CC BY
34
С. Г. Котов
канд. техн. наук, начальникуправления сопровождения и координации НИОКР Научно-исследовательской части -Главного управления науки, Белорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь
Л. П. Круль
д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой Белорусского государственного университета, г. Минск, Беларусь
Д. С. Котов
магистр физ.-мат. наук, инженер УП "Геоинформационные системы" Национальной академии наук Беларуси, г. Минск, Беларусь
УДК 614.842.612
СОЗДАНИЕ БЕЛОРУССКИХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СМАЧИВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ
Рассмотрены теоретические аспекты получения водных растворов поверхностно-активных веществ из твердотельных составов. Приведены результаты исследования водных растворов и твердотельных составов на основе полиэтиленгликолей и поверхностно-активных веществ. Определены составы для создания твердотельного источника смачивателя для тушения пожаров. Показано, что ряд синтезированных составов превосходит импортный аналог твердотельного смачивателя "Ругосоо1 Тв".
Ключевые слова: смачиватель для тушения пожаров, поверхностно-активное вещество (ПАВ), полиэтиленгли-коли (ПЭГ), твердотельный источник ПАВ, водные растворы ПАВ, поверхностное натяжение, показатель смачивания.
В Республике Беларусь при тушении пожаров трудносмачиваемых материалов (льнотресты, торфа) широко используются водные растворы смачивателей, которые получают растворением в воде, как правило, жидких поверхностно-активных веществ (ПАВ). В результате последних достижений в области химии огнетушащих веществ удалось значительно повысить огнетушащую эффективность воды путем введения в нее всего нескольких сотых долей процента ПАВ [1]. Это позволило перейти к созданию белорусских твердотельных смачивателей для тушения пожаров.
В настоящей работе излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание белорусских твердотельных смачивателей. Первоначально рассмотрим теоретические вопросы получения водных растворов ПАВ из твердотельных смачивателей.
Пусть в центре бесконечной трубы диаметром В, по которой движется вода плотностью рв со скоростью V, помещено твердое тело диаметром 2, длиной I, характеризующееся плотностью рт и растворимостью в единицу времени с единицы площади поверхностир (рис. 1). Как показано в [2], зависимость объема растворенного твердого тела Ж цилиндрической формы от времени подачи воды t описывается уравнением
Практический интерес представляет установление зависимости концентрации раствора ПАВ от времени растворения твердотельного смачивателя (картриджа).
Очевидно, что к моменту времени t1 с начала подачи воды объем растворенного картриджа W1 можно найти по формуле
W1 = pnlzt 1 - p2 л/tj2, (2)
а к моменту времени t2 с начала подачи воды — W2 по формуле
W2 = pnlzt2 - p2nlt2. (3)
Учитывая, что
t2 = ti + at, (4)
формулу (3) можно записать в виде:
W2 = pnlz (t1 + at) - p2nl (t1 + at)2. (5)
W = pnlzt - p 2 nlt2.
(1)
Рис. 1. Схема для вывода зависимости концентрации раствора от времени истечения воды для растворимого цилиндрического твердого тела, помещенного в трубу
Это позволяет найти объем растворенного картриджа ЛЖ21 за время ЛV.
лж21 = рпкЛг - р2%1Лг2 - 2р2п1г 1Лг. (6)
Первые два члена уравнения (6) для конкретного материала являются величинами постоянными, третий — зависит от времени. Чем больше время t1, тем больше третий член уравнения (6) и меньше величина ЛЖ21. Следовательно, при использовании цилиндрических картриджей концентрация водного раствора будет уменьшаться с течением времени [2].
Выполненные нами расчеты для твердотельных смачивателей "Ругосоо1 ТБ" показали, что объем картриджа, растворяющегося в течение первой секунды, в 2008 раз больше по сравнению с растворяющимся на последней секунде. Вследствие этого концентрация раствора, получаемого в течение первой секунды, в 2008 раз больше получаемого на последней [2].
В связи с этим сформулирована задача — теоретически обосновать форму и условия получения из твердотельных картриджей водных растворов ПАВ с постоянной концентрацией.
Установлено [3], что, если в центре бесконечной трубы диаметром Б, по которой движется вода плотностью рв со скоростью V, помещено твердое тело трубчатой формы с внешним диаметром 2 и коаксиальным цилиндрическим каналом диаметром 2вн и длиной I, характеризующееся плотностью рт и растворимостью в единицу времени с единицы площади поверхности р (рис. 2), зависимость объема растворенного твердого тела трубчатой формы от времени подачи воды описывается уравнением
Ж = РП1 (2 + 2 внК (7)
Это, по аналогии с вышеизложенным, позволяет найти зависимость количества растворенного ПАВ от времени растворения картриджа.
ЛЖ21 = ръ1 ( 2 + 2 вн)Лt. (8)
В уравнении (8) для материала картриджа трубчатого типа значения величин р, I, 2 и 2вн постоянные, следовательно, за равные промежутки времени Лt будет растворяться одинаковый объем картриджа и обеспечиваться постоянство концентрации ПАВ в растворе.
Изложенное выше является необходимым, но недостаточным условием обеспечения постоянства концентрации ПАВ в растворе при растворении твердотельного картриджа. В стволах белорусского производства схема, приведенная на рис. 2, на практике имеет следующую реализацию: твердотельный водорастворимый коаксиальный источник помещается в сетку цилиндрической формы, которая, в свою очередь, устанавливается в тубусе ствола. Схема течения жидкости для этого случая представлена на рис. 3.
Рис. 2. Схема для вывода зависимости концентрации раствора от времени истечения воды для растворимого трубчатого твердого тела, помещенного в трубу
Рис. 3. Схема для вывода зависимости диаметра канала в твердофазном источнике смачивателя от величины шероховатости (коэффициента гидравлического трения) поверхностей
С помощью схемы рис. 3 получена математическая зависимость, позволяющая определить соотношение диаметров, обеспечивающих равномерное растворение и постоянство концентрации [3]:
й 0 =
X0(й2 - й 12)3
Х туб й 2 + Х сет й 1
0,2
(9)
где Х0 — коэффициент гидравлического трения цилиндрического канала, выполненного в твердофазном источнике;
Хтуб — коэффициент гидравлического трения в кольцевом канале на стенке тубуса; Хсет — коэффициент гидравлического трения в кольцевом канале на стенке сетки, в которую помещен коаксиальный источник. Коэффициенты гидравлического трения могут быть рассчитаны по следующим формулам:
x 0 = 0,11 ( л 0/й 0)0,25; (10)
x туб = 0,11 [л ту6/( й2 - й 1)]0,25; (11)
x сет = 0,11 [л сет / ( й 2 - й о]0,25, (12)
где Л0 — эквивалентная шероховатость канала внутри источника смачивателя; Лтуб — эквивалентная шероховатость стенки тубуса;
Лсет — эквивалентная шероховатость сетки.
Эти формулы позволяют провести расчет диаметра канала в твердотельном источнике смачивателя с достоверностью определения величины шероховатости (коэффициента гидравлического трения) рассматриваемых поверхностей.
Наряду с теоретическими вопросами получения водных растворов ПАВ из твердотельных смачивателей, решены практические вопросы создания белорусских твердотельных картриджей.
На момент начала исследования в Республике Беларусь нормативный документ, устанавливающий требования к твердотельным смачивателям для тушения пожаров, отсутствовал, в связи с чем возникла необходимость сформулировать основные требования к твердотельным источникам смачивателя. Исходя из литературных данных о твердотельных источниках ПАВ, а также результатов собственных исследований [2, 3], был сделан вывод о том, что твердофазный источник смачивателя для пожаротушения должен удовлетворять следующим требованиям:
во-первых, он должен иметь среднюю растворимость в единицу времени с единицы площади по-верхностир = 1,71-Ю-4 м/с, что позволяет получать раствор ПАВ с концентрацией 0,03 % масс. [2];
во-вторых, добавка ПАВ в количестве 0,03 % масс. должна снижать поверхностное натяжение воды на 20-50 %;
в-третьих, смачивающая способность 0,03 %-ного водного раствора должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к смачивателям [4];
в-четвертых, твердотельный картридж должен сохраняться в твердом виде без изменения формы и размеров в температурном интервале от минус 5 до 45 °С.
В целях создания твердотельного источника смачивателя для пожаротушения, удовлетворяющего перечисленным требованиям, был осуществлен поиск соответствующих компонентов.
Как известно, подавляющее большинство ионо-генных ПАВ, используемых в качестве смачивателей для тушения пожаров, представляют собой жидкости, реже пасты и твердые вещества [5]. Ионоген-ные ПАВ, существующие в твердом состоянии при комнатной температуре, не могут быть использованы в качестве материала картриджей твердотельного смачивателя для тушения пожаров, так как они не позволяют менять величину средней растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности. Кроме этого, картриджи, изготовленные из таких материалов, даже при комнатной температуре имеют неудовлетворительные механические свойства.
Для создания твердотельного смачивателя необходимо реализовать композицию из нескольких компонентов. Одним из компонентов должно быть ПАВ, снижающее поверхностное натяжение и
обеспечивающее необходимую смачивающую способность. Второй компонент должен обеспечивать возможность регулирования величины средней растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности и обеспечивать сохранение формы и размеров картриджа в температурном интервале от минус 5 до 45 °С.
Исходя из этого, вторым компонентом композиции твердотельного смачивателя должен быть водорастворимый полимер, причем обладающий свойствами ПАВ. К таким полимерам относятся поли-этиленгликоли (ПЭГ), являющиеся неионогенны-ми ПАВ. Производимые промышленностью ПЭГ существенно отличаются по молекулярной массе, температуре плавления и скорости растворения в воде. Значения молекулярной массы и температуры плавления обычно приводятся в паспортных данных на полимер. Данные же по влиянию ПЭГ различной молекулярной массы на поверхностное натяжение воды и смачивающую способность водных растворов в литературе на момент начала исследования отсутствовали.
В связи с этим выбор компонентов для создания твердофазного источника раствора ПАВ был начат с исследования свойств ПЭГ.
Изучение зависимости поверхностного натяжения от молекулярной массы ПЭГ показало, что при концентрации 0,1 % масс. (что существенно больше концентрации ПАВ, которую должен обеспечить картридж) водные растворы ПЭГ различной молекулярной массы имеют близкие значения поверхностного натяжения (табл. 1). При этом полиэти-ленкгликоли снижают поверхностное натяжение воды несущественно, что позволило сделать вывод о необходимости включать в композицию наряду с ПЭГ другие ПАВ, в большей степени снижающие поверхностное натяжение.
Этот вывод подтверждается результатами изучения смачивающей способности 0,1 %-ных водных растворов ПЭГ. Время смачивания для всех растворов превышало 21 мин, что не удовлетворяло требованию к водному раствору смачивателя [4].
Для оценки пригодности ПЭГ как основы для создания твердофазного источника смачивателя были определены температурные характеристики плавления. Результаты этого определения для образцов ПЭГ с различной молекулярной массой представлены в табл. 2. Как видно из табл. 2, ПЭГ с молекулярной массой 4000 и выше могут применяться
Таблица 1. Поверхностное натяжение водных растворов 0,1 %-ного ПЭГ различной молекулярной массы
Молекулярная масса ПЭГ 4000 6000 15000 20000 40000
ст, мН/м 62,1 61,9 61,2 61,3 61,7
Таблица 2. Температурные характеристики образцов ПЭГ
Образец Температура плавления, °С
начальная конечная
ПЭГ-1500 47,5 49
ПЭГ-4000 60,5 62
ПЭГ-6000 61,5 64
в качестве основы твердотельного источника смачивателя.
Таким образом, результаты изучения свойств ПЭГ с различной молекулярной массой позволяют сделать следующие выводы:
во-первых, по температуре плавления ПЭГ с молекулярной массой 4000 и выше могут быть использованы в качестве основы для получения твердого источника смачивателя;
во-вторых, способность ПЭГ снижать поверхностное натяжение воды и увеличивать ее смачивающую способность недостаточна для создания твердотельных источников смачивателей.
В качестве компонентов, снижающих поверхностное натяжение и повышающих смачивающую способность раствора, получаемого из твердотельного картриджа для тушения пожаров, использовались следующие ПАВ: децилсульфат аммония, лаурил-сульфат натрия, вторичный алкилсульфонат натрия, а также алкил(С8-С10)сульфат аммония, промыш-ленно выпускаемый Научно-методическим учреждением (НМУ) БГУ "Республиканский центр проблем человека", и наряду с ними разработанный состав для тушения торфяных и лесных пожаров ОС-3Т.
Практический интерес представляло нахождение математических зависимостей поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в растворе.
Известно [6], что между поверхностным натяжением и концентрацией ПАВ в растворе существует взаимосвязь, описываемая уравнением Шиш-ковского:
а'=а 0 - а 1п( Ьс + 1), (13)
где а' — поверхностное натяжение раствора с концентрацией ПАВ, равной с;
а0 — поверхностное натяжение воды;
а и Ь — эмпирические коэффициенты.
Значения коэффициентов в уравнении Шиш-ковского для перечисленных ПАВ, найденные по разработанной нами методике [7], представлены в табл. 3. В этой же таблице приведены значения стандартного отклонения экспериментальных значений относительно полученных уравнений.
Как видно из табл. 3, значения стандартного отклонения для исследованных ПАВ находятся в диапазоне от 0,1 до 3,6 мН/м, что сопоставимо или несущественно превышает стандартное отклонение прямых изменений поверхностного натяжения. Это позволяет утверждать, что для вторичного алкил-сульфоната натрия, огнетушащего состава ОС-3Т, децилсульфата аммония, лаурилсульфата натрия и алкил(С8-С10)сульфоната аммония зависимость поверхностного натяжения от концентрации в исследованном интервале концентраций (0___0,1 % масс.)
может быть описана уравнением Шишковского со значениями эмпирических коэффициентов, приведенными в табл. 3.
Вместе с тем, как видно из рис. 4, для децил-сульфата аммония, лаурилсульфата натрия и алкил-(С8-С10)сульфоната аммония зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ, описываемая уравнением Шишковского, фактически превращается в зависимость, описываемую линейным уравнением. Это связано с тем, что исследуемый интервал концентраций относительно небольшой и на нем не в полной мере проявляется логарифмическая зависимость поверхностного натяжения от концентрации.
В области исследованных концентраций по эффективности снижения поверхностного натяжения исследованные ПАВ можно расположить в ряд: вторичный алкилсульфонат натрия > алкил(С8-С10)-сульфонат аммония > лаурилсульфат натрия > децилсульфат аммония > ПЭГ-6000 > ОС-3Т. Это согласуется с литературными данными о повышении влияния поверхностно-активных добавок на поверхностное натяжение воды с увеличением длины углеводородного радикала и его разветвленности [8]
Таблица 3. Значения эмпирических коэффициентов в уравнении Шишковского для исследованных ПАВ
ПАВ а0 а Ь Стандартное отклонение, мН/м 1/Ь йа/йс
ПЭГ-4000 72,4 2,1 1355,6 1,5 0,00074 -2,1/с
Алкилсульфонат натрия 72,4 33,4 25,80 3,6 0,039 -33,4/с
ОС-3Т 72,4 0,17 13524883 0,1 7,4-10-8 -0,17/с
Децилсульфат аммония 72,4 26,4 5,70 1,0 0,17 -150,5
Лаурилсульфат натрия 72,4 225,5 1,33 0,5 0,75 -299,9
Алкилсульфонат аммония 72,4 3233 0,11 3,2 8,90 -335,6
g> 80 пЧ
§ 70 й §
& и 60
« 5
о к
И I 50
111 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Концентрация ПАВ, % масс.
80-u <1 т
§5"
| Ы 40-я
300 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14
Концентрация ПАВ, % масс.
80 а 70
о
60
О 1)
я а 50
& и
§ | 40 К а м 30
20
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Концентрация ПАВ, % масс.
Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения водных растворов от концентрации децилсульфата аммония (а), лаурилсульфата натрия (б) и алкил(С8-С10)сульфоната аммония (в):--результаты обработки экспериментальных данных; ■ — экспериментальные значения поверхностного натяжения
и подтверждается показателями смачивающей способности водных растворов ПАВ (табл. 4).
По показателю смачивания гидрофобной ткани исследованные ПАВ можно расположить в ряд: вторичный алкилсульфонат натрия > алкилсульфонат аммония > лаурилсульфат натрия.
Сопоставление результатов оценки поверхностного натяжения и смачиваемости позволило сделать вывод о том, что существует корреляционная зависимость между значениями показателя смачивающей способности и поверхностного натяжения: улучшение смачивания наблюдается при уменьшении поверхностного натяжения.
Основываясь на результатах проведенных исследований, стремились к получению композиций с минимальным содержанием ПЭГ, но достаточным для обеспечения функции связующего и сохранности образца в твердом виде без изменения формы и размеров в достаточно широком температурном интервале.
Составы в системах ПЭГ - ПАВ(ОС-ЗТ) готовились путем смешения различных количеств ПАВ
Таблица 4. Показатели смачивающей способности водных растворов ПАВ
Поверхностно- Время появления первой капли раствора, с, при концентрации, % масс.
0,033 0,1 0,3
Вторичный алкилсульфонат натрия 525 6 2
Алкилсульфонат аммония Более 600 373 12
Лаурилсульфат натрия Более 600 Более 600 12
Таблица 5. Минимальные количества ПЭГ и максимальные количества ПАВ и ОС-ЗТ, обеспечивающие получение качественных твердотельных образцов
Компонент Содержание компонента, % масс., в образце
1 2 3 4 5
ПЭГ 69-71 61-64 49-51 56-59 66-69
Алкил(С8-С 10)суль-фонат аммония 29-31 0 0 0 0
Вторичный алкил-сульфонат натрия 0 36-39 0 0 0
Лаурилсульфат натрия 0 0 49-51 0 0
Огнетушащий состав ОС-ЗТ 0 0 0 41-44 0
Децилсульфат аммония 0 0 0 0 31-34
(вторичный алкилсульфонат натрия, алкилсульфонат аммония, децилсульфат аммония и лаурилсульфат натрия) или огнетушащего состава ОС-ЗТ и ПЭГ. Для приготовления композиции смесь ПЭГ с добавкой ПАВ или ОС-ЗТ помещали в фарфоровый тигель, нагревали в термошкафу при температуре 100 °С в течение 10 мин. При этом полимер переходил в жидкое состояние. Полученный расплав выливался в трубку из полипропилена с внутренним диаметром 12 мм и после застывания выдавливался специальным поршнем. В результате получались изделия в виде цилиндров диаметром 12 мм. Качество полученных образцов оценивали визуально: хорошими считались сплошные образцы, твердые на ощупь, не размягчающиеся в руках при комнатной температуре.
Таким образом, экспериментально были определены минимальные количества ПЭГ и максимальные количества ПАВ и ОС-ЗТ, обеспечивающие получение качественных твердотельных образцов (табл. 5). Свойства полученных образцов в сравнении с импортным твердотельным смачивателем "Ругосоо1 ТБ" приведены в табл. 6.
Как видно из табл. 6, образцы систем ПЭГ -ПАВ(ОС-ЗТ) характеризуются такой же раствори-
Таблица 6. Свойства полученных твердотельных образцов систем ПЭГ-ПАВ(ОС-ЗТ) в сравнении с импортным твердотельным смачивателем "Ругосоо1 ТБ"
Показатель Образец
1 2 3 4 5 Ругосоо1 ТБ
Внешний вид Твердое вещество кремового цвета Твердое вещество белого цвета Воскообразное вещество белого цвета с зеленоватым оттенком Твердое вещество кремового цвета
Плотность, г/см3 1,20 1,17 1,11 1,39 1,16 1,21
Показатель концентрации ионов водорода (рН) 5 %-ного водного раствора 5-6 6-7 6-7 7 6-7 6-7
Растворимость 5 г образца в 100 г воды при 17 °С, % 100 100 100 100 100 100
Поверхностное натяжение, мН/м, раствора концентрации: 0,03 % 0,10 % 63,6 59,6 59,4 47,4 61,1 51,6 66,1 65,7 64,4 62,0 64,4 58,4
мостью и показателем концентрации ионов водорода получаемого раствора, что и импортный твердотельный смачиватель "Ругосоо1 ТБ". Образцы ПЭГ -вторичный алкилсульфонат натрия и ПЭГ - лаурил-сульфат натрия в большей степени снижают поверхностное натяжение воды, чем импортный аналог. Образцы на основе системы ПЭГ - децилсульфат аммония и ПЭГ - алкилсульфонат аммония снижают поверхностное натяжение практически так же, как и твердотельный смачиватель "Ругосоо1 ТБ". Образец ПЭГ - ОС-3Т снижает поверхностное натяжение несколько меньше, чем импортный аналог.
На рис. 5, а приведены экспериментальные зависимости поверхностного натяжения водного раствора от концентрации для образца системы ПЭГ -алкил(С8-С10)сульфонат аммония, на рис. 5, б — системы ПЭГ - вторичный алкилсульфонат натрия, на рис. 5, в — системы ПЭГ - лаурилсульфат натрия и на рис. 5, г — состава импортного твердотельного смачивателя "Ругосоо1 ТБ".
Обработав экспериментальные данные, исходя из представления, что зависимость поверхностного натяжения от концентрации описывается уравнением Шишковского [6], по методике, приведенной в [9], получили математические выражения зависимостей поверхностного натяжения от концентрации фторированного ПАВ при минимальном значении стандартного отклонения экспериментальных значений от теоретической зависимости, которые приведены на рис. 5. Здесь же представлены зависимости поверхностного натяжения от концентрации, рассчитанные по аддитивной схеме, на основе полученных зависимостей поверхностного натяжения от концентрации для ПЭГ и перечисленных ПАВ.
Результаты обработки полученных экспериментальных данных свидетельствуют о том, что в исследуемом интервале зависимость поверхностного
натяжения от концентрации состава систем ПЭГ -ПАВ и импортного твердотельного смачивателя "Ругосоо1 ТБ" описывается уравнением Шишковского. Установлено также, что зависимость поверхностного натяжения от концентрации композиции может быть рассчитана исходя из представлений об аддитивном вкладе ПЭГ и ПАВ в поверхностное натяжение при их совместном растворении из твердотельного состава систем ПЭГ - ПАВ.
Исследование показателя смачивающей способности твердофазных составов систем ПЭГ - ал-кил(С8-С10)сульфонат аммония, ПЭГ - вторичный алкилсульфонат натрия, ПЭГ - лаурилсульфат натрия и состава импортного твердотельного смачивателя "Ругосоо1 ТБ" показало, что при концентрациях 0,0033 и 0,1 % масс. время появления первой капли раствора превышает 10 мин. Для сопоставления смачивающей способности указанных составов, так же как и водных растворов ПАВ, была выбрана концентрация 0,3 % масс.
Результаты исследования показателя смачивающей способности 0,3 %-ных водных растворов твердофазных составов приведены в табл. 7. Как видно из табл. 7, все синтезированные твердофазные составы систем ПЭГ - ПАВ превосходят импортный аналог "Ругосоо1 ТБ" по показателю смачивающей способности при их концентрации 0,3 % масс. Наименьшим временем смачивания (5 с) характеризуется состав системы ПЭГ - вторичный алкилсульфонат натрия.
Сопоставление данных поверхностного натяжения и значений, характеризующих смачиваемость, позволило сделать вывод, что для исследованных твердофазных составов существует корреляционная зависимость между значениями показателя смачивающей способности и поверхностного натяжения, т. е. улучшение смачивания наблюдается при уменьшении поверхностного натяжения.
Б
О (L)
|S
8" U
n а
(3 й G S
№
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Концентрация твердотельного состава, % масс.
72,4 - 10,2 ln(l 11,3с + 1)
б
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Концентрация твердотельного состава, % масс.
75 70 65 60 55 50
о' = 72,4 - 9,3 ln(84,8c + 1)
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Концентрация твердотельного состава, % масс.
Таблица 7. Показатели смачивающей способности 0,3 %-ных растворов, полученных с использованием твердофазных составов
Твердофазный состав Время появления первой капли раствора, с
ПЭГ - алкил(С8-С10)сульфо-нат аммония 244
ПЭГ - вторичный алкилсуль-фонат натрия 5
ПЭГ - лаурилсульфат натрия 45
Импортный твердотельный смачиватель "Ругосоо! ТБ" 846
Таблица 8. Растворимость в воде твердотельных образцов ПЭГ - ПАВ(ОС-ЗТ) в сравнении с импортным твердотельным смачивателем "Ругосоо! ТБ"
Время растворения образца, мин в режиме
Номер стати- динамическом
образца ческом при 17 °С 4,3 л/мин, 17 °С 4,3 л/мин, 6°С 2,1 л/мин, 6 °С
2 210 13,0 25 31,5
3 205 15,5 42 64,0
4 120 7,0 15 16,5
5 150 14,0 20 30,5
Pyrocool TS 180 14,5 25 30,5
а' = 72,4 - 7,3 ln(55,9c + 1)
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Концентрация твердотельного состава, % масс.
Рис. 5. Зависимость поверхностного натяжения водных растворов от концентрации для состава систем ПЭГ - ал-кил(С8-С10)сульфонат аммония (а), ПЭГ - вторичный ал-килсульфонат натрия (б), ПЭГ - лаурилсульфат натрия (в) и импортного твердотельного смачивателя "Ругосоо1 ТБ" (г): --результаты обработки экспериментальных данных; ----аддитивная зависимость; ▲ (■) — экспериментальные значения поверхностного натяжения
Для оценки сохранения образцами формы без изменения их выдерживали в термошкафу при температуре 45 °С в течение 2 ч. Образцы ПЭГ - вторичный алкилсульфонат натрия, ПЭГ - лаурилсуль-фат натрия и ПЭГ - ОС-3Т остались твердыми и форму не меняли. У образцов ПЭГ - децилсульфат аммония и ПЭГ - алкилсульфонат аммония в связи с их размягчением форма начинала меняться.
Исследование растворимости образцов систем ПЭГ - ПАВ(ОС-ЗТ) в воде проводили в статическом и динамическом режимах.
В первом случае синтезированный образец в виде цилиндра диаметром 12 мм и высотой 40 мм (в зависимости от плотности массой « 5 г) помещали в стеклянную плоскодонную коническую колбу объемом 100 мл с притертой стеклянной пробкой, приливали 100 мл дистиллированной воды и выдерживали до растворения образца.
Во втором случае синтезированный образец помещали в стеклянную трубку с внутренним диаметром 14 мм, подсоединенную через резиновый шланг к водопроводному крану. Нижний конец стеклянной трубки с синтезированным образцом закрывали слоем марли. Скорость течения воды через стеклянную трубку варьировали от 2,1 до 4,3 л/мин, температуру воды — от 6 до 17 °С.
Результаты проведенного исследования для образцов систем ПЭГ - ПАВ(ОС-ЗТ) в сравнении с импортным твердотельным смачивателем "Ругосоо1 ТБ" представлены в табл. 8.
Как видно из табл. 8, в статическом режиме все исследованные образцы растворялись в течение 2,0-4,5 ч. Если время растворения в статическом режиме возрастает, то, как правило, то же происходит и в динамическом режиме. Это прослеживается для разных температур воды и скорости ее истечения. Вместе с тем есть и исключения. Корреляционная зависимость между временем растворения
Таблица 9. Растворимость в единицу времени с единицы площади поверхности полученных твердотельных образцов ПЭГ - ПАВ(ОС-3Т) и импортного твердотельного смачивателя "Ругосоо1 ТБ"
Растворимость в единицу времени
Номер образца с единицы площади поверхности, м/с
4,3 л/мин, 4,3 л/мин, 2,1 л/мин,
17 °С 6°С 6°С
2 4,6-Ю-4 2,4 -10-4 1,9 -10-4
3 3,8-Ю-4 1,4 -10-4 9,4 10-5
4 8,6-Ю-4 4,0 -10-4 3,6 -10-4
5 4,3-Ю-4 3,0 -10-4 2,0 10-5
Ругосоо1 N8 4,1-Ю-4 2,4 -10-4 1,9 -10-4
я 3 0) -
8> Б т а ч-"
Л о
В §
э I
н я 2 Л
Р Й £ &
610
5-10-4 4-10-4
зю-^ 2-10-4 1-10 '
0 1-КГ4 2-КГ4 3-Ю"4 4-Ю"4 5-Ю"4 Константа растворения при расходе 2,1 л/с, м/с
Рис. 6. Зависимость растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности при расходе 4,3 л/с для исследованных систем ПЭГ - ПАВ(ОС-3Т) от растворимости при расходе 2,1 л/с:--расчетная зависимость р43 = = 0,9327р21 + 7,03 -10-5; □ — экспериментальные значения
в динамическом и статическом режимах отсутствует, что, по-видимому, обусловлено разным характером растворения. Как известно, в стационарном режиме зависимость массы растворившегося продукта от времени имеет вид кривой с насыщением, в то время как при динамическом режиме насыщение, как правило, не наступает.
Основываясь на данных табл. 8, по формуле (1) рассчитана растворимость в единицу времени с единицы площади поверхности р. Расчеты выполнены для твердотельных составов диаметром 12 мм. Результаты расчета представлены в табл. 9.
Сопоставление результатов расчета растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности свидетельствует о том, что полученные значения р имеют одинаковый порядок.
Из табл. 9 также видно, что при одинаковом расходе (скорости движения) воды, но при разной температуре получаются различные значения растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности. Более высокой температуре соответствуют большие значения р. Это хорошо согласуется с известными данными об увеличении растворимости использованных ПАВ с ростом температуры. Вместе с тем корреляционная зависимость между значениями растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности для исследованных температур отсутствует. Это, по-видимому, связано с тем, что для исследованных составов количественная зависимость растворимости от температуры неодинакова.
Из данных, представленных в табл. 9, следует, что при одинаковой температуре, но при разном расходе (скорости движения) воды получаются разные значения растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности. С ростом расхода (скорости движения) воды значение р увеличивается. Это, по-видимому, обусловлено тем, что для конкретного материала скорость диффузии является величиной постоянной, а в исследуемом диапа-
зоне расхода воды лимитирующей стадией является скорость удаления поверхностно-активных веществ из зоны взаимодействия воды и ПАВ.
На рис. 6 приведена зависимость растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности при расходе 4,3 л/с для исследованных систем ПЭГ - ПАВ(ОС-3Т) от растворимости при расходе 2,1 л/с. Как видно из рис. 6, эта зависимость носит линейный характер, описываемый уравнением
р4 3 = 0,9327р21 + 7,03 • 10(14)
где р4,3 и р2,1 — растворимость в единицу времени с единицы площади поверхности при расходе соответственно 4,3 и 2,1 л/с. Следует отметить, что коэффициент пропорциональности в уравнении (14) близок к единице. Поэтому уравнение
р4,3 - р2,1 + 7,03 • 10-5 (15)
практически так же точно описывает зависимость растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности при расходе 4,3 л/с от растворимости при расходе 2,1 л/с, как и уравнение (14). Таким образом, растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности при расходах 4,3 и 2,1 л/с различаются на постоянную величину.
Это подтверждает сделанное ранее предположение, что с изменением расхода (скорости движения) воды коэффициент диффузии не изменяется, а скорость удаления ПАВ с поверхности твердотельного смачивателя возрастает. Поэтому растворимости в единицу времени с единицы площади поверхности при расхо-дах4,3и2,1л/с отличаются на постоянную величину.
Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что составы систем ПЭГ - вторичный алкилсульфонат натрия, ПЭГ -алкилсульфонат аммония, ПЭГ - лаурилсульфат натрия и ПЭГ - децилсульфат аммония и ПЭГ - огнету-шащий состав ОС-3Т удовлетворяют требованиям к твердотельным источникам ПАВ. При этом со-
став системы ПЭГ - вторичный алкилсульфонат натрия превосходит составы систем ПЭГ - ПАВ, а также импортный аналог твердотельного смачивателя "Ругосоо1 ТБ".
На основе полученных результатов разработана промышленная технология получения смачивателей-картриджей для стволов пожарных ручных типа СПРК-50 на основе составов перечисленных систем. Совместно с НМУ БГУ "Республиканский центр проблем человека" создана экспериментальная установка, состоящая из трех модулей — управления, синтеза и экструзии и реализующая разработанную технологию. Разработан технологический регламент, который обеспечивает получение твердых смачивателей-картриджей на созданной экспериментальной установке и на основании которого получены опытные партии твердых смачивателей-картриджей, прошедших лабораторные и полигонные испытания, в том числе на огнетушащую эффективность с применением ручного комбинированного пожарного ствола, на соответствие требованиям технических условий ТУ БУ 101114857.062- 2007 "Смачиватели-картриджи для тушения пожаров "Эффект СК".
Рис. 7. Смачиватель-картридж для тушения пожаров "Эффект СК" производства НМУ БГУ "Республиканский центр проблем человека"
Результаты испытаний показали, что образцы смачивателя-картриджа (рис. 7) для тушения пожаров "Эффект СК" из опытных партий по эксплуатационным характеристикам не уступают зарубежному аналогу — "Ругосоо1 ТБ" производства компании "Ругосот". Смачиватели-картриджи для тушения пожаров "Эффект СК" рекомендованы к постановке на производство и в настоящее время производятся по заказу Министерства по чрезвычайным ситуациям НМУ БГУ "Республиканский центр проблем человека".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Круль, Л. П. Метод получения твердотельного источника ПАВ для пожаротушения / Л. П. Круль [и др.] // Научное обеспечение защиты от чрезвычайных ситуаций: основные результаты выполнения государственной научно-технической программы "Чрезвычайные ситуации" (2000-2004 гг.) : сб. науч. тр. — Мн. : УП "Технопринт", 2005. — С. 199-207.
2. Котов, С. Г. Теоретические основы получения водных растворов ПАВ из твердотельных источников смачивателей / С. Г. Котов, А. А. Гуз, Д. С. Котов // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2007. — № 1(21). — С. 45-53.
3. Котов, С. Г. Гидродинамика потока при использовании твердотельного источника смачивателя с коаксиальным каналом / С. Г. Котов, И. В. Карпенчук, Д. С. Котов, Д. А. Леоник // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2007. — № 2(22). — С. 49-61.
4. СТБ ГОСТ Р 50588-99. Пенообразователи для тушения пожаров. Общетехнические требования и методы исследования: введен 1 июля 2000 г. — Минск: Госстандарт, 2000. — 24 с.
5. Казаков, М. В. Применение поверхностно-активных веществ для тушения пожаров / М. В. Казаков. — М. : Стройиздат, 1977. — 81 с.
6. Фридрихсберг, Д. А. Курс коллоидной химии / Д. А. Фридрихсберг. — СПб. : Химия, 1995.
— 400 с.
7. Котов, С. Г. Исследование поверхностного натяжения фторсодержащих поверхностно-активных веществ с целью создания пленкообразующего пенообразователя / С. Г. Котов, О. Д. Навроцкий, Д. С. Котов // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2006. — № 1(19). — С. 69-81.
8. Шарифуллин, Р. Р. Некоторые физико-химические характеристики простых полиэфиров на основе окисей олефинов / Р. Р. Шарифуллин, Д. X. Сафин // Химическая промышленность.
— 2002. — № 11. — С. 34-38.
9. Котов, С. Г. Исследование поверхностного и межфазного натяжения растворов солей пер-фторнонановой кислоты / Ю. В. Григорьев, В. К. Емельянов, Д. С. Котов, Ю. В. Заневская, О. Д. Навроцкий // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2008. — № 2(24). — С. 39-57.
Материал поступил в редакцию 22 сентября 2009 г.
©Котов С. Г., Круль Л. П., Котов Д. С., 2010 г. (e-mail: kotovsg@bsu.by, kotov_sergei@rambler.ru, viscount.d@gmail.com).
