壓縮空氣蛋白泡沫抑制液體火的有效性研究

包志明，陳 濤，傅學(xué)成，張憲忠，王榮基

（1.公安部天津消防研究所，天津，300381；2.滅火救援技術(shù)公安部重點實驗室，河北 廊坊，065000）

0 引言

壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)是一種新型泡沫滅火技術(shù)，其典型特點是可以采用空氣壓縮機或壓縮氣體鋼瓶向泡沫溶液中充入適量的壓縮空氣，并根據(jù)充氣量的不同形成不同發(fā)泡倍數(shù)的滅火泡沫，這是壓縮空氣泡沫產(chǎn)生方式與傳統(tǒng)的吸氣式泡沫產(chǎn)生方式的重要區(qū)別［1］。目前壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)相對成熟的應(yīng)用對象是壓縮空氣泡沫消防車［2］，使用的泡沫滅火劑為A類泡沫滅火劑，滅火對象主要為固體火災(zāi)［3］。曾有學(xué)者嘗試將水成膜泡沫滅火劑與壓縮空氣泡沫系統(tǒng)結(jié)合使用，評估其抑制B類火的有效性，結(jié)果顯示壓縮空氣泡沫產(chǎn)生方式具有比吸氣式和泡沫噴淋更優(yōu)異的滅火性能［4，5］。但是考慮到目前水成膜泡沫滅火劑中所使用的氟表面活性劑通常為電解法生產(chǎn)的全氟辛烷磺酸鹽或調(diào)聚法生產(chǎn)的6：2氟調(diào)醇類氟表面活性劑［6］，生物降解性能不盡如人意［7］，其中PFOS更是被《關(guān)于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》限制使用［8］。因此，從含PFOS泡沫滅火劑的替代技術(shù)研究角度而言，尋找一種滅火性能不低于原有水平，同時又具有較低環(huán)境負荷的新型滅火技術(shù)顯得尤為迫切。蛋白型泡沫滅火劑通常以水解蛋白作為發(fā)泡基料［9］，目前較為常用的品種為蛋白泡沫滅火劑（P）和氟蛋白泡沫滅火劑（FP），并且氟蛋白泡沫滅火劑所添加的氟表面活性劑一般為齊聚法生產(chǎn)的聚六氟丙烯苯磺酸鈉（商品名為OBS）［10］，氟化主鏈部分為非線性結(jié)構(gòu)，支叉度較高，亦不在國際環(huán)境公約限制范圍內(nèi)。目前，蛋白型泡沫滅火劑的產(chǎn)量可占到我國泡沫滅火劑總產(chǎn)量的一半左右［11］，因此考慮將蛋白型泡沫滅火劑與壓縮空氣泡沫系統(tǒng)結(jié)合使用，作為含PFOS泡沫滅火劑的替代技術(shù)具有較強的現(xiàn)實意義。

本研究采用標準油盤火試驗?zāi)Ｐ?，對蛋白泡沫滅火劑和氟蛋白泡沫泡沫滅火劑結(jié)合壓縮空氣泡沫系統(tǒng)使用時的泡沫性能和滅火性能進行評估，并對混合比、發(fā)泡倍數(shù)等影響滅火性能的因素進行分析，從而明確壓縮空氣蛋白泡沫的實際應(yīng)用的有效性及其作為含PFOS泡沫滅火劑替代技術(shù)的可行性。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗所用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)為課題組自行研制的標準壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（如圖1所示），符合GB27897－2011《A 類泡沫滅火劑》標準要求［12］，具體的安裝示意圖如圖2所示。試驗中通過調(diào)節(jié)空氣壓縮機的供氣壓力和供氣量，可以保證該系統(tǒng)泡沫溶液流量控制在（11.4±0.4）L／min范圍內(nèi)，并使發(fā)泡倍數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)。為了對壓縮空氣泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)與傳統(tǒng)的吸氣式泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)下泡沫滅火劑的性能進行比較，試驗中還使用了符合GB15308－2006《泡沫滅火劑》要求的吸氣式泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)，泡沫溶液流量同樣在（11.4±0.4）L／min范圍內(nèi)。其它設(shè)備主要包括：泡沫收集器，析液測定器，天平，4.52m2鋼質(zhì)油盤，鋼質(zhì)擋板，鋼質(zhì)抗燒罐。上述設(shè)備均符合GB15308－2006《泡沫滅火劑》中泡沫性能和滅火性能測試要求［13］。試驗燃料為符合SH0004標準的橡膠工業(yè)用溶劑油，選用的蛋白型泡沫滅火劑為經(jīng)GB15308－2006《泡沫滅火劑》檢測合格的市售3%蛋白泡沫滅火劑和6%氟蛋白泡沫滅火劑各一種。

圖1 標準壓縮空氣泡沫系統(tǒng)Fig.1 Standard compressed air foam system

圖2 標準壓縮空氣泡沫系統(tǒng)安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of standard compressed air foam system

1.2 試驗方法

壓縮空氣泡沫滅火試驗方法按下述步驟進行：

（1）啟動標準壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進氣管壓力和耐壓儲罐壓力，使泡沫溶液出口流量在（11.4±0.4）L／min范圍內(nèi)，記錄相關(guān)壓力參數(shù)；

（2）將鋼質(zhì)油盤放在地面上并保持水平，使油盤在泡沫出口的下風(fēng)向，加入90L淡水將盤底全部覆蓋。當采用強施放滅火方式時，泡沫出口高出燃料面（1±0.05）m，使泡沫射流的中心打到擋板中心軸線上并高出燃料面（0.5±0.1）m；當采用緩施放滅火方式時，將泡沫出口位置調(diào)整到可以使泡沫的中心射流落在距遠端盤壁（1±0.1）m處的燃料表面。

（3）加入144L燃料使自由盤壁高度為150mm，加入燃料在5min內(nèi)點燃油盤，同時啟動標準壓縮空氣泡沫系統(tǒng)。預(yù)燃1min后，開始供泡，供泡3min（強施放）或5min（緩施放）后停止供泡，記錄滅火時間。停止供泡后，等待5min，將裝有2L燃料的抗燒罐放在油盤中央并點燃，記錄25%抗燒時間。

吸氣式泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)滅火性能試驗以及發(fā)泡倍數(shù)、25%析液時間等泡沫性能試驗按照GB15308－2006《泡沫滅火劑》標準規(guī)定的標準試驗方法進行。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 泡沫性能

發(fā)泡倍數(shù)和25%析液時間是反映泡沫滅火劑泡沫性能的重要指標。其中發(fā)泡倍數(shù)是指滅火泡沫的體積與構(gòu)成該泡沫的泡沫溶液體積的比值，用于衡量泡沫滅火劑的發(fā)泡能力。25%析液時間是指從滅火泡沫中析出其質(zhì)量25%的液體所需要的時間，是以滅火泡沫液膜的析液速度來衡量滅火泡沫穩(wěn)定性的一個指標。試驗所用3%蛋白泡沫滅火劑（P）和6%氟蛋白泡沫滅火劑（FP）的泡沫性能如表1所示。由表1可以看出，蛋白泡沫滅火劑和氟蛋白泡沫滅火劑在壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中使用時均具備了較好的泡沫性能。依據(jù)筆者所在單位的大量泡沫滅火劑產(chǎn)品檢測經(jīng)驗，低倍數(shù)泡沫滅火劑在吸氣式泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)中使用時，發(fā)泡倍數(shù)一般在10倍以下，25%析液時間通常也在10min以下。而通過調(diào)整標準壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的壓力參數(shù)等，可以將蛋白型泡沫滅火劑的發(fā)泡倍數(shù)和25%析液時間提升到較高水平，6%FP在僅使用50%設(shè)計混合比的條件下，依舊能夠取得相對較好的泡沫性能。

表1 壓縮空氣蛋白泡沫的泡沫性能Table 1 Properties of compressed air protein foam

為了對不同泡沫產(chǎn)生方式下的泡沫性能有更為直觀的比較，我們還測試了這兩種蛋白型泡沫滅火劑在吸氣式泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)中的泡沫性能，表2中數(shù)據(jù)是兩種不同泡沫產(chǎn)生方式下的泡沫性能對比結(jié)果。從表2中可以看出，相比傳統(tǒng)的吸氣式泡沫產(chǎn)生方式，壓縮空氣泡沫產(chǎn)生方式下的泡沫性能確實有較大幅度提高。實際上，通過調(diào)整壓縮空氣泡沫系統(tǒng)的進氣量，還可以進一步提高發(fā)泡倍數(shù)，但是較高的發(fā)泡倍數(shù)不一定具備較好的滅火性能，下述滅火性能的試驗結(jié)果可以較好的反映這一點，因此試驗中并未嘗試獲得更高的發(fā)泡倍數(shù)。

壓縮空氣蛋白泡沫具有優(yōu)異的泡沫性能，其主要原因在于泡沫產(chǎn)生方式和泡沫滅火劑自身特性。從泡沫產(chǎn)生方式的角度而言，傳統(tǒng)泡沫滅火系統(tǒng)一般是采用在管路中傳輸泡沫溶液，在泡沫產(chǎn)生器出口位置靠泡沫溶液射流產(chǎn)生負壓，從而吸入空氣以形成滅火泡沫的吸氣式泡沫產(chǎn)生方式。而壓縮空氣泡沫產(chǎn)生系統(tǒng)采用空氣壓縮機或壓縮氣體鋼瓶向泡沫溶液主動充氣的方式，在管路中輸送的是已經(jīng)充分發(fā)泡的滅火泡沫，滅火泡沫輸送過程中可以進行更進一步的充分混合，從而使所產(chǎn)生的滅火泡沫粒徑分布更為均勻，而滅火泡沫的氣泡粒徑則是影響其穩(wěn)定性的重要因素［14，15］。從蛋白型泡沫滅火劑的特性而言，蛋白型泡沫滅火劑的發(fā)泡基一般是動物蹄角和毛的水解蛋白產(chǎn)物，是一類成分較為復(fù)雜的多肽混合物，分子量分布廣，通常在5.5×103到1.5×105范圍內(nèi)，且以1.2×104居多［16］。這類由高分子發(fā)泡基形成的泡沫通常都具有較高的泡沫穩(wěn)定性，其主要原因在于其可以顯著提高氣泡液膜的粘度［17］，而且不同分子量發(fā)泡劑的分子體積不同，小分子多肽容易插入到液膜上的兩個大分子之間，從而使吸附層更加緊密，進而提高泡沫的穩(wěn)定性［18］。

表2 不同泡沫產(chǎn)生方式下的泡沫性能對比Table 2 Properties comparison of foam produced by different generation methods

2.2 滅火性能

在泡沫性能評估的基礎(chǔ)上，我們還初步對壓縮空氣蛋白泡沫進行標準油盤火試驗評價，具體試驗結(jié)果如表3所示。我們首先按照3%混合比對蛋白泡沫滅火劑進行強施放滅火試驗（試驗編號1），在發(fā)泡倍數(shù)為23.3倍的條件下，滅火未成功。分析其主要原因在于泡沫的發(fā)泡倍數(shù)過高，導(dǎo)致泡沫較“輕”，使大量泡沫在火焰上方尚未到達火焰底部時，即被上升氣流“吞噬”，無法有效覆蓋油面，落到油面上的滅火泡沫也因發(fā)泡倍數(shù)較高、泡沫過于黏稠而使泡沫的流動性變差，無法有效的從油面中心向四周擴散覆蓋。因此我們適當降低發(fā)泡倍數(shù)，并將泡沫施加方式改為緩施放，使滅火泡沫從擋板流下，利用泡沫的重力堆積作用使泡沫逐漸覆蓋至整個油面（試驗編號2），滅火取得了成功。

此外，使用6%FP，在6%混合比、相對較低發(fā)泡倍數(shù)條件下，使用強施放方式進行滅火也未成功（試驗編號3）。通過對該次滅火的試驗觀察，我們可以看出，按照泡沫滅火劑原設(shè)計混合比6%進行試驗時，滅火泡沫過于粘稠，即使有氟表面活性劑的存在，同樣未能有效改善滅火泡沫在油面上的流動性。這一結(jié)果與3%P的情況一致。因此，我們按照原設(shè)計混合比的一半，也就是3%混合比進行了試驗（試驗編號4），并進一步降低了發(fā)泡倍數(shù)，最終取得了滅火成功。雖然將近4min的滅火時間距離標準所要求的最長滅火時間（4min）較為接近，但實際上該次試驗的90%控火時間較短，約為80s。只是由于有微弱的邊緣火始終未熄滅，從而導(dǎo)致最終滅火時間的延長。該次試驗的滅火過程如圖3所示。

與泡沫性能試驗相同的是，我們還對不同泡沫產(chǎn)生方式下的滅火性能進行了比較，具體試驗結(jié)果如表4所示。衡量和評價滅火性能，一般是通過滅火劑用量、控火時間、滅火時間、抗燒時間等指標，其中滅火時間和抗燒時間是其中最重要的兩個指標。雖然從滅火時間角度而言，壓縮空氣泡沫產(chǎn)生方式下的滅火性能與吸氣式泡沫產(chǎn)生方式較為接近，但以25%抗燒時間這一指標衡量，壓縮空氣蛋白泡沫的抗燒性能則有大幅提高，此結(jié)果具有較強的現(xiàn)實意義，因為對于某些揮發(fā)性較強的易燃液體火災(zāi)，此特性將會提供更長時間的泡沫覆蓋，從而為滅火后的相應(yīng)處置工作贏得寶貴時間。

圖3 壓縮空氣蛋白泡沫的控火過程Fig.3 Fire control process of compressed air protein foam

表3 壓縮空氣蛋白泡沫滅火試驗結(jié)果Table 3 Results of extinguishing tests of compressed air protein foam

表4 不同泡沫產(chǎn)生方式下的滅火性能對比Table 4 Fire performance comparison of foam produced by different generation methods

必須指出，由于標準油盤火試驗的試驗費用較高，對試驗環(huán)境的要求也較高，本項研究目前只是針對壓縮空氣蛋白泡沫抑制非水溶性液體火的有效性進行了初步驗證。即使如此，本試驗的結(jié)果仍然具備較強的理論和現(xiàn)實意義，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）證明了壓縮空氣蛋白泡沫抑制非水溶性液體火的有效性。采用4.52m2標準油盤火模型評價泡沫滅火劑的滅非水溶性液體火性能，為目前ISO7203、EN1568和GB15308等國內(nèi)外權(quán)威的泡沫滅火劑產(chǎn)品標準所采納，通過該標準油盤火試驗檢驗的泡沫滅火劑即可用于各類消防滅火實戰(zhàn)領(lǐng)域。雖然試驗樣本和試驗次數(shù)相對較少，但是試驗方法的有效性仍舊可以很好的證明結(jié)果的現(xiàn)實有效性。（2）證明了壓縮空氣蛋白泡沫滅火技術(shù)作為含PFOS泡沫滅火劑替代技術(shù)的技術(shù)可行性。雖然按照標準的滅火性能級別劃分，本試驗中3%P和6%FP在壓縮空氣泡沫產(chǎn)生方式下的滅火性能級別分別為III級和II級，低于成膜型泡沫滅火劑所能達到的I級，但是壓縮空氣蛋白泡沫抑制非水溶性液體火仍舊是比較有效的?？紤]到蛋白型泡沫滅火劑的優(yōu)異生物降解性能以及在我國的實際產(chǎn)量，壓縮空氣蛋白泡沫滅火劑仍不失為一個較好的選擇。（3）揭示出開發(fā)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)專用泡沫滅火劑具有重要意義。現(xiàn)有吸氣式泡沫產(chǎn)生方式已應(yīng)用多年，泡沫比例混合器的類型已基本固定為3%和6%兩個混合比，與此相應(yīng)的是，包括蛋白型泡沫滅火劑在內(nèi)低倍數(shù)泡沫滅火劑通常也只有3%和6%兩種型號。泡沫滅火劑均是針對吸氣式泡沫產(chǎn)生方式的特點而進行開發(fā)的。而在本項研究中，6%FP的用量僅為原來一半時，即可獲得同樣的滅火效果。因此，考慮到壓縮空氣泡沫產(chǎn)生方式的特點以及由此帶來的泡沫穩(wěn)定性提升和抗燒性能提高，開發(fā)適應(yīng)此系統(tǒng)特點的專用蛋白型泡沫滅火劑必然可以獲得更好的實際應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

根據(jù)本項研究的試驗結(jié)果，我們可以初步得出如下結(jié)論：

1）壓縮空氣蛋白泡沫具有優(yōu)異的泡沫性能，其主要原因在于泡沫產(chǎn)生方式和泡沫滅火劑自身特性。

2）壓縮空氣蛋白泡沫抑制非水溶性液體火具備有效性，使用時的發(fā)泡倍數(shù)不宜超過15倍。

3）壓縮空氣蛋白泡沫以其優(yōu)異的生物降解性能和抑制油火的有效性，其作為含PFOS泡沫滅火劑替代技術(shù)具備技術(shù)可行性。

4）為取得更好的實際應(yīng)用效果，未來的研究重點應(yīng)是開發(fā)壓縮空氣泡沫系統(tǒng)專用泡沫滅火劑，并進一步探索適宜發(fā)泡倍數(shù)等應(yīng)用參數(shù)。

［1］王喜世，廖瑤劍，林霖.一種新制備的多組分壓縮空氣泡沫滅火實驗研究［J］.科學(xué)通報，2008，（19）：2379－2383.

［2］王沁林，李明才，閻秉立.第二代泡沫消防車——壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在滅火中的運用［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2005，（3）：9－16.

［3］肖學(xué)鋒.發(fā)展A類泡沫滅火技術(shù)中值得注意的幾個問題［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2001，（1）：44－45.

［4］Kim A，Crampton G，Asselin JP.A comparison of the fire suppression performance of compressed－air foam and foam－water sprinkler systems for class B.hazards［R］.Ottawa：National Research Council Canada，2004.

［5］Kim AK，Crampton GP.Application of a newly－developed compressed－air－foam fire suppression system［R］.Ottawa：National Research Council Canada，2001.

［6］包志明，葉宏烈，傅學(xué)成.斯德哥爾摩公約的履約與我國消防行業(yè)的應(yīng)對［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2008，27（2）：126－129.

［7］Hagenaarsa A，Meyer IJ，Herzke D，et al.The search for alternative aqueous film forming foams（AFFF）with a low environmental impact：Physiological and transcriptomic effects of two Forafac?fluorosurfactants in turbot［J］.Aquatic Toxicology，2011，104：168－176.

［8］韓郁翀，秦俊.泡沫滅火劑的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.火災(zāi)科學(xué)，2011，20（4）：235－240.

［9］劉玉恒，金洪斌，葉宏烈.我國滅火劑的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2005，（1）：82－87.

［10］田亮，王鵬翔，余威，等.中國消防行業(yè)PFOS替代品／替代技術(shù)現(xiàn)狀評估［A］.持久性有機污染物論壇2010暨第五屆持久性有機物暗巫全國學(xué)術(shù)研討會論文集［C］，2010：247－248.

［11］余威，王鵬翔，田亮，等.PFOS受控的公約進展及中國消防行業(yè)使用PFOS情況［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2010，29（6）：513－515.

［12］GB27897－2011，A類泡沫滅火劑［S］.

［13］GB15308－2006，泡沫滅火劑［S］.

［14］Kim AK，Dlugogorski BZ.Multipurpose overhead compressed－air foam system and its fire suppression performance［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1997，8（3）：133－150.

［15］Figueredo RCR，Sabadini E.Firefighting foam stability：the effect of the drag reducer poly（ethylene）oxide［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2003，215（1－3）：77－86.

［17］Britan A，Ben－Dor G，Shapiro H.Drainage effects on shock wave propagating through aqueous foams［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2007，309（1－3）：137－150.

［18］Arnaudov L，Denkov ND，Surcheva I，et al.Effect of oily additives on foamability and foam Stability.1.role of interfacial properties［J］.Langmuir，2001，17（22）：6999－7010.