環(huán)保型泡沫滅火劑的研究進(jìn)展

(中國民用航空飛行學(xué)院 四川 廣漢 618300)

一、引言

泡沫滅火劑的應(yīng)用可以追溯到1877年，英國科學(xué)家Johnson[1]首次提出使用泡沫用于火災(zāi)撲救。相對(duì)于水、CO2滅火劑，泡沫滅火劑具有低成本、高效率、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此在短短的幾十年間，泡沫滅火劑在撲救各類火災(zāi)中呈現(xiàn)出了井噴式的發(fā)展。目前，在我國蛋白泡沫滅火劑，水成膜泡沫滅火劑幾乎占據(jù)了泡沫滅火劑市場(chǎng)的半壁江山，但隨著研究的不斷深入發(fā)現(xiàn)蛋白泡沫存在儲(chǔ)存時(shí)間短、易腐敗產(chǎn)生臭味、使用后及過期處理都會(huì)帶來環(huán)境污染等問題;水成膜泡沫滅火劑的核心成分PFOS被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(EPA)在2009年《關(guān)于持續(xù)有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》大會(huì)上列為有機(jī)污染物(POPs)受控名單[2]。2014年11月11日該公約在我國正式生效。因此，近幾年來含PFOS的水成膜泡沫滅火劑的替代產(chǎn)品環(huán)保型泡沫滅火劑得到了快速的發(fā)展。

二、成膜型泡沫滅火劑

成膜型泡沫滅火劑由水成膜泡、抗溶水成膜、成膜氟蛋白、抗溶成膜氟蛋白滅火劑組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國消防業(yè)每年生產(chǎn)成膜氟蛋白泡沫滅火劑和抗溶成膜氟蛋白的量大約為100噸。國外對(duì)后者的生產(chǎn)量也遠(yuǎn)少于水成膜、抗溶水成膜泡沫滅火劑。因此，成膜型泡沫滅火劑的產(chǎn)品主要就是指水成膜、抗溶水成膜泡沫滅火劑。隨著含PFOS或PFOA水成膜泡沫滅火劑逐漸減少并最終停止使用[3]。國內(nèi)外學(xué)者，提出了針對(duì)含PFOS水成膜泡沫滅火劑的替代品。以達(dá)到在滿足滅火性能的前提下，減少對(duì)環(huán)境的污染或直接能夠生物降解。

(1)減少PFOS的使用量。陳蔚勤[4]等認(rèn)為，除了含氟的表面活性劑其他類型的表面活性劑很難達(dá)到水成膜泡沫滅火劑(AFFF)對(duì)其表面活性的要求。但可通過不同表面活性劑的復(fù)配，在不影響其表面活性的前提下，最大程度上減少氟表面活性劑的用量。但此方法雖然一定程度上減小了對(duì)環(huán)境的污染，并沒有從根本上解決PFOS的污染問題。李征輝[5]等合成了一種高效、無毒、環(huán)境友好的季銨鹽類氟碳表面活性劑，通過季銨鹽類氟碳表面活性劑與辛烷磺酸鈉-APG0810復(fù)配制備的水成膜泡沫滅火劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面：該泡沫滅火劑在環(huán)乙烷上能夠快速鋪展，滅火時(shí)間57s，抗燒時(shí)間達(dá)到13min23s。

(2)提高氟碳表面活性劑的可降解能力。PFOS之所以被列為難以降解的毒性有機(jī)污染物，是因?yàn)镃-F鍵的鍵能(116千卡/摩爾)大于C-H鍵的鍵能(99.5千卡/摩爾)，因此C-F鍵要比C-H鍵穩(wěn)定，不易斷裂。且氟原子取代氫原子后，因氟原子的體積比氫原子大，使得C-C鍵因氟原子的屏蔽作用而得到保護(hù)，使得C-C鍵也變的很穩(wěn)定。比利時(shí)學(xué)者A. Hagenaars[6]研究發(fā)現(xiàn)，美國DuPont公司提供的氟碳表面活性劑FORAFAC 1157和FORAFAC 1157 N的毒性及生物富集性均低于PFOS，可作為PFOS的替代品配制AFFF。有些研究表明, 當(dāng)碳氟鏈的鏈長(zhǎng)小于或等于4個(gè)碳時(shí), 其對(duì)環(huán)境的危害就可以忽略不計(jì)。研究表明相對(duì)直鏈全氟化合物而言，生物體更容易排除具有支鏈的全氟化合物。

三、蛋白型泡沫滅火劑

蛋白泡沫滅火劑按照其關(guān)鍵組分不同，可以分為動(dòng)物蛋白泡沫滅火劑和植物蛋白泡沫滅火劑。動(dòng)物蛋白泡沫滅火劑的基料主要是動(dòng)物的毛、角、血液、蹄、皮等，其水解產(chǎn)物中的含硫化合物被水解生成無機(jī)硫化物，使動(dòng)物蛋白泡沫滅火劑在儲(chǔ)存一段時(shí)間之后易產(chǎn)生臭味而污染環(huán)境，對(duì)于需要長(zhǎng)期儲(chǔ)存的泡沫滅火劑顯然不能滿足要求。相對(duì)于動(dòng)物蛋白，植物蛋白中不含硫化氫、硫醚、硫醇等臭味物質(zhì)，因此較前者后者不僅更環(huán)保而且儲(chǔ)存穩(wěn)定性更強(qiáng)。但植物蛋白泡沫滅火劑生產(chǎn)成本較高。目前從環(huán)境保護(hù)方面考慮，蛋白泡沫滅火劑的發(fā)展方向有以下幾種：

(1)延長(zhǎng)蛋白泡沫的儲(chǔ)存年限及過期泡沫滅火劑的再生。馮偉[7]等人對(duì)蛋白泡沫進(jìn)行脫硫處理。在堿性條件下控制溫度水解并加入金屬鹽進(jìn)行脫硫處理，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該泡沫液不會(huì)產(chǎn)生臭味和沉淀的硫化物。此法大大提高了蛋白泡沫滅火劑的儲(chǔ)存時(shí)間。劉德君[8]等提出了蛋白泡沫滅火劑再生理論依據(jù)，并有生產(chǎn)廠家實(shí)踐證明。改造以后的樣品不僅完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而且遠(yuǎn)超于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。此法直接變廢為寶，不僅減少了對(duì)環(huán)境的污染而且節(jié)約用戶成本十萬余元。此種方法并沒有從根本上解決蛋白泡沫對(duì)環(huán)境的污染問題，不具有可持續(xù)性。

(2)開發(fā)新型蛋白泡沫滅火劑。李亞東[9]等人提出了使用活性污泥蛋白質(zhì)制作蛋白泡沫滅火劑，此法不僅克服了傳統(tǒng)化學(xué)滅火劑及動(dòng)物蛋白泡沫滅火劑對(duì)環(huán)境的污染及植物蛋白泡沫滅火劑原料不足、成本高的缺陷，而且是對(duì)廢物資源的再利用，可以有效減輕活性污泥的二次污染。Alsaati[10]等提使用蛋清蛋白制作的一種蛋白泡沫滅火劑，該蛋白泡沫滅火劑通過稀釋火焰上方的氧氣濃度，隔離火焰對(duì)燃料的汽化等作用對(duì)石油、煤、化學(xué)火災(zāi)具有很好的滅火性能。特別是在EPA限制PFOS的使用后，蛋白泡沫被許多西方國家納入PFOS類泡沫滅火劑的替代選項(xiàng)中。呂鵬[11]通過在蛋白泡沫滅火劑中加入酒糟粉體，制備出了酒糟-蛋白泡沫滅火劑，當(dāng)酒糟含量為10%時(shí)，相對(duì)于蛋白泡沫，滅火時(shí)間略有降低，抗燒時(shí)間提高了2倍。除此之外，國內(nèi)外對(duì)味精廠、榨油廠等產(chǎn)生的廢料植物蛋白進(jìn)行加工處理，制備出植物蛋白泡沫滅火劑。

四、合成型泡沫滅火劑

隨著環(huán)保要求的提高，合成型泡沫滅火劑也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。Peng Wang[12],用烷基葡萄糖酰胺和S表面活性劑配制了環(huán)保型泡沫滅火劑，滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)的滅火性能。蔣新生[13]等，研究了含復(fù)配粉體的三相泡沫滅油火的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，三相泡沫滅火劑在高溫環(huán)境下的熱穩(wěn)定性較兩相泡沫有較大提升，對(duì)油料的有效覆蓋時(shí)間約為兩相泡沫滅火劑的3～5倍，滅火性能較兩相泡沫滅火劑提升20%左右。日本學(xué)者寺山葵矢之[14]等發(fā)明了一種不含對(duì)環(huán)境有害的氟類表面活性劑的泡沫滅火劑，該滅火劑抗海水，具有氟類表面活性劑泡沫類似的保水性、耐熱性，可長(zhǎng)時(shí)間停留在燃料液面上且具有短時(shí)間內(nèi)覆蓋燃料液體面的良好流動(dòng)性。

五、總 結(jié)

綜上所述，環(huán)保型泡沫滅火劑的發(fā)展仍存在各種問題，成膜型泡滅火劑存在PFOS的全面禁止的問題，其替代品并不能從根本上解決PFOS的污染問題。未來含PFOS泡沫滅火劑研究方向主要集中在以下兩個(gè)方面：1、加深對(duì)泡沫滅火劑基礎(chǔ)理論的研究，深入認(rèn)識(shí)滅火劑流變學(xué)機(jī)理及泡沫火焰相互作用規(guī)律，以有效指導(dǎo)新型泡沫滅火劑的開發(fā)。2、開展新型泡沫滅火技術(shù)應(yīng)用研究。蛋白型泡沫滅火劑存在產(chǎn)品耗能高，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，距離實(shí)際使用仍存在一定的差距。因此在蛋白質(zhì)基料的來源的方面其重要研究方向。合成型泡沫滅火劑存在滅火效能差、技術(shù)不成熟，在環(huán)保和滅火效能平衡是其未來的發(fā)展方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]A F Ratzer. History and development of foam as a fire extinguishing medium[J].Industrial and Engineering Chemistry,1956,48(11)：2013-2016.

[2]余威，王鵬翔，田亮，等.PFOS受控的公約進(jìn)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.

[3]賈旭宏.水成膜泡沫滅火劑的研究進(jìn)展[J].廣州化工，2015，43(24)：22-24.

[4]陳蔚勤，邢航，肖進(jìn)新.用于水成膜泡沫滅火劑的PFOS替代品的研究[A]．持久性有機(jī)污染物論壇 2011暨第六屆持久性有機(jī)污染 物全國學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]．2011

[5]李征輝. 季銨鹽類氟碳表面活性劑在AFFF中的應(yīng)用研究[D]. 南京理工大學(xué), 2017.

[6]Hagenaars A，Meyer I J，Herzke D，et a1．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．

[7]馮偉, 李曉琦, 趙輝. 淺談蛋白泡沫滅火劑除臭和儲(chǔ)存壽命[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2006(b03):69-70.

[8]趙德君, 劉征. 過期蛋白泡沫滅火劑的再生[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息, 2001(4):32-34.

[9]李亞東, 韓國燦, 居超明. 利用活性污泥蛋白質(zhì)制備蛋白泡沫滅火劑: CN, CN1456372[P]. 2003.

[10]Alsaati, Ditzler H A, DanielleBurapatana, et al. Using egg albumin foam to extinguish fires[J]. Brazilian Archives of Biology & Technology, 2003, 46(4):735-740.

[11]呂鵬. 酒糟在三相蛋白泡沫滅火劑制備中的應(yīng)用研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2017, 36(6):820-823.

[12]Peng Wang. Application of Green Surfactants Developing Environment Friendly Foam Extinguishing Agent[J]. Fire Technology,2015,51:503-511.

[13]呂科宗，蔣新生，翟琰等.三相泡沫滅火劑熱穩(wěn)定性及滅火性能實(shí)驗(yàn)研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,32(6)：56-60.

[14]志賀博. 不含氟類表面活性劑的泡沫滅火劑:, CN 1589125 A[P]. 2005.