CC BY
19
УДК 614.842.611
СОВРЕМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОГНЕТУШАЩИХ ПОРОШКОВ АВС
Л. Н. ЧЕСНОКОВА, Т. В. ФРОЛОВА, О. С. ИВАНЕНКО, Е. В. КАРАСЕВ
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
В статье приводится краткий обзор современных российских и зарубежных исследований ог-нетушащих порошков АВС по вопросам их огнетушащей эффективности. Вклад каждого огнетушаще-го механизма (отвод тепла из зоны горения на нагревание и плавление частиц, ингибирование пламени) изучался как отдельными методами, так и комплексно, с момента появления огнетушащих порошков и является актуальным вопросом для обсуждений и в настоящее время. В научной литературе приводятся сведения о комплексных исследованиях, в результате которых было установлено, что при тушении пожара кинетические параметры зачастую важнее термодинамических, а, следовательно, не следует недооценивать ингибирующее действие порошков. В соответствии с другими научными работами тушение пожара порошком ABC в основном зависит от химического ингиби-рования радикалов К, ОН, а не от поглощения тепла. Однако, считаем целесообразным продолжить изучение влияния материала (состава) горючего вещества и внешних условий на огнетушащий механизм порошковых составов. Только комплексный подход, с использованием современных методов исследования, позволит всецело изучить вклады механизмов огнетушения в тех или иных условиях и на основе этого разрабатывать новые, наиболее эффективные порошковые составы.
Ключевые слова: порошковые огнетушащие составы, огнетушащий порошок АВС, аммофос, дигидрофосфат аммония, сульфат аммония, огнетушащая эффективность, огнетушащий механизм порошков, качество порошковых огнетушащих составов.
CONTEMPORARY RESEARCHES OF EXTINGUISHING POWDERS ABC
L. N. CHESNOKOVA, T. V. FROLOVA, О. C. IVANENKO, E. V. KARASEV
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
The article provides a brief overview of modern Russian and foreign studies of ABC fire extinguishing powders on their fire extinguishing effectiveness. The contribution of each fire extinguishing mechanism (heat removal from the combustion zone to the heating and melting of particles, flame inhibition) has been studied both by separate methods and in a complex manner, since the appearance of fire extinguishing powders and is an urgent issue for discussion at the present time. The scientific literature provides information about complex studies, which have shown that when extinguishing a fire, kinetic parameters are often more important than thermodynamic ones, and, therefore, the inhibitory effect of powders should not be underestimated. According to other scientific works, fire extinguishing with ABC powder mainly depends on the chemical inhibition of К, ОН, radicals, and not on heat absorption. However, we consider it appropriate to continue studying the influence of the material (composition) of the combustible substance and external conditions on the fire extinguishing mechanism of powder formulations. Only an integrated approach, using modern research methods, will allow us to fully study the contributions of fire extinguishing mechanisms in various conditions and, based on this, develop new, most effective powder formulations.
Key words: powder extinguishing agents, ABC fire extinguishing powder, ammophos, ammonium dihydrophosphate, ammonium sulfate, fire extinguishing efficiency, fire extinguishing mechanism of powders, quality of powder extinguishing agents.
© Чеснокова Л. Н., Фролова Т. В., Иваненко О. С., Карасев Е. В., 2020
167
В практике пожаротушения широкое применение находят порошковые огнетуша-щие составы благодаря своим превосходным огнетушащим характеристикам, при этом порошковые составы общего назначения используются наиболее широко. Такая востребованность порошковых огнетушащих составов побуждает недобросовестных производителей изготавливать составы, которые не отвечают требованиям ГОСТ и ТУ, о чем свидетельствует «Открытое письмо об огнетушащих порошках» от 11.10.20181. ^Участившиеся случаи применения таких огнетушащих средств на пожарах ярко показывают назревшую проблему определения качества порошковых составов, определения их компонентного состава, который напрямую влияет на огнетушащую способность порошка.
Известно, что суммарная огнетуша-щая способность ОП достигается в основном за счет отвода тепла из зоны горения на нагревание и плавление частиц, ингибирова-ния пламени, эффекта огнепреграждения, а также, для твердых горючих материалов, за счет разложения огнетушащего вещества и частичного испарения массы порошка [1]. Вклад каждого огнетушащего механизма изучался с момента появления ОП и является актуальным вопросом для обсуждений и в настоящее время.
Так Ewing ^ Т с соавторами [2] и Beyler ^ [3] показали, что при концентрациях огнетушащих веществ, используемых при тушении пожара, наибольший вклад в огнету-шащий эффект вносит отвод тепла из зоны горения, за счет плавления, испарения и эндотермических процессов разложения основных компонентов различных порошков. Ингибиру-ющий эффект ОП ограничен низкой концентрацией активных частиц порошка в пламени.
Krasnyansky M. [4] провел расчеты факторов гомогенных и гетерогенных реакций ингибирования, измерение коэффициентов гетерогенной рекомбинации радикалов О, ОН , К, СНХ на поверхностях кристаллов соли, расчет скоростей разложения и испарения частиц порошка, а также дал оценку «теплового» вклада аэрозольных частиц в огнету-шащее действие порошков. В работе были
1Открытое письмо об огнетушащих порошках ассоциации производителей пожарно-спасательной продукции и услуг «СОЮЗ 01» членам технического комитета РОССТАНДАР-ТА №274 «Пожарная безопасность» и заинтересованным лицам, обеспечивающим пожарную безопасность людей [Заглавие с экрана]. https://www.npk-phz.ru/articles/article89.html (дата обращения: 30.09.2020).
использованы хроматографический, дерива-тографический, хемолюминесцентный, фото-электрокалориметрический методы анализа, а также расчетные методы. В ходе комплексного исследования автор пришел к выводу о том, что при тушении пожара кинетические параметры зачастую гораздо важнее термодинамических, а, следовательно, не следует недооценивать ингибирующее действие ОП.
Li H. и др. [5] с целью определения вклада в огнетушащий эффект, провели теоретическое исследование механизма ингибирования пламени порошком АВС с использованием пакета программ Gaussian 16. В расчетах использовался гибридный обменно-корреляционный функционал программы M06-2X. На основе расчетных методов, термодинамического и кинетического анализа авторами было определено, что тушение пожара порошком ABC в основном зависит от химического ингибирования радикалов К, ОН, а не от поглощения тепла. Определены также наиболее вероятные процессы взаимодействия основного компонента огнетушащего порошка АВС NH4H2PO4 с активными радикалами, образующимися при горении (К, ОН , СН3):
Суммарная реакция: 4NH4H2PO4 + 2H + OH + CH3 ^ 4NH3 + CH4 + 7H2O + P4O10.
Стадии суммарной реакции:
NH4H2PO4 ^ NH3 + H3PO4; (1)
H3PO4 + H ^ H2O + H2PO3; (2)
H3PO4 + OH ^ H2O + H2PO4 ; (3)
H3PO4 + C^ ^ CH4 + H2PO4; (4)
HPO3^ + HPO4^ ^ H4P2O7; (5)
H3PO4 ^ HPO3 + H2O; (6)
H4P2O7 ^ 2HPO3 + H2O; (7)
4HPO3 ^ P4O10 + H2O. (8)
Руководствуясь тепловой концепцией подавления пламени, некоторые исследователи обсуждают огнетушащую эффективность порошков на основе анализа термического разложения их основных компонентов: аммофоса (смесь дигидрофосфата аммония NH4H2PO4 и гидрофосфата аммония (NH4)2HPO4) и сульфата аммония (NH4)2SO4. При этом, в соответствии с ГОСТ Р 53280.4-
2009 , не допускается наличие в одном огне-тушащем порошке (ОП) бикарбонатов и фос-форно-аммонийных солей. А при наличии в порошке хлоридов в сопроводительном документе должно быть указано его содержание. Зарубежные производители в качестве основы используют дигидрофосфат аммония [6, 7].
Так, например, Su C. и др. [8] провели исследование термической деструкции NH4H2PO4, (NH4)2SO4, порошка ABC методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) для проверки тепловых свойств разложения порошка. Разложение NH4H2PO4 по работам Abdel-Kader A. и др. [9], Pardo A. и др. [10] описано следующими химическими реакциями:
NH4H2PO4 ^ H3PO4 + NH3; (9)
2H3PO4 ^ H4P2O7 + H2O; (10)
ния термической деструкции порошка ABC можно проверить, являются ли дигидрофосфат аммония и сульфат аммония его компонентами.
а
H4P2O7 ^ 2HPO3 + H2O; (11)
NH4H2PO4 ^ HPO3 + NH3 + H2O. (12)
Уравнение (12) является суммарной реакцией термического разложения NH4H2PO4 [7].
Процесс термического разложения сульфата аммония имеет две стадии [8]:
(NH4)2SO4 ^ NH4HSO4; (13)
(NH4)2SO4 ^ 2NH3 + H2SO4. (14)
DSC эксперимент показал, что разложение дигидрофосфата как и сульфата аммония происходит с эндотермическим эффектом. Начальные температуры этих стадий составляют 230°С и 360°С соответственно. DSC кривая термического разложения смеси дигидро-фосфата аммония и сульфата аммония идентична DSC кривым каждого компонента. При этом наблюдается небольшое изменение начальной температуры разложения смеси. DSC кривая термического разложения огнету-шащего порошка ABC (рис.а), содержащего NH4H2PO4 и (NH4)2SO4, аналогична DSC кривой смеси этих веществ (рис. б). На этом основании авторами сделан вывод о том, что методом DSC можно исследовать надежность огнету-шащих порошков АВС. С помощью исследова-
2 ГОСТ Р 53280.4-2009 «Установки пожаротушения автоматические. Огнетушащие вещества. Часть 4. Порошки огнетушащие общего назначения» (введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 февраля 2009 г. №54-ст).
б
Рисунок. Зависимость теплового потока (эВ) от температуры (оС) для смеси дигидрофосфата аммония, сульфата аммония (а) и огнету-шащего порошка ABC, содержащего дигидрофосфат аммония и сульфат аммония (б) по [9]: Т-i - начальная температура термического разложения NH4H2PO4; Т2, Т3 - начальные температуры стадий термического разложения (NH4)2SO4
Однако, на основе анализа приведенных сведений считаем целесообразным продолжить изучение влияния материала (состава) горючего вещества и внешних условий на огнетушащий механизм порошковых составов. Только комплексный подход, с использованием современных методов исследования, позволит всецело изучить вклады механизмов огнетушения в тех или иных условиях и на основе этого разрабатывать новые, наиболее эффективные порошковые составы.
Список литературы/ References
1. Корольченко Д. А., Шароварни-ков А. Ф. Тушение пламени огнетушащими порошками и аэрозольными составами // По-жаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23. № 8. С. 63-68; Korol'chenko D. A., SHarovar-nikov A. F. Tushenie plameni ognetushashchimi poroshkami i aerozol'nymi sostavami [Flame extinguishing with fire-extinguishing powders and aerosol compositions]. Pozharovzryvobezopas-nost', 2014, vol. 23, issue 8, рр. 63-68.
1. Ewing C. T., Faith F. R., Hughes J. T. et al. Evidence for flame extinguishment by thermal mechanisms. Fire technology, 1989, vol. 25, issue 3, рр. 195-212. DOI: 10.1007/BF01039778.
2. Beyler C. A brief history of the prediction of flame extinction based upon flame temperature. Fire and materials, 2005, vol. 29, issue 6, рр. 425-427. DOI: 10.1002/fam.902.
3. Krasnyansky M. Studies of fundamental physical-chemical mechanisms and processes of flame extinguishing by powder aerosols. Fire and Materials: An International Journal, 2008, vol. 32, issue 1, рр. 27-47. DOI: 10.1002/fam.951.
4. Li H., Hua M., Pan X., Li S., Guo X., Zhang H., & Jiang J. The reaction pathway analysis of phosphoric acid with the active radicals: a new insight of the fire-extinguishing mechanism of ABC dry powder. Journal of molecular modeling, 2019, vol. 25, issue 8, рр. 255. DOI: 10.1007/s00894-019-4136-y.
5. Бобков С. А. Бабурин А. В., Комра-ков П. В. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учеб. пособие. М.: Академия ГПС МЧС России, 2014. 210 с.; Bobkov S. A. Baburin A. V., Komrakov P. V. Fizi-ko-himicheskie osnovy razvitiya i tusheniya pozharov: ucheb. posobie [Physicochemical basis for the development and extinguishing of fires]. Moscow: Akademiya GPS MCHS Rossii, 2014. 210 р.
6. Lapshin D. N., Kunin A. V., Semenov A. D. Influence of chemical impurities in ammonium phosphate and ammonium sulfate on the properties of ABCE fire extinguishing dry powders. Russian Journal of General Chemistry, 2016, vol. 86, issue 2, рр. 439-449. DOI: 10.1134/S1070363216020444.
7. Su C. H. et al. The assessment of fire suppression capability for the ammonium dihydro-gen phosphate dry powder of commercial fire extinguishers. Procedia Engineering, 2014, issue 84, рр. 485-490. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.10.459.
8. Abdel-Kader A., Ammar A. A., Saleh S. I. Thermal behaviour of ammonium dihy-drogen phosphate crystals in the temperature range 25-600°C. Thermochimica acta, 1991, issue 176, рр. 293-304. DOI: 10.1016/0040-6031 (91)80285-Q.
9. Pardo A., Romero J., Ortiz E. High-temperature behaviour of ammonium dihydrogen phosphate. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2017, vol. 935, Issue 1, р. 012050. DOI: 10.1088/17426596/935/1/012050.
Чеснокова Любовь Николаевна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, старший преподаватель
E-mail: [email protected]
CHesnokova Lyubov' Nikolaevna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, senior lecturer
E-mail: [email protected]
Фролова Татьяна Владиславовна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, старший преподаватель
E-mail: [email protected]
Frolova Tat'yana Vladislavovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, senior lecturer E-mail: [email protected]
Иваненко Олег Сергеевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
курсант 512.1 учебной группы факультета пожарной безопасности E-mail: [email protected] Ivanenko Oleg Sergeevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
cadet of the 512.1 training group of the faculty of fire safety E-mail: [email protected]
Карасев Евгений Викторович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
заместитель начальника кафедры
E-mail: [email protected]
Karasev Evgenij Viktorovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
Deputy Head of the Department
E-mail: [email protected]
