b^d^ce skutkiem mechanicznego naruszenia rownowagi.
Badania wplywu temperatury koncentratu i roztworu pianotworczego na jakosc piany gasniczej Pomiary lepkosci i liczby spienienia
Zmiany lepkosci w funkcji temperatury wykorzystano w badaniach wplywu lepkosci na jakosc uzyskanej piany. Proby wykonano na roztworach o temperaturze + 20°C oraz + 2°C. Przeprowadzono badania lepkosci srodka pianotworczego i roztworu oraz liczby spienienia wytworzonej piany. Obnizenie temperatury spowodowalo wzrost lepkosci koncentratu, co skutkuje gorsz^. zdolnosci^ mieszania si§ cieczy oraz uzyskaniem pian o nizszej liczbie spienienia. Wyniki badan przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1
Wyniki badan
Nazwa srodka Temperatura Temperatura Lepkosc Lepkosc Liczba
koncentratu roztworu koncentratu roztworu 3% spienienia
[°C] [°C] [mPas] [mPas]
M13 20 20 60,0 1,58 6,9
2 2 158,4 - 4,7
P33 20 20 96,3 1,45 7,8
2 2 145,3 - 4,8
PR1 20 20 35,4 1,33 6,0
2 2 64,6 - 4,6
RM60 20 20 3,7 1,0 8,0
2 2 5,8 - 7,6
RO3S 20 20 16,2 1,1 10
2 2 37,8 - 9,1
Obserwacje plynnosci piany na powierzchni pionowej
Prowadzono obserwacje jakosci piany oraz szybkosci splywania piany po metalowej powierzchni pionowej. Badania wykonano w temperaturze otoczenia +18°C. Stwierdzono, ze ze spadkiem temperatury koncentratu i roztworu wyst^puje niewielkie pogorszenie jakosci piany -piana jest bardziej mokra i mniej trwala. Wzrost lepkosci skladnikow piany spowodowal pogorszenie zdolnosci pianotworczych badanych roztworow. Badania aplikacyjne potwierdzily istotny wplyw liczby spienienia na jakosc wytworzonej piany. Im wyzsza liczba spienienia (wi^cej powietrza w pianie) tym piana bardziej trwala. Ze wzgl^du na wi^ksz^. zawartosc wody, piana szybciej splywala z metalowej powierzchni pionowej; jest bardziej plynna, ale mniej trwala. Dodatkowo przy podmuchach wiatru nast^puje odrywanie i unoszenie lzejszej piany poza obszar podawania.
Ryc. 8. Piana wytworzona ze srodka M13 o temperaturze 20°C zbudowana jest z bardzo
drobnych baniek
Ryc. 9. Piana wytworzona ze srodka P33 o temperaturze 20°C zbudowana jest z baniek o niejednorodnej wielkosci; wyst^puj^. komorki bardzo drobne oraz komorki o znacznie
wi^kszym rozmiarze.
Ryc. 1G. Piana wytworzona ze srodka Ml3o temperaturze 20°C 7 minut po nalozeniu
Ryc. 11. Piana wytworzona ze srodka P33o temperaturze 20°C w 7 minut po nalozeniu
Obserwacje stabilnosci struktury piany
Badano zmiany struktury piany w czasie przy zastosowaniu srodkow pianotworczych o roznych wlasciwosciach reologicznych. Badania przeprowadzono na probkach trzech roztworow pianotworczych M13, P33 oraz RO3S o temperaturze 20,0 ± 0,5 °C. Przeprowadzono obserwacje starzenia siç piany stosuj^c aparat Turbiscan LAB Expert (ryc. 14).
Turbiscan to analizator skanuj^cy do badania stabilnosci emulsji, zawiesin i pian oraz ich wlasciwosci fizykochemicznych: wielkosci cz^stek, stçzenia cz^stek, sredniej srednicy cz^stek w badanej probce. Turbiscan umozliwia kontrolç stabilnosci, liczbowe okreslenie postçpu fizycznej destabilizacji produktu, wizualizacjç kinetyki zmian stabilnosci, ocenç efektow starzenia emulsji, ocenç efektywnosci wydzielania zawiesin z cieczy, itp. Aparat stosowany jest do badania takich zjawisk jak: pienienie, smietankowanie, rozdzial faz, flokulacja, sedymentacja, koalescencja.
Najwiçksz^. objçtosc roztworu wykroplonego z piany stwierdzono w probce uzyskanej ze srodka RO3S. Probka ta charakteryzowala siç takze najwiçksz^. dynamik^. zmian wielkosci komorek piany. Roztwor srodka P33 w stçzeniu 3% w warunkach badania wykazal najwiçksz^. stabilnosc struktury piany.
Ryc. 14. Aparat Turbiscan LAb Expert [12]
0:00:00:00 0:00:01 :00 0:00:02:00
0mm 20mm 40mm
Backscattering - no zoom
50%
0%
0mm 20mm 40mm
Ryc. 15. Wykresy transmisji i rozproszenia wstecznego swiatla dla probki piany wytworzonej z 3% roztworu srodka M13. Wykres transmission - kolejne linie odpowiadaj^. wysokosci warstwy wykroplonego roztworu. Wykres backscattering - na skutek starzenia siç piany (pçkania baniek) zmniejsza siç zdolnosc rozpraszania swiatla; widoczne szybsze niszczenie piany na
powierzchni probki.
Transmission - no zoom
fH
\
0:00:03:00
0:00:04:00
0:00:05:00
Transmission - no zoom
1 00%
50%
0%
0mm 20mm
Backscattering - no zoom
60% 40% 20% 0%
0mm 20mm
40mm
0:00:00:00
0:00:01 :00
0:00:02:00
0:00:03:00
0:00:04:00
0:00:05:00
40mm
Ryc. 16. Wykresy transmisji i rozproszenia wstecznego swiatla dla probki piany wytworzonej z 3% roztworu srodka P33. Wykres transmission - kolejne linie odpowiadaj^. wysokosci warstwy wykroplonego roztworu. Wykres backscattering - na skutek starzenia siç piany (pçkania baniek)
zmniejsza siç zdolnosc rozpraszania swiatla.
0:00:00:00 0:00:01 :00 0:00:02:00
0:00:03:00
0:00:04:00
0:00:05:00
0mm 20mm 40mm
Ryc. 17. Wykres transmisji i rozproszenia wstecznego swiatla dla probki piany wytworzonej z 3% roztworu srodka RO3S. Wykres transmission - kolejne linie odpowiadaj^. wysokosci warstwy wykroplonego roztworu. Wykres backscattering - na skutek starzenia siç piany (pçkania baniek) zmniejsza siç zdolnosc rozpraszania swiatla. Proces zachodzi dosc rownomiernie w calej
objçtosci probki.
Sprawdzenie mozliwosci zasysania koncentratow o wysokiej lepkosci.
Wykonano proby zasysania koncentratow zasysaczem liniowym oraz badania liczby spienienia wytworzonej piany. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem motopompy TOHATSU V75GS o wydajnosci 2050 l/min przy cisnieniu 0,6 MPa, zasysacza liniowego Z-2R MINIMAX i dzialka wodno pianowego produkcji POHORJE P.O. o wydajnosci 200 l/min. Pomiaru cisnienia dokonano uzywaj^c przeplywomierza magnetycznego SIEMENS DN40 o zakresie pomiarowym 20^833 l/min.
Badaniom poddano koncentraty srodkow gasniczych M13 i P33. Oba preparaty s^. cieczami pseudoplastycznymi o nastçpuj^cych wlasciwosciach:
Transmission - no zoom
50%
0%
0mm 20mm
Backscattering - no zoom
60%
40%
20%
0%
40mm
Srodek M13
temp. krzepni^cia -21 °C
lepkosc w temperaturze 2 °C h=158,4mPas przy pr^dkosci scinania 600 s-1 lepkosc w temperaturze -14°C h=285mPas przy pr^dkosci scinania 600 s-1
Srodek P33
temp. krzepni^cia -17 °C
lepkosc w temperaturze 2 °C h=145,3 mPas przy pr^dkosci scinania 600 s-1 lepkosc w temperaturze -14 °C h=264 mPas przy pr^dkosci scinania 600 s-1
Badania prowadzono w temperaturze otoczenia 20°C. Ustawiono urz^dzenie dozuj^ce zasysacza na wartosc 3%. Zasysacz zassal 6 l/min wody wodoci^gowej o temperaturze 15°C. Wykonano proby zdolnosci zasysania i okreslono rzeczywiste st^zenie roztworu. Okreslono takze liczb§ spienienia uzyskanej piany. Wyniki podano w tabeli 2.
Tabela 2
Wyniki badan
Srodek gasniczy Temperatura Lepkosc Szybkosc Rzeczywiste Liczba
koncentratu [mPas] zasysania st^zenie spienienia
[°C] [l/min] roztworu [%]
P33 2 145,3 4 2 4
-14 274,4 2,25 1,125 2
M13 2 158,5 2,75 1,375 4
-14 285,8 1,25 0,625 2
Wysoka lepkosc srodkow pianotworczych spowodowala obnizenie szybkosci zasysania. W efekcie st^zenie srodka pianotworczego bylo nizsze niz zalecane przez producenta i nie uzyskano piany o zadawalaj^cej jakosci. Liczba spienienia nie osi^gn^la wymaganej wartosci. W praktyce badawczej, w przypadku stosowania srodkow o wysokiej lepkosci, wielokrotnie wyst^pily zjawiska braku zasysania lub nie wytwarzania piany zwlaszcza w eksperymentach prowadzonych w obnizonych temperaturach.
Okreslenie wplywu wlasciwosci reologicznych pian na efektywnosc dzialan gasniczych
Badania potwierdzily przypuszczenie, ze stçzenia uzytkowe srodkow gasniczych s^. zbyt niskie, aby w istotny sposob wplywac na lepkosc roztworow. Z tego powodu lepkosc srodka pianotworczego ma niewielkie znaczenie dla jakosci wytwarzanej piany. Jest to parametr istotny ze wzglçdu na zdolnosci zasysaj3.ce sprzçtu pozarniczego i mozliwosc wytworzenia piany.
Jak wskazuj^. wyniki badan, wysoka lepkosc srodkow pianotworczych moze stanowic istotny problem w czasie dzialan gasniczych. O powodzeniu akcji moze zadecydowac zastosowanie specjalnego sprzçtu dozuj^cego. Z tego powodu bardzo wazne jest umieszczanie na opakowaniach srodkow gasniczych informacji o koniecznosci uzycia specjalnego sprzçtu dozuj^cego.
Wnioski
1. Struktura piany i jej wlasciwosci reologiczne zalez^ od cech cieczy, surfaktantu i gazu oraz ich wzajemnych proporcji.
2. Obnizenie temperatury koncentratu powoduje wzrost jego lepkosci, co skutkuje mniejsz^. zdolnosci^. mieszania siç cieczy z wod^. oraz uzyskaniem pian o nizszej liczbie spienienia.
3. Lepkosc koncentratu i temperatury skladnikow roztworu pianotworczego wplywaj^. na jego charakterystykç reologiczn^.. Ze wzglçdu na fakt, ze stosowane w praktyce roztwory gasnicze zawieraj^. niskie (do 6%) stçzenia srodkow gasniczych wplyw lepkosci koncentratu na wlasciwosci reologiczne roztworu jest nieznaczny.
4. Lepkosc srodkow gasniczych, szczegolnie w obnizonych temperaturach wplywa na mozliwosc wytworzenia odpowiedniej jakosci pian. Z tego powodu wartosc lepkosci w najnizszej temperaturze stosowania koncentratu powinna byc umieszczona na etykiecie kazdego srodka pianotworczego.
5. Wysoka lepkosc srodkow pianotworczych powoduje obnizenie szybkosci zasysania. W efekcie uzyskuje siç nizsze stçzenie roztworu srodka pianotworczego niz zalecane przez producenta a wytworzona piana nie posiada zadawalaj^cej jakosci.
Literatura
1. S. P. L. Marze, A. Saint-James, D. Langevin "Protein and surfactant foams: linear rheology and dilatancy effect", Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and engineering aspects, ISSN 0927-7757 2005, vol. 263, no1-3, pp. 121-128
2. A. Budkowski „O strukturze piany mydlanej" www.if.uj.edu.pl/pl/ZINM/wyklady/AB/soap/
3. K. Pigon, Z. Ruziewicz, „Chemia fizyczna. Podstawy fenomenologiczne", PWN, Warszawa 2007, t,1. str. 274-278, 442-447
4. prof. Wojciech Luzny, „Fizyka Miçkkiej Materii, Notatki z wykladu", spisal Kamil Zuber WFilS AGH, Krakow 2007,
5. R. Pawelczyk, K. Maresz „Dyspersja gazu w cieczach o roznej lepkosci", Inzynieria Chemiczna i Procesowa , rok: 2004, T. 25, z. 3/3, s. 1455-1460.
6. Poradnik fizykochemiczny. WNT, Warszawa 1974, str. A 188-189
7. L. Jones, P. Atkins „Chemia ogolna. Cz^steczki, materia, reakcje" PWN, Warszawa 2006, s. 449
8. C. E. Stauffer „Emulgatory", WNT, Warszawa 2001, s. 31
9. A. Mizerski, M. Sobolewski, B. Krol „Zastosowanie pian do gaszenia Pozarow", Warszawa SGSP 2002 s. 28
10. T. Sosnowski „Efekty dynamiczne w ukladach ciecz-gaz z aktywn^. powierzchni^. miçdzyfazow^", Prace Wydzialu Inzynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej, 2006, Vol. 30, z. 2, s. 3—141
11. T. Sosnowski „Efekty dynamiczne na powierzchni ciecz-gaz w procesach technologicznych i biomedycznych", Przemysl chemiczny, 2006/8-9, Sigma NOT
12. T. Sosnowski „Analiza reologiczna procesow dynamicznych na powierzchni miçdzyfazowej ciecz-gaz. I Czçsc teoretyczna", Inzynieria Chemiczna i Procesowa 2003, T. 24, z. 1, s. 93
13. materialy firmy Formulaction : 10, Impasse Borde Basse - 31240 l'Union (near Toulouse) France
