Высокоэффективное огнетушащее вещество на основе водногелевого состава с углеродсодержащими наноструктурами

Копосов А.С.; Ивахнюк Г.К.; Володьков И.В.

ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ОГНЕТУШАЩЕЕ ВЕЩЕСТВО НА ОСНОВЕ ВОДНОГЕЛЕВОГО СОСТАВА С УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИМИ НАНОСТРУКТУРАМИ

А.С. Копосов;

Г.К. Ивахнюк, доктор химических наук, профессор; Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. И.В. Володьков.

Военный институт (инженерно-технический) Военной академии материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулёва

Описано получение нового высокоэффективного огнетушащего вещества на основе водногелевого состава с углеродсодержащими наноструктурами. Рассмотрены огнетушащие и физико-химические свойства водногелевых составов и углеродсодержащих наноструктур. Показано влияние некоторых видов наночастиц на повышение огнетушащей эффективности водногелевого состава. В результате проведенного исследования сделан вывод о целесообразности применения водногелевого состава в качестве высокоэффективного огнетушащего вещества.

Ключевые слова: водногелевый состав, углеродсодержащие наноструктуры, огнетушащая эффективность, физико-химические свойства, многостенные углерод нанотрубки, активный уголь, огнетушащее вещество

THE METHOD TO WORK OUT A HIGHLY EFFECTIVE EXTINGUISHING AGENT ON THE BASIS CONTAINING CARBON NANOSTRUCTURES

A.S. Koposov; G.K. Ivakhnyuk.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. I.V. Volodkov. Military institute (technical) material support of Military academy of a name of the general A.V. Hrulyov

The research examines the development of a new highly effective extinguishing agent based on water-gel composition containing carbon- nanostructures. The article looks at the extinguishing physical, chemical properties of water-gel compositions and carbon-containing nanostructures. The articles shows the influence of some nanoparticles on the increase of the fire-extinguishing efficiency of the water-gel composition.

Keywords: water-gel compositions, containing carbon nanostructures, fire extinguishing efficiency, physicochemical characteristics, multi-walled carbon nanotubes, active coal, extinguishing agent

При ликвидации пожаров важно минимизировать время, затраченное на их тушение, а так же сократить интенсивность подачи огнетушащих веществ (ОТВ). В связи с этим необходимо расширить их спектр, найти новые механизмы тушения пожаров и оценить эффективность предлагаемых ОТВ.

Проблеме ликвидации горения сопутствует загрязнение окружающей среды ОТВ (химические и воздушно-механические пены, порошки), которые наносят вред окружающей среде и усугубляют последствия ликвидации самой чрезвычайной ситуации.

Решением может стать внедрение водногелевых составов с углеродсодержащими наноструктурами (ВГСУНС) в качестве ОТВ. Гидрогели в сочетании с углеродсодержащими наноструктурами обладают рядом физико-химических свойств, позволяющих повысить эффективность тушения пожаров.

По сравнению с существующими средствами, гидрогели экологически безопасны и физиологически безвредны. Также, при тушении очага пожара, ВГС образуют изолирующее аэрозольное облако, препятствующее эмиссии токсичных продуктов горения в окружающую среду. В научно-технической литературе упоминаются уникальные свойства гидрогелей по эпитализации кожных покровов при ожогах.

Гидрогели являются гидрофильными поперечно-сшитыми полимерами (рис.), которые способны набухать в воде и формировать нерастворимую объемную сеть. Нерастворимость и объемная структура являются результатом поперечных сшивок полимерных цепей структуры геля. Химический состав и молекулярная масса определяют плотность поперечных сшивок, которая, в свою очередь, влияет на степень набухания и размер пор геля. Кроме того, именно перекрестные сшивки ответственны за свойства гидрогелей как твердого вещества, а не раствора [1].

РАП

Рис. Схематическое изображение ВГС, набухающих в растворителе

Как дисперсные системы гидрогели подразделяют на гидрофильные и гидрофобные. Их золи застудневают в результате суспендирования в растворителе порошка полимера, являющегося кислотой в химическом отношении, с добавлением ограниченного количества катализатора полимеризации.

Под влиянием механических воздействий, например перемешиваний или встряхиваний, гели способны переходить в золи (разжижаться), а в течении некоторого времени, при их хранении в покое, обратно загустевать. Этот процесс протекает в изотермических условиях и называется тиксотропией (от греческих слов «тиксис» -«встряхивание» и «тропос» - «изменяться»). Стоит отметить, что частицы дисперсной фазы в данном случае не сливаются друг с другом и не укрупняются, то есть степень дисперсности остается постоянной.

В связи с высокими вязкостными характеристиками в гелях практически отсутствует броуновское движение. Кроме того, в структуре ВГС содержится около 98 % воды, что и позволяет низкомолекулярным соединениям диффундировать в гелях с такой же скоростью, как в воде.

Скорость диффузии в геле напрямую зависит от размеров диффундирующих частиц. Таким образом, чем выше степень дисперсности диффундирующих частиц, тем легче они двигаются по структурным каналам, и тем более возрастает скорость их диффузии. Однако при увеличении плотности гидрогеля уменьшаются размеры его ячеек и пор, что приводит к затруднению проникновения диффузии.

В исследованиях [2] авторами были оценены огнезащитные свойства ВГС. В ходе испытаний для огнезащиты обрабатывались различные образцы материалов: дерево, древесно-стружечная плита, древесноволокнистая плита (ДВП), поливинилхлорид, шерсть, лавсан и др. Например, при испытании ДВП для образца со слоем ВГС толщиной 1 мм время до воспламенения составило -880 с. Второй образец, будучи обработан водой, воспламенился уже через 90 секунд.

Исходя из вышесказанного, можно смело утверждать, что ВГС обладают рядом свойств, позволяющих значительно увеличить температуру воспламенения материалов.

В работе [3] был определен показатель огнетушащей способности ВГС СаС12 11,4 % -№20*2,95 БЮ2 3,8 % - Н2О 84,8 %, который составил 1,39 кг/м2. Этот состав по огнетушащей способности превосходит воду на 40 % (табл.) [4].

Таблица. Сравнительные результаты показателя огнетушащей способности

Огнетушащее вещество Лабораторный очаг Стандартный мо пожа дельный очаг ра

масса ОТВ, потраченная для тушения модельного очага, кг показатель огнетушащей способности, кг/м2 масса ОТВ, потраченная для тушения модельного очага, кг показатель огнетушащей способности, кг/м2

Вода 0,62 1,94 10,81 2,29

ВГС СаС12 11,4 Го-^О 2,958102 3,8 % -Н2О 84,8 % 0,43 1,34 6,53 1,39

Таким образом, доступные публикации свидетельствуют о целесообразности применения гидрогелей для пожаротушения, но гипотеза о повышении их огнетушащей способности, при реагентной обработке с углеродсодержащими наноструктурами, заслуживает экспериментальной проверки.

Особенностями углеродных наноструктур является их значительная удельная поверхность и существенная электропроводность [4]. При диспергировании в жидкостях углеродные нанотрубки (УНТ) обеспечивают им новые качества:

1. Повышенную теплопроводность. Большая удельная поверхность УНТ усиливает теплопередачу. Частицы, размеры которых меньше чем 20 нм, имеют 20 % атомов углерода на поверхности, что делает высокими их теплофизические свойства. Другим преимуществом является подвижность частиц, свойственная объектам с малыми размерами, что стимулирует микроконвекции жидкости и, следовательно, увеличивает теплопередачу. Микроконвекция и усиление теплопередачи могут способствовать диссипации тепла в жидкости УНТ. Экспериментально подтверждено, что теплопроводность модифицированных жидкостей значительно возрастает с повышением температуры [5].

2. Седиментационная устойчивость. Поскольку частицы УНТ малы, их стоксовские скорости также незначительны. Эта пониженная способность к седиментации может преодолеть один из главных недостатков суспензий - временную нестабильность.

Исследования свойств наножидкостей выявили [6] три уникальные особенности:

1. Необычное повышение теплопроводности.

2. Седиментация. Наножидкости оставались устойчивыми в течение нескольких месяцев при использовании стабилизирующего наноагента [7].

3. Синергетическое влияние низких концентраций УНТ на Ньютоновское поведение наножидкостей.

Теплопроводность наножидкостей значительно выше по сравнению с обычными суспензиями. До сих пор используемые базовые жидкости включают воду, этиленгликоль, трансформаторное масло и толуол. Наночастицы, которые используются в общих чертах, можно разделить на три группы: керамические частицы, металлические частицы и УНТ. Различные комбинации вышеуказанных частиц и жидкостей дают разные по свойствам наножидкости [8].

Х1е Н. и соавторы [9] измерили теплопроводность многослойных УНТ (МУНТ) со средним диаметром 15 нм и длиной 30 мкм, взвешенные в воде, этиленгликоле и децене. Суспензии в воде и этиленгликоле были без каких-либо поверхностно-активных веществ, но с покрытием из функциональных групп, содержащих кислород. Было отмечено улучшение для той же объемной доли в жидкости, которая имеет более низкую теплопроводность. Максимальное повышение теплопроводности было обнаружено в децене (С10Н20), которое составляло 20 % при 1 % объема УНТ. Ассаэль и соавторы [10] измеряли теплопроводность многослойных нанотрубок, а также трубок с двойными стенками. Теплопроводность МУНТ со средним диаметром 130 мкм и 40 средней длины достигла 34 % при объеме 0,6 %, в то время, как у двойных УНТ было обнаружено 8 % на 1 % объема суспензии в воде. Хван и соавторы [11] также получили аналогичные результаты для МУНТ суспензий в воде, а также этиленгликоле.

Еще одним перспективным материалом, который может повысить огнетушащую способность жидкостей, может стать активный уголь, так как он имеет весьма высокие величины удельной поверхности (до 500-1000 м2/г и более). Эти сорбенты обычно характеризуются развитой полидисперсной структурой, хотя специальными синтезами могут быть получены образцы с узким распределением пор по радиусам необходимых размеров.

Активированные угли могут служить катализаторами реакций как окислительно-восстановительных (электронного типа), так и кислотно-основных, то есть таких, в механизме которых главную роль играют процессы перехода протонов (ионов) от катализатора к субстрату или наоборот [12].

Исследования показали, что на физическую адсорбцию неполярных веществ окисление поверхности при близких параметрах пористой структуры практически не оказывает влияния, тогда как соединения основного характера лучше сорбируются именно окисленными углями [12]. На окисленных углях (ОУ) и образцах технического углерода намного больше, чем на соответствующих неокисленных образцах, поглощаются пары воды. Большая гидрофильность ОУ приводит к тому, что адсорбция даже поверхностно-активных веществ из водных растворов обычно незначительна [12].

Зачастую угли используют в качестве носителей катализаторов разнообразных процессов.

Необходимо отметить, что более распространенными и изученными являются окислительно-восстановительные процессы, многие из которых уже используются на практике. Наибольшее внимание уделяется исследованию процессов разложения нестойких неорганических кислородных соединений и различных случаев окисления неорганических и органических веществ молекулярным кислородом.

Как известно, при ликвидации пожаров важно минимизировать время их тушения, а так же сократить расход ОТВ. В связи с этим необходимо продолжить поиск новых ОТВ, а также механизмов и принципов тушения пожаров.

Таким образом, решение частной проблемы заключается в усовершенствовании существующих ОТВ путем внедрения ВГСУНС, обладающего в своей совокупности уникальными свойствами, которые позволяют минимизировать время тушения и количество затраченного ОТВ.

Авторами впервые проведено исследование физико-химических свойств и огнетушащей эффективности ВГС на основе карбопола ЕТБ-2020, а также рассмотрено

влияние углеродсодержащих структур на его огнетушащие свойства. За счет высокой теплопроводности и большой удельной поверхности углеродсодержащие наноструктуры интенсифицируют перенос тепловой энергии от очага пожара к ОТВ, что, соответственно, способствует снижению температуры очага возгорания.

В свою очередь, повышенная вязкость ВГС препятствует оседанию введенных в него УНТ, но не мешает их объемной диффузии. Таким образом, при достижении оптимальной концентрации геля удастся добиться равномерного распределения частиц по всему объему предлагаемого ОТВ, что и позволит максимально повысить эффективность его применения в пожаротушении.

Литература

1. Ивахнюк Г.К., Бондарь А. А., Копосов А.С. Применение модификаций гидрогелей при тушении пожаров на объектах хранения минеральных удобрений // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2016. № 3 (19). С. 42-47.

2. Результаты комплексного исследования огнетушащей эффективности гелеобразующих систем для тушения пожаров в жилых зданиях / А.В. Савченко [и др.] // Проблемы пожарной безопасности: сб. науч. трудов. 2014. № 35. С. 188.

3. Савченко О.В. Результати натурного випробування оптимiзо- ваного кшьюсного складу гелеутворюючо'1 системи у типових умовах пожежi житлового сектору // Проблемы пожарной безопасности: сб. науч. трудов УГЗ Украины. Харьков: УГЗУ, 2009. Вып. 26. С.121-125.

4. Kim P., Shi L., Majumdar A., McEuen P.L. Ther-mal Transport Measurements of Individual Multiwalled Nan-otubes // Physical Review Letters. 2001. Vol. 87. № 21. pp.21 5502-1-4.

5. Das S.K., Putra N., Thiesen P., Roetzel W. Temperature Dependence of Thermal Conductivity Enhancement for Nanoflu-ids, Transactions of ASME // Journal of Heat Transfer. 2003. Vol. 125. pp. 567-574.

6. Choi S.U.S. Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles, in Developments and Applications of Non-Newtonian Flows, eds. D.A. Singer and H.P. Wang. Vol. FED 231. pp. 99-105. American Society of Mechanical Engineers. New York, 1995.

7. Lee S., Choi S.U.S., Li S., Eastman J.A. Measuring Thermal Conductivity of Fluids Containing Oxide Nanoparti-cles, Transactions of ASME // Journal of Heat Transfer. 1999. Vol. 121. pp. 280-289.

8. Eastman J.A., Choi S.U.S., Li S., Yu W., Thomp-son L.J. Anomalously Increased Effective Thermal Conduc-tivities of Ethylene Glycol Based Nanofluids Containing Copper Nanoparticles // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 78. №. 6. pp. 718-720.

9. Xie H., Lee H., Youn W., Choi M. Nanofluids Containing Multiwalled Carbon Nanotubes and Their Enhanced Thermal Conductivities // Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 94. pp. 4 967-4 971.

10. Assael M.J., Metaxa I.N., Arvanitidis J., Christophilos D., Lioutas C. Thermal Conductivity Enhancement in Aque-ous Suspensions of Carbon Multi-Walled and Double-Walled Nanotubes in the Presence of Two Different Dispersants // Inter-national Journal of Thermo physics. 2005. Vol. 26. pp. 647-664.

11. Hwang Y.J., Ahn Y.C., Shin H.S., Lee C.G., Kim G.T., Park H.S., Lee J.K. Investigation on Characteristics of Thermal Conductivity Enhancement of Nanofluids, DOI, Current Applied Physics. 2006. Vol. 6. № 6. pp. 1 068-1 071.

12. Дубинин М.М. Поверхностные окислы и адсорбционные свойства активных углей. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1957. С. 9-33.

References

1. Ivahnyuk G.K., Bondar' A.A., Koposov A.S. Primenenie modifikacij gidrogelej pri tushenii pozharov na ob"ektah hraneniya mineral'nyh udobrenij // Prirodnye i tekhnogennye riski (fiziko-matematicheskie i prikladnye aspekty). 2016. № 3 (19). S. 42-47.

2. Rezul'taty kompleksnogo issledovaniya ognetushashchej ehffektivnosti geleobrazuyushchih sistem dlya tusheniya pozharov v zhilyh zdaniyah / A.V. Savchenko [i dr.] // Problemy pozharnoj bezopasnosti: sb. nauch. trudov. 2014. № 35. S. 188.

3. Savchenko O.V. Rezul'tati naturnogo viprobuvannya optimizo- vanogo kil'kisnogo skladu geleutvoryuyuchoi sistemi u tipovih umovah pozhezhi zhitlovogo sektoru // Problemy pozharnoj bezopasnosti: sb. nauch. trudov UGZ Ukrainy. Har'kov: UGZU, 2009. Vyp. 26. S. 121-125.