CC BY
50
A. В. КОКШАРОВ, канд. хим. наук, начальник научно-исследовательского отделения Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; e-mail: Koksharovab@e1.ru)
B. Ф. МАРКОВ, д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии Уральского федерального университета им. первого Президента России Б. Н. Ельцина (Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19)
Д. Ю. БУЧЕЛЬНИКОВ, канд. пед. наук, начальник учебно-научного комплекса организации пожаротушения Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22)
В. В. ТЕРЕНТЬЕВ, канд. с.-х. наук, доцент, доцент кафедры пожарной техники Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22)
УДК 614.842.615
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПЕНЫ НИЗКОЙ КРАТНОСТИ НАТРИЕВОЙ СОЛЬЮ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Исследовано влияние натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na КМЦ) на синерезис и термическую устойчивость пены. Установлено, что концентрация добавки Na КМЦ от 0,25 до 2 % масс. в пенообразующем растворе в несколько раз снижает скорость истечения жидкости. Показано, что сорбирующая способность добавки позволяет связывать жидкость в пене, предотвращая ее вытекание после длительной выдержки. Пены с добавкой Na КМЦ в исследуемом концентрационном диапазоне показывают также более высокую термическую устойчивость.
Ключевые слова: пена; пожаротушение; стабильность пены; карбоксиметилцеллюлоза; кратность пены.
Введение
Огнетушащая способность пены зависит от того, как долго она способна сохранять изолирующие свойства под воздействием ряда разрушающих факторов [1]. С момента образования пены начинаются процессы, приводящие к ее разрушению. В результате синерезиса, испарения жидкости происходит утончение межфазных пленок, что приводит к потере ими устойчивости к термическим и механическим воздействиям. Наиболее толстую жидкостную оболочку имеют пены низкой кратности, однако характерная для них высокая скорость истечения жидкости быстро снижает их устойчивость после образования. Одним из способов сохранения жидкости в пене является повышение вязкости раствора за счет введения специальных загустителей [2]. Использование глицерина или этиленгликоля в качестве загустителя позволяет замедлить синерезис, однако действие этих веществ будет эффективно при концентрации не менее 10-15 % масс. [3, 4].
Наибольший интерес с этой точки зрения представляют производные целлюлозы, поскольку они способны значительно повышать вязкость раствора даже при небольшом содержании благодаря высокой сорбирующей способности и построению молекулярной сетчатой структуры за счет образования межмолекулярных связей [5]. Производные целлюлозы широко используются для стабилизации пены
в пищевой, парфюмерной и керамической промышленности [6-8].
Использование производных целлюлозы, в частности натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (№ КМЦ), в качестве добавки к пенообразователю для пожаротушения отмечается только в двух работах [9, 10]. По их данным содержание этих веществ в пенообразователе составляет от 2 до 5 % масс. В результате содержание № КМЦ в рабочем растворе для получения пены будет составлять менее 1 % масс., что недостаточно для значительного увеличения вязкости раствора и стабильности пены.
В настоящее время значительное распространение в пожарной практике получает компрессионная пена низкой кратности, которая обладает рядом положительных свойств. Кратность данной пены составляет, как правило, от 5 до 20 [11]. Повышение стабильности низкократной пены позволяет значительно повысить тактические возможности при тушении пожара.
Среди загустителей для стабилизации низкократных пен в пожаротушении особый интерес представляет № КМЦ благодаря ее низкой стоимости и экологической безопасности. Ранее добавка № КМЦ уже использовалась нами для стабилизации газонаполненной пены, действие которой способствовало снижению диффузии диоксида углерода [12].
© Кокшаров А. В., Марков В. Ф., Бучельников Д. Ю., Терентъев В. В., 2014
Целью настоящей работы явилось изучение влияния Na КМЦ на устойчивость пен к процессу обезвоживания и их термическую устойчивость.
Результаты и их обсуждение
Известно, что основной проблемой изучения обезвоживания является необходимость получения пены одинаковой дисперсности и кратности. Для приготовления пены в работе использовалось механическое перемешивающее устройство, изготовленное из сетки с ячейками 1,5 мм. Пену взбивали до кратности Кп 5,10 и 20, а затем переносили в градуированный цилиндр вместимостью 350 мл для определения объема выделившейся жидкости. Для получения пены использовался пенообразователь общего назначения ПО-6РЗ, наиболее распространенный в пожарных подразделениях, а также Na КМЦ 70/300 (ТУ 2231-037-26289127-2001).
Термическая устойчивость пены изучалась при действии теплового потока от пламени газовой горелки на слой пены кратностью 20. Пеной наполняли цилиндр, изготовленный из металлической сетки, давали небольшую выдержку, приводили в соприкосновение с пламенем, имеющим температуру 1200 °С, и замеряли время полного разрушения пены.
В результате исследований были получены кинетические кривые (рис. 1), дифференцирование которых позволило установить скорость истечения жидкости в различные промежутки времени т (рис. 2). Было установлено, что синерезис происходит в три этапа: вначале наблюдается увеличение скорости истечения (период I), затем скорость остается практически постоянной (период II), после чего за счет обеднения жидкостью скорость снижается (период III). В конце третьего периода наблюдается минимальная скорость истечения, однако полного прекращения синерезиса не происходит.
Обработка экспериментальных зависимостей показала, что увеличение содержания Na КМЦ в пено-образующем растворе с 0,25 до 2,0 % масс. сущест-
V, мл 40
30
20
10
0 с
Рис. 1. Кинетическая кривая истечения жидкости из пены с добавкой 0,5 % масс. Ыа КМЦ: V — объем выделившейся жидкости
о
|CßCOGOD
сшЬ оч
СО сф
О оо
О О 0\
о
о°°° \
I II ш % ч \о ^ О \ о \ о о о
0 250 500 750 1000 1250 г, с
Рис. 2. Скорость истечения V жидкости из пены с добавкой 0,5 % масс. Ыа КМЦ во времени т
венно снижает скорость истечения жидкости в период II и увеличивает продолжительность всех периодов синерезиса (табл. 1).
Интересным является то, что Ыа КМЦ позволяет удерживать в пленках продолжительное время значительное количество раствора с сохранением устойчивой структуры пены. Это происходит за счет того, что сольватированные молекулы Ыа КМЦ способны взаимодействовать с адсорбированными слоями и удерживаться на них. Нами было показано, что с увеличением количества добавки в пенообразу-ющем растворе снижается средняя кратность пены после длительной выдержки (рис. 3).
Количество сорбированных молекул Ыа КМЦ на межфазных поверхностях зависит от кратности в начальный момент времени Кп0. Как показано на рис. 3, кратность пены после длительной выдержки ниже для пен с меньшей кратностью в начальный момент времени.
Для пен кратностью 5, 10 и 20 после удаления влаги из пены гравиметрическим методом с погрешностью от 4 до 9 % установлено, что содержание Ыа КМЦ после длительной выдержки больше для пены, имеющей более низкую кратность в начальный момент времени.
Таблица 1. Скорость истечения жидкости в период II и длительность периодов истечения жидкости из пен в зависимости от содержания 1\1а КМЦ
Содержание Na КМЦ, % масс. v, мл/с Длительность периодов истечения жидкости из пены, с
I II III общая
0 0,105 180 120 440 740
0,25 0,083 240 120 480 840
0,50 0,071 280 120 520 920
0,75 0,059 280 120 640 1040
1,00 0,053 320 120 700 1140
1,50 0,033 320 240 760 1320
2,00 0,025 440 240 960 1640
Содержание Иа КМЦ, % масс.
Рис. 3. Изменение средней кратности пены после длительной выдержки в зависимости от содержания Ыа КМЦ в пено-образующем растворе
Рис. 4. Изменение высоты столба пены к во времени т при термическом воздействии на нее пламени газовой горелки в зависимости от количества добавки Ыа КМЦ (% масс.) (числа у кривых)
Таблица 2. Время разрушения пены в зависимости от времени термического воздействия и содержания добавки № КМЦ
С течением времени пена теряет термическую устойчивость в результате обеднения жидкостью. Для оценки термической устойчивости мы определяли время полного разрушения слоя пены после выдержки 1, 5 и 10 мин с момента ее образования.
Действительно, несмотря на то что объем пены сохранялся с течением времени, термическая устойчивость заметно снижалась. Пена, содержащая добавку Ыа КМЦ, показала более высокую термостойкость и способность сохранять ее длительное время (табл. 2).
Повышение термической устойчивости пен с добавкой Ыа КМЦ можно объяснить тем, что при соприкосновении пламени с поверхностью пены происходит разрушение воздушных пузырьков и высвобождение жидкости, которая скапливается в верхних слоях и из-за повышенной вязкости не может быстро стечь по пенным каналам, образуя слой в несколько миллиметров, предохраняющий пену от разрушения. Кроме того, фазаЫа КМЦ при термическом воздействии на пену способна спекаться с образованием защитной механически прочной пленки [13]. Наличие точки перегиба на кривых изменения высоты столба пены при термическом воздействии (рис. 4) объясняется появлением указанных выше защитных факторов.
В результате исследований было установлено, что натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы влияет на скорость и характер истечения жидкости из пены. Введение добавки в количестве 2 % масс. позволяет в 4 раза снизить скорость истечения жидкости из пены и в 5 раз увеличить ее содержание после длительной выдержки. Показано, что Ыа КМЦ в несколько раз повышает термическую устойчивость пены и способствует ее сохранению. Использование исследованной добавки представляет значительную перспективу для улучшения огнетушащих свойств компрессионной пены и повышения тактических возможностей пожарной техники.
Концентрация Ыа КМЦ, % масс. Время выдержки пены, с Время разрушения пены, с Средняя скорость разрушения пены, л/(м2-с)
0 60 125 1,06
0 300 80 1,67
0 600 50 2,67
0,5 60 195 0,62
0,5 300 150 0,89
0,5 600 125 1,06
1,0 60 280 0,48
1,0 300 235 0,57
1,0 600 225 0,59
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АртемьевН. С., ПодгрушныйА. В., ОпаринД.Е. Коэффициент разрушения воздушно-механической пены средней кратности при тушении жидкости в резервуаре // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 1. — С. 82-83.
2. ВилковаН.Г., Еланёва С. И., ВолковаН. В. Течение растворов ПАВ через пену: теория и эксперимент // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. Естественные науки. — 2012. —№ 29. — С. 348-351.
3. ЛысаковВ. Н., Седунов С. Г., Тараскин К. А., Ступникова М. П. Методы получения и исследования свойств пенных составов, перспективных для создания звукоизоляционных покрытий // Молекулярные технологии. — 2008. — № 2. — С. 61-79.
4. Пат. 2345809 Российская Федерация. МПК A62D 1/02 (2006.01). Пенообразующий состав для тушения пожаров / ЛекомцеваН. Б., Бачерикова А. К., БерезинН. В. —№ 2007121923/15; заявл. 14.06.2007 г.; опубл. 10.02.2009 г., Бюл. № 4.
5. Martin A. Hubbe, AliA. Ayour, Jesse S. Daystar, Richard A. Venditti, JoelJ. Pawlak. Enhanced absorbent products incorporating cellulose and its derivatives: Review // BioResources. — 2013. —Vol. 8, No. 4. — P. 6556-6629.
6. Murray B. S. Stabilization of bubbles and foams // Current Opinion in Colloid & Interface Science. — 2007.—No. 12.—P. 232-241.
7. Murray B. S., DurgaK., De GrootP. W. N., KakoulliA., StoyanovS. D. Preparation and characterization of the foam-stabilizing properties of cellulose-ethyl cellulose complexes for use in foods // Journal of Agricultural and Food Chemistry. — 2011. — Vol. 59, No. 24. — P. 13277-13288.
8. Juanli Yu, Jinlong Yang, Qingchuan Zeng, YongHuang. Effect of carboxymethyl cellulose addition on the properties ofSi3N4 ceramic foams // Ceramics International. — 2013.—Vol. 39.—P. 2775-2779.
9. Пат. 2213717 Российская Федерация. МПК C04B 38/10. Пенообразователь / Иваницкий В. В., Бортников А. В., Гудков Ю. В., Сапелин Н. А., Бурьянов А. Ф. — № 2001129058/03; заявл. 26.10.2001 г.; опубл. 10.10.2003 г.
10. Пат. 2111778. Российская Федерация. МПК A62C 3/06. Способ предупреждения пожара разлитой нефти и гелеобразующая композиция / Дегтярев В. Н., Перунов В. П., Халтурин В. Н. — № 97106615/12; заявл. 22.04.1997 г.; опубл. 27.05.1998 г.
11. Чайковский Е. В. Огонь и "Натиск" // Пожарная безопасность в строительстве. — 2006. — № 2. — С. 20-22.
12. Кокшаров А. В., Филиппов А. В. Способ получения пены в первичных средствах пожаротушения // Техносферная безопасность. — 2013. —№ 1. — С. 26-29. URL : http://uigps.ru/content/nau-chnyy-zhurnal (дата обращения: 25.03.2014 г.).
13. Demitri C., GiuriA., RaucciM. G., GiuglianoD., MadaghieleM., SanninoA., AmbrosioL. Preparation and characterization of cellulose-based foams via microwave curing // Interface Focus. — 2014. — Vol. 4. — No. 1, art. 20130053.
Материал поступил в редакцию 3 апреля 2014 г.
STABILIZATION OF HIGH DENSITY FOAMS SODIUM SALT OF CARBOXYMETHYLCELLULOSE
KOKSHAROV A. V., Candidate of Chemistry Sciences, Head of Research Branch, Ural Institute of State Fire Service of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation; e-mail address: Koksharovab@e1.ru)
MARKOV V. F., Doctor of Chemistry Sciences, Professor, Head of Department of Physical and Colloid Chemistry, Ural Federal University named after the First President of Russia B. N. Yeltsin (Mira St., 19, Yekaterinburg, 620002, Russian Federation)
BUCHELNIKOV D. Yu., Candidate of Pedagogical Sciences, Head of Educational and Scientific Complex of Organization of Firefighting, Ural Institute of State Fire Service of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation)
TERENTYEV V. V., Candidate of Agricultural Sciences, Docent, Associate Professor of Firefighting Equipment Department, Ural Institute of State Fire Service of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation)
: English
ABSTRACT
Foam firefighting capacity depends on both its resistance to some destroying factors and preserving its insulating property. Nowadays increasing of firefighting equipment using low-expansion foam is observed. The main feature of such foam is a high rate of flow that results in its loss of capacity to resist to thermal and mechanical action.
Our investigation considers the influence of 0.25-2.0 mass. % sodium carboxymethyl cellulose salt (Na CMC) on synaeresis and foam thermal stability.
The presence of Na CMC in a solution significantly reduces the rate of flow. It should be mentioned that Na CMC can react with the adsorbed layers and due to solvation it keeps a large amount of the so-
lution in the films saving stable foam structure for a long time.
The thermal effect on foam containing Na CMC leads to the protective film formation and prevents it from degradation.
Keywords: foam; fire extinguishing; foam stability; carboxymethylcellulose (CMC); density foam.
REFERENCES
1. Artemyev N. S., Podgrushnyy A. V., Oparin D. Ye. Koeffitsient razrusheniya vozdushno-mekhani-cheskoy peny sredney kratnosti pri tushenii zhidkosti v rezervuare [The destruction factor mechanical foam extinguishing medium ratio of liquid in the tank]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2007, vol. 16, no. 1, pp. 82-83.
2. VilkovaN. G., Yelaneva S. I., VolkovaN. V. Techeniye rastvorov PAV cherez penu: teoriya i eksperi-ment [Flow surfactant solutions through the foam. Theory and experiment]. Izvestiya PGPUim. V. G. Be-linskogo. Yestestvennyye nauki — Izvestia Penzenskogo Gosudarstvennogo Pedagogicheskogo Uni-versiteta imeni V. G. Belinskogo. Natural Sciences, 2012, no. 29, pp. 348-351.
3. Lysakov V. N., Sedunov S. G., Taraskin K. A., Stupnikova M. P. Metody polucheniya i issledovaniya svoystv pennykh sostavov, perspektivnykh dlya sozdaniya zvukoizolyatsionnykh pokrytiy [Preparation and properties analysis of foam structures, promising for sound-proof coverings development]. Molekulyarnyye tekhnologii — Molecular Technologies, 2008, no. 2, pp. 61-79.
4. Lekomtseva N. B., Bacherikova A. K., Berezin N. V. Penoobrazuyushchiy sostav dlya tusheniyapo-zharov [Fire extinguishing foam compound]. Patent RF, no. 2345809, 10.02.2009.
5. Martin A. Hubbe, Ali A. Ayour, Jesse S. Daystar, Richard A. Venditti, Joel J. Pawlak. Enhanced absorbent products incorporating cellulose and its derivatives: A Review. BioResources, vol. 4, no. 8, pp. 6556-6629.
6. Murray B. S. Stabilization ofbubbles and foams. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2007, no. 12, pp. 232-241.
7. Murray B. S., Durga K., De Groot P. W. N., Kakoulli A., Stoyanov S. D. Preparation and characterization of the foam-stabilizing properties of cellulose-ethyl cellulose complexes for use in foods. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2011, vol. 59, no. 24, pp. 13277-13288.
8. Juanli Yu, Jinlong Yang, Qingchuan Zeng, Yong Huang. Effect of carboxymethyl cellulose addition on the properties of Si3N4 ceramic foams. Ceramics International, 2013, vol. 39, pp. 2775-2779.
9. Ivanitskiy V. V., Bortnikov A. V., Gudkov Yu. V., Sapelin N. A., Buryanov A. F. Penoobrazovatel [Foamer]. Patent RF, no. 2213717, 10.10.2003.
10. Degtyarev V. N., PerunovV. P., KhalturinV. N. Sposobpreduprezhdeniyapozhararazlitoynefti igele-obrazuyushchaya kompozitsiya [A method of preventing fire and spilled oil and gelling composition]. Patent RF, no. 2111778, 27.05.1998.
11. Chaykovskiy Ye. V. Ogon i "Natisk" [Fire and "Natisk"]. Pozharnaya bezopasnost v stroitelstve — Fire Safety in Construction, 2006, no. 2, pp. 20-22.
12. Koksharov A. V., Filippov A. V. Sposob polucheniya peny v pervichnykh sredstvakhpozharotusheniya [Generation of foam in a primary means of fire extinguishing]. Tekhnosfernaya bezopasnost — Tech-nosphereSafety, 2013, no. 1, pp. 26-29. Available at: http://www.uigps.ru/content/nauchnyy-zhurnal (Accessed 25 March 2014).
13. DemitriC., Giuri A., RaucciM. G., GiuglianoD., MadaghieleM., Sannino A., AmbrosioL. Preparation and characterization of cellulose-based foams via microwave curing. Interface Focus, 2014, vol. 4, no. 1, art. 20130053.
