CC BY
207
А.И. Скушникова, М.В. Шаптала, Н.С. Шаглаева ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРОВ АКРИЛАМИДА НА СВОЙСТВА ОГНЕТУШАЩИХ ВОДОПЕННЫХ СОСТАВОВ
В настоящее время в России тушение пожаров в химической, газовой и нефтехимической промышленности является одной из основных проблем. Пенное пожаротушение является наиболее эффективным способом тушения пожаров нефти, нефтепродуктов и других горючих жидкостей. Разработка эффективных водопенных огнетушащих составов является приоритетным направлением в пожаротушении.
Огнетушащая эффективность пены определяется комплексом физико-химических показателей. В зависимости от назначения важнейшими свойствами пены могут быть такие, как изолирующая способность, термическая устойчивость, вязкость, предельное сдвиговое напряжение, кратность, самопроизвольное растекание и т.д. Обеспечение этих свойств осуществляется путём разработки состава пенообразующего раствора (пенообразователя) и способа получения пены . С практической точки зрения особый интерес представляет рецептура растворов, позволяющая придать пене необходимые свойства - высокую устойчивость, огнестойкость, огнетушащую способность. Кроме низкомолекулярных спиртов, кислот, аминов, амидов, образующих с пенообразователем водородные связи и приводящих к стабилизации пен, могут быть использованы высокомолекулярные соединения (полимеры).
Гидрофильные полимеры повышают устойчивость пены за счет загущения водных растворов. В составах пенообразователей используют широкую номенклатуру таких соединений - полисахариды и эфиры целлюзюзы, полиакрилаты и полиакриламиды2, полиэтиленгликоли, их азотсодержащие производные и др. Полимерные комплексы, образующиеся в результате взаимодействия компонентов состава, способствуют стабилизации пленок пены. В случае совместного применения низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ важным фактором является их концентрационное сочетание и возможность молекулярного взаимодействия. При выборе рецептуры многокомпонентных пенообразующих составов перспективно использование полимеров акриламида и его сополимеров. Они повышают пленкообразующую способность водопенных огнетушащих составов, усиливают их поверхностно-активные свойства, стабилизируют пену и повышают ее устойчивость.
Сведения, полученные в ходе проведенных исследований, свидетельствуют о перспективности внедрения и применения полимеров и сополимеров акриламида и в области пожаротушения ввиду экологической безопасности данных соединений. Полимеры и сополимеры акриламида применяются в качестве эффективных флокулянтов в химической, нефтяной, горнорудной промышленности, на целлюлозно-бумажных предприятиях, в медицине и парфюмерии, в производстве лаков, красок, клеев. При экспериментальных исследованиях сопоставлены фактическая концентрация веществ в воде с предельно допустимой. Концентрация полимеров и сополимеров акриламида в водных растворах, применяемых для тушения пожаров, составляет 1 мг/дм3, что на 50 % ниже предельно допустимой концентрации данного вещества в воде (ПДКв - 2 мг/дм3 - санитарно-токсикологический лимитирующий показатель вредности) .
В ходе медицинских лабораторных исследований установлено, что полиакриламид не имеет способности к биоаккумуляции, так как полностью растворим в воде. К тому же, будучи флокулянтом, он адсорбируется на взвешенных веществах и таким образом удаляется из водной фазы. Чувствительность полиакриламида к ультрафиолетовым лучам хорошо известна и описана в научной литературе. Фотолиз ведет к разрушению полимерной цепи с образованием более мелких молекул (олигомеров), которые становятся доступны для бактериального усвоения4. Последние исследования, финансированные БКР^ое^ег, продемонстрировали, что акриламид и акрилат натрия легко разлагаются в аэробных условиях на 90 % за 28 дней. Даже при высоких применяемых дозировках, таких как 50 мг/л, остаточный мономер, попадаемый в окружающую среду, никогда не достигнет концентраций, приводящих к риску для водной жизнедеятельности. Поэтому разработка огнетушащих составов с использованием данных полимеров перспективна и актуальна5.
Изучены свойства пенообразующих составов на основе ПАВ, растворов полиакриламида, сополимера акриламида с акриловой кислотой и с литиевой солью
акриловой кислоты. Экспериментальными исследованиями определено влияние концентрации добавок полимеров акриламида на качество и свойства вспененных растворов (кратность, устойчивость пены, время ее полного разрушения, устойчивость пены на поверхности горючей жидкости). Проведенные опыты показали, что природа эмульгатора (Е-30, волгонат) практически не влияет на кратность и устойчивость образующихся пен. Поэтому влияние добавок полимеров акриламида исследовали, используя эмульгатор Е-30, как более чистый. Суммарная концентрация ПАВ Е-30 и полимера в пенообразующем растворе составила 1 %, поскольку в используемых промышленных пенообразующих составах концентрация ПАВ составляет примерно 1 %. Эта концентрация ПАВ широко используется при проведении лабораторных исследований.
Исследование зависимости кратности, устойчивости пены, времени ее полного разрушения от количества сополимера акриламида с акриловой кислотой (АА-АК) в пенообразующем растворе показало, что введение сополимера даже в очень небольших концентрациях (0,01-0,05 %) приводит к увеличению устойчивости пены в 1,7 раза (см. рис. 1). Время полного разрушения пены возрастает в 6 раз.
Рис. 1. Зависимость устойчивости пены, полученной на основе бинарной композиции Е-30-сополимер акриламида с акриловой кислотой (АА-АК), от концентрации добавок сополимера АА-АК: 1-1 % раствор ПАВ Е-30; 2-1 % раствор ПАВ Е-30 + 0,01 г сополимера АА-АК; 3-1 % раствор ПАВ Е-30 + 0,03 г сополимера АА-АК; 4-1 % раствор ПАВ Е-30 + 0,05 г сополимера АА-АК
Введение в пенообразующий состав добавок полиакриламида в концентрации 0,010,05 % не приводит к существенному изменению устойчивости и кратности пены по сравнению с добавками сополимера АА-АК. Однако время полного разрушения пены возрастает и увеличивается по сравнению с пеной, полученной из Е-30, в 8,6 раз.
Можно предположить, что введение добавок полиакриламида (ПАА) и сополимера АА-АК в состав пенообразующего раствора даже в таких небольших концентрациях оказывает не только загущающее действие, повышающее вязкость раствора и уменьшающее скорость обезвоживания пены. Возможно, вследствие взаимодействия функциональных групп ПАВ и полимера образуются структуры, элементы которых переходят в межпленочное
пространство, пленка укрепляется и уменьшается скорость ее обезвоживания, устойчивость
6
пены увеличивается .
Наряду с чистым ПАВ для получения сравнительных данных о влиянии добавок полимеров акриламида на свойства огнетушащих водопенных составов были проведены исследования растворов промышленных пенообразователей (ПО) с добавками полимеров акриламида. Изучены основные характеристики пенообразующих составов, полученных на основе бинарных композиций пенообразователя и полимеров акриламида при разных соотношениях ПО-полимер. Для исследования использовали пенообразователи: ПО-6-ЦБТ-Н, ПО «Петрофильм», ВОС ВСИ МВД РФ (новый пенообразователь, разработанный в ВСИ МВД РФ)7. В результате проведенных исследований было изучено влияние природы пенообразователя, природы полимера и его концентрации на кратность, устойчивость, разрушение низкократных пен. Введение сополимера АА-АК в пенообразующий раствор, полученный из ПО «Петрофильм», оказывает существенное влияние на устойчивость пены только при концентрациях полимера, превышающих 0,03 % (см. рис. 2).
Рис. 2. Зависимость устойчивости пены, полученной на основе пенообразователя «Петрофильм», от концентрации добавок сополимера акриламида с акриловой кислотой (АА-АК): 1-6 % раствор «Петрофильм»; 2-6 % раствор «Петрофильм» + 0,01 г АА-АК; 3-6 % раствор «Петрофильм» + 0,03 г АА-
АК; 4-6 % раствор «Петрофильм» + 0,05 г АА-АК
Установлено, что добавка сополимера АА-АК в концентрации 0,01-0,05 % наибольшее влияние оказывает на устойчивость пены, полученной из ВОС ВСИ МВД РФ (срок хранения 12 лет). Необходимо сделать особый акцент на то, что введение небольших количеств данного сополимера (0,01-0,05 г) увеличивает кратность с 5 до 7,
устойчивость пены - в 10 раз (см. рис. 3).
^отс.
см3
1
2
3
4
/1 / 1 1 ^^ /1 / 1 1 ^^ ■ /1 /1 X 1^^ / 1 / 1 / ^¿г / | / 1 / ^^1 " / 1 / 1 / 1 | / х ^^ 1 / 1 / /| ^^ 1 " / 1 / / у* 1 / 1 / / /1 1 / у /1 1 ! А 1 1 1| 1 (¿>-^1 1 1 -,---
60 Тотс МИН
о
о
10
20
30
40
50
Рис. 3. Зависимость устойчивости пены, полученной на основе пенообразователя ВОС ВСИ МВД РФ, от концентрации добавок сополимера акриламида с акриловой кислотой (АА-АК): 1-6 % раствор ВОС; 2-6 % раствор ВОС + 0,01 г АА-АК; 3 - 6 % раствор ВОС + 0,03 г АА-АК; 4-6 % раствор ВОС + 0,05 г АА-
АК
Время полного разрушения пены увеличивается в 18 раз. На основании полученных результатов можно сделать вывод о перспективности использования полимеров акриламида для регенерации (восстановления свойств) пенообразователей с превышенным сроком хранения и использования, имеющихся на вооружении в пожарных частях.
При исследовании основных характеристик пенообразующего раствора, полученного из ПО-6-ЦБТ-Н, и добавок полимера акриламида различного состава, установлено, что введение сополимера АА-АК в концентрации 0,01-0,05 % увеличивает устойчивость пены в 1,8 раза (см. рис. 4). Введение в пенообразующий раствор 0,5 г ПАА (соотношение ПАВ: полимер ~ 2:1) увеличивает устойчивость пены в 6,3 раза. Время полного разрушения увеличивается в 8-10 раз. Введение в пенообразующий состав 0,5 г
сополимера акриламида с литиевой солью акриловой кислоты увеличивает устойчивость пены примерно в 11 раз (см. рис. 5). Полученная пена мелкодисперсная, вязкая, при разрушении не оседает, а становится более рыхлой.
Рис. 4. Зависимость устойчивости пены, полученной на основе пенообразователя ПО-6-ЦБТ-Н, от концентрации добавок сополимера акриламида с акриловой кислотой (АА-АК) полимера акриламида
(ПАА):
1-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н; 2-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н + 0,01 г АА-АК; 3-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н + 0,03 г АА-АК; 4-6 % раствор
ПО-6-ЦБТ-Н + 0,05 г АА-АК; 5-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н + 0,5 г ПАА
Рис. 5. Зависимость устойчивости пены, полученной на основе пенообразователя ПО-6-ЦБТ-Н, от природы полимерных добавок: 1-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н; 2-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н + 0,5 г полиакриламида; 3-6 % раствор ПО-6-ЦБТ-Н + 0,5 г сополимера акриламида с акриловой кислотой и с литиевой солью акриловой
кислоты
Таблица
Стабилизация пен водорастворимыми полимерами акриламида
Вид Концентрация Концентра- Кратность Устойчи- Время
пенообразовате пенообразо- ция пены, вость пены, разрушения
ля вателя, сополимера К т50 , мин пены, час
% об. , % мас.
АА-АК
Е-30 1,0 0 7 6,25 0,38
1,0 0,01 7,5 6,55 1,41
1,0 0,03 7,5 8,17 2,17
1,0 0,05 6,5 10,0 2,66
ПО-6-ЦБТ-Н 6,0 0 7,8 6,5 3,0
6,0 0,01 7,5 6,93 3,33
6,0 0,03 7 7,95 3,66
6,0 0,05 7 9,63 3,91
6,0 0,5* 7 35,55 24,0
6,0 0,5** 6,8 67,32 24,0
ВОС ВСИ 6,0 0 5 4,45 1,61
МВД РФ 6,0 0,01 6 14,6 4,33
6,0 0,03 7 26,06 8,08
6,0 0,05 7 35,66 24,0
ПО 6,0 0 6,8 70,6 >24,0
«Петрофильм» 6,0 0,01 6,8 56,65 >24,0
6,0 0,03 6,5 68,36 >24,0
6,0 0,05 6,5 76,65 >24,0
*полиакриламид
**сополимер АА + литиевая соль АК
Из данных таблицы следует, что наиболее перспективной стабилизирующей добавкой к пенообразующему составу является сополимер акриламида с литиевой солью акриловой кислоты.
Проведены поисковые исследования по определению устойчивости пены, полученной на основе изучаемых пенообразующих составов, на поверхности этилового спирта, бензина АИ-92. Пена, полученная из пенообразующего раствора, содержащего 0,5 г ПАА, разрушается на поверхности 70 % этилового спирта за 70 секунд.
Введение добавок ПАА в пенообразующий раствор заметно увеличивает устойчивость пены на поверхности полярной жидкости. Добавление ПАА (0,05 %) в пенообразующий раствор на основе ПО «Петрофильм» увеличивает устойчивость пены на поверхности этилового спирта в 2,74 раза. На поверхности бензина АИ-92 пена, полученная на основе данного пенообразующего раствора, сохраняется в течение 4-х часов.
Таким образом, для бинарных композиций ПАВ-сополимер АА-АК и ПАВ-полиакриламид установлено, что введение данных полимеров акриламида в пенообразующий состав даже в очень небольших количествах (0,01-0,05 %) приводит к увеличению устойчивости пены до 11 раз, время полного разрушения пены возрастает до 18 раз.
Показано, что использование полимеров акриламида в качестве добавки к используемым промышленным пенообразователям приводит к улучшению параметров водопенных огнетушащих составов (кратности, устойчивости пены, времени ее полного разрушения, устойчивости пены на поверхности горючей жидкости). Влияние добавки полимера зависит от природы пенообразователя, полимера и его концентрации.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 См.: Шароварников А. Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. М.: Знак, 2000. С. 10-13; 35-40.
2 А.С. 700148 (СССР) Пенообразующий состав для тушения пожаров // Открытия. Изобретения. 1979. № 44.
3 См.: Шаптала М.В., Скушникова А.И. Экологические аспекты использования водорастворимых полимеров акриламида в пожаротушении // Молодежь XXI века: материалы VII регион. межвуз. науч.-практ. конф. Благовещенск, 2006. С. 129-130.
4 Применение полимерных поверхностно-активных веществ в агентах для очистки воды // Fine Chem. 2000-17. № 12. С. 700-703 (Китай); Деструкция гелей полиакриламида / Труфакина Л.М., Юдина Н.В. // Деструкция и стабилизация полимеров: тез. докладов 9-й конф., Москва, 1620 апр. 2001. М., 2001. С. 203-204.
5 Влияние полиакриламида на свойства акрилового ила и биоразлагаемость загрязнителей // J. Chem. Technol and Biotechnol. 2001-76. № 6. С. 598-603. (Англия); Скрининг микроорганизмов-деструкторов акриловой кислоты и ее производных / Леонтьева С. В., Агафирова Г.Г. и др. // Химия и химическая технология: материалы науч.-практ. конф. Уфа, 2002. С. 98.
6 См.: Казаков М.В. Применение поверхностно-активных веществ для тушения пожаров. М.: Стройиздат, 1977. С. 47 - 77.
7 См.: Смагин В.В. Патент на изобретение № 2158155 // Бюл. 2000. № 30.
