水基滅火劑發(fā)展現(xiàn)狀與分析

郭萌萌 侯亞欣

(中國人民警察大學(xué) 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

水由于比熱容大，一直都是主要的滅火劑。隨著科技發(fā)展，火災(zāi)種類增多，通過加入不同的添加劑提高水的滅火效能，一直是科技工作者致力研發(fā)的方向，這通常稱之為水系滅火劑。根據(jù)噴射時是否產(chǎn)生泡沫將水系滅火劑分為泡沫滅火劑和非泡沫滅火劑2大類。水基滅火劑是指不產(chǎn)生泡沫或者產(chǎn)生較少泡沫的水系滅火劑，分為添加型水基滅火劑和改變水的物理性質(zhì)的水基滅火劑，其滅火機(jī)理為：一是水基滅火劑在流散時，通過析出液體發(fā)揮水的冷卻作用；二是在燃燒物表面形成水膜，與泡沫層共同隔絕空氣，構(gòu)成隔熱屏障，同時液體汽化后，彌散的水蒸氣可以降低燃燒物周圍的含氧量，產(chǎn)生窒息作用；三是可產(chǎn)生化學(xué)抑制作用，與燃燒物反應(yīng)，生成能有效抑制或降低燃燒時自由基產(chǎn)生的聚合物質(zhì)，從而破壞燃燒鏈，阻斷燃燒。

水基滅火劑在石油化工領(lǐng)域和高鐵、商場等重要場所的應(yīng)用越來越普遍，然而火災(zāi)種類的增多，對水基滅火劑的應(yīng)用性能提出更高要求。隨著科技發(fā)展，水基滅火劑在配方、工藝、原材料、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用等方面都取得了大的進(jìn)展。本文梳理水基滅火劑的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，并與其他不同種類滅火劑在性能和標(biāo)準(zhǔn)2方面進(jìn)行對比分析，從而提出水基滅火劑的應(yīng)用前景，為以后的技術(shù)攻關(guān)指明方向。

1 我國水基滅火劑發(fā)展歷程

從20世紀(jì)80年代末，我國開始對水基滅火劑進(jìn)行較為系統(tǒng)的研發(fā)，最早的一系列產(chǎn)品是天津消防研究所研發(fā)的SD系列高效水系滅火劑，它基本無毒、腐蝕率低，填補(bǔ)了該類產(chǎn)品的空白。之后，很多學(xué)者、研究所、企業(yè)紛紛加入水基滅火劑的研究行列，見表1。他們從配方、工藝，劑型、使用方式等方面進(jìn)行研究，并申請專利。近年來，我國對于水基滅火劑的研究已接近或達(dá)到國際水平，研究方向也從最初的提高水的基礎(chǔ)滅火性能，向提升環(huán)保性、開發(fā)新材料、適應(yīng)多種火災(zāi)類型等方向轉(zhuǎn)變。

表1 我國水基滅火劑發(fā)展舉例Tab.1 Examples of development of water-based fire extinguishing agents in China

2 水基滅火劑技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 配方研究現(xiàn)狀

添加型水基滅火劑是在水中加入增稠劑、潤濕劑、阻燃劑和其他助劑，從而使水的黏性、潤濕性能、抗復(fù)燃性能、抗凍性能等得以提升，有效擴(kuò)大水的滅火適用范圍，減少水的用量。其中，常見增稠劑分為無機(jī)增稠劑如水玻璃，以及有機(jī)高分子增稠劑如羧甲基纖維素鈉(Carboxymethyl Cellulose，CMC)等；潤濕劑屬于表面活性劑，多用陰離子型如磺酸鹽、硫酸鹽等；常見阻燃劑包括以溴系、磷氮系為代表的有機(jī)阻燃劑，和以三氧化二銻、氫氧化鎂、氫氧化鋁以及硅系等阻燃體系為主的無機(jī)阻燃劑。張文成等通過正交實(shí)驗(yàn)方法，得出不同添加劑對于縮減滅火時間的貢獻(xiàn)為：碳?xì)浔砻婊钚詣?螯合劑>氟碳表面活性劑>乳化劑>抗燃劑>增稠劑>防凍劑，此研究通過調(diào)整不同添加劑配比結(jié)構(gòu)，為改善滅火劑的滅火性能提供理論依據(jù)。

改變水的物理性質(zhì)的水基滅火劑，主要包括水成膜泡沫滅火劑(Aqueous Film Forming Foam，AFFF)及改性泡沫滅火劑等，其中，AFFF主要依靠氟碳表面活性劑降低水的表面張力，使其能夠在物體表面鋪展形成水膜。傳統(tǒng)的氟碳表面活性劑為全氟辛烷磺酸(Perfluorooctane Sulfonate，PFOS)、全氟辛酸(Perfluorooctanoic Acid，PFOA)及他們的衍生物，但由于其存在嚴(yán)重的污染性，現(xiàn)已逐漸被禁用，目前對于替代物的研究，主要集中在合成短鏈(C≤6)氟碳表面活性劑以及無氟表面活性劑如有機(jī)硅表面活性劑等。

近年來對于水基滅火劑添加劑的研究主要集中在以下幾個方面：

(1)尋求新的添加劑物質(zhì)，提高水基滅火劑的環(huán)保性能。如一種天然生物水系滅火劑，利用高溫嗜熱菌的芽孢體降解石油烴，同時形成隔熱阻燃屏障有效撲滅流淌火。該滅火劑用后可完全被生物降解，徹底解決油品泄漏污染。

(2)研究添加劑物質(zhì)、配比，以及環(huán)境條件等對水基滅火劑滅火效能的影響，尋求擴(kuò)大水基滅火劑適用范圍的優(yōu)化配方。如小分子有機(jī)物、陰離子和非離子表面活性劑的使用均可增強(qiáng)水對于煤粉的滲透性，從而有效熄滅陰燃火并防止其復(fù)燃；減少無機(jī)鹽離子的引入，可以降低滅火劑對設(shè)備的腐蝕性，使其更易儲藏與運(yùn)輸；改良AFFF中氟碳表面活性劑和抗燒劑的種類及配比，降低其與海水混合時的不穩(wěn)定性，研發(fā)更適合于沿海地區(qū)的耐海水型水基滅火劑。

(3)減少添加劑用量，并能提高水基滅火劑的滅火效率。如高分子凝膠滅火劑中高吸水性樹脂的添加量僅為0.2%～0.4%，但其鎖水能力強(qiáng)、吸熱量大，可使水的利用效率提高幾十倍；將有機(jī)鹽與多元醇類物質(zhì)有機(jī)復(fù)合，與單一抗凝劑相比能夠進(jìn)一步降低水基滅火劑的凝固點(diǎn)，同時減少抗凝劑的用量，有效解決高緯度、高海拔等低溫地區(qū)由于滅火劑凝固而使用率較低的問題等。

2.2 工藝發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段水基滅火劑的制作工藝主要有2種，一是先將各種添加劑按比例混合，使用時再按一定比例與水進(jìn)行預(yù)混，如利用該種方法制作水凝膠滅火劑，可以減輕由于其粘性較大而導(dǎo)致滅火劑在設(shè)備中傳輸效率低的問題；二是將各種物質(zhì)按比例及反應(yīng)關(guān)系依次加入水中，直接混合形成水基滅火劑，然后灌裝保存，手提式及簡易式水基滅火器中的滅火劑主要采用該種制作方法。

2.3 應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

水基滅火劑主要用于撲滅A類和非水溶性B類液體的初期火災(zāi)。除水本身的冷卻作用外，滅火劑可滲透進(jìn)可燃固體內(nèi)部，有效抑制火勢蔓延，在紙張、織物、木竹等固體火災(zāi)的撲救中得以有效利用；水凝膠等粘性較大的滅火劑可覆蓋在可燃物表面，添加量少，保水量大，已廣泛應(yīng)用于森林、礦井火災(zāi)的撲救中；細(xì)水霧兼具氣體滅火和水滅火的雙重優(yōu)點(diǎn)，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)目前在隧道、圖書館、醫(yī)院、電廠等重要場所普及；AFFF由于其能夠在油面上迅速流動，且封閉性能好，被公認(rèn)為性能最好的油類滅火劑；目前發(fā)展的新型水基滅火劑對E類電器火災(zāi)具有較好滅火效果，表現(xiàn)出良好的絕緣性能。在實(shí)際應(yīng)用中，水基滅火劑的使用受到制作工藝、配方成本、存放條件、噴灑設(shè)備等因素制約，這也導(dǎo)致雖然水基滅火劑的研發(fā)種類較多，但能夠廣泛投入使用的數(shù)量有限等問題，在未來仍有較大發(fā)展空間。

3 水基滅火劑與其他滅火劑的比較

3.1 性能及應(yīng)用對比

由于物質(zhì)性質(zhì)及滅火機(jī)理的不同，不同種類滅火劑的適用范圍有所不同，見表2。干粉滅火劑的適用范圍最廣，尤其是對于活潑性較強(qiáng)的金屬火災(zāi)，主要依靠干粉滅火劑的窒息作用使其熄滅，但是干粉滅火后會產(chǎn)生大量的殘留物，需要進(jìn)一步清理且容易對人產(chǎn)生刺激，對現(xiàn)場物品造成損傷，因此，對一些存放貴重物品或精密儀器的場所，需要利用氣體滅火系統(tǒng)或細(xì)水霧滅火系統(tǒng)開展火災(zāi)撲救工作。細(xì)水霧相較于惰性氣體滅火劑的滅火效率更高、環(huán)保性更強(qiáng)，在未來有較大發(fā)展空間。泡沫滅火劑和水基滅火劑雖然都可用于A、B類火災(zāi)的初期撲救，但由于水基滅火劑毒性相對較低，制作工藝相對簡單，更適合于人員活動場所的滅火行動，泡沫滅火劑則在工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛。

表2 不同種類滅火劑性能及應(yīng)用對比Tab.2 Comparison of properties and applications of different kinds of fire extinguishing agents

3.2 標(biāo)準(zhǔn)對比

目前國內(nèi)外針對不同種類滅火劑都制定有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)主要以國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)為依據(jù)，國際上較為權(quán)威的是ISO檢測標(biāo)準(zhǔn)，此外美國防火協(xié)會(National Fire Protection Association，NFPA)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也常作為滅火劑研究與檢測的參考標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 不同種類滅火劑主要標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.3 Comparison of main standards for different types of fire extinguishing agents

我國水基滅火劑的標(biāo)準(zhǔn)是在泡沫滅火劑標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立起來的，對于理化性質(zhì)，如凝固點(diǎn)、抗凍結(jié)融化性、pH值、表面張力、腐蝕率的要求以及試驗(yàn)方法與泡沫滅火劑一致，但檢測項(xiàng)目少，對于沉淀物、流動性等指標(biāo)并未做出具體要求。同時，在防火試驗(yàn)方面，對于B類火，要求水基滅火劑能撲滅橡膠工業(yè)用溶劑油和99%丙酮的火災(zāi)，對于A類火要求能撲滅1A級以上木垛火。此外，國內(nèi)目前僅對水基滅火劑和氣體滅火劑做出毒性檢測要求，水基滅火劑僅要求將斑馬魚按規(guī)定在其中培養(yǎng)96h，死亡率不超過50%，不僅檢測指標(biāo)少，且標(biāo)準(zhǔn)低，對于環(huán)境方面的規(guī)范性還有待加強(qiáng)。

與美國NFPA標(biāo)準(zhǔn)相比，我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尚存在較大差距。NFPA標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目更多，對腐蝕性、木材纖維板滲透性等指標(biāo)要求較高，對試樣的處理時間要求更長。此外，在毒性檢測方面，NFPA標(biāo)準(zhǔn)分別對哺乳動物毒性、濃縮水生生物毒性和濃縮生物降解性做出較為嚴(yán)格的要求，值得借鑒。

4 水基滅火劑未來發(fā)展與應(yīng)用前景

(1)擴(kuò)展水基滅火劑的適用范圍。水基滅火劑的主要物質(zhì)為水，取材方便且成本較低，這為研發(fā)與生產(chǎn)提供天然的物質(zhì)條件，通過配方、工藝等方面的改良與創(chuàng)新擴(kuò)大其適用范圍，將開拓更大的發(fā)展空間。如通過改進(jìn)AFFF配方，解決低溫低壓使其粘度和發(fā)泡倍數(shù)降低、表面張力增大，從而降低其鋪展速度，影響其滅火效能的問題，將使水基滅火劑在高原地區(qū)的應(yīng)用更為廣泛。

(2)推廣先進(jìn)輔助設(shè)備。水基滅火劑的應(yīng)用受到儲存、運(yùn)輸、設(shè)備功能等多方面限制，通過對器材技術(shù)改良，幫助其效能最大化，將有利于后續(xù)的推廣與使用。例如，可設(shè)計滅火劑在噴射前的自動預(yù)混裝置，有效改善供水管網(wǎng)或固定水箱中水的滅火性能，從而擴(kuò)展水基滅火劑的合成及應(yīng)用場合；進(jìn)一步深化霧化機(jī)理研究，創(chuàng)新開發(fā)新型霧化噴頭，使其噴灑效果得到進(jìn)一步改善。

(3)推動多領(lǐng)域融合。近年來，各學(xué)科都取得長足發(fā)展，對水基滅火劑的研究也應(yīng)當(dāng)多領(lǐng)域融合。如利用生物科學(xué)手段，尋求適用于水基滅火劑的具備某些特性的微生物，通過生物降解有效降低環(huán)保壓力；物理科學(xué)可分析水基滅火劑的滅火機(jī)理，驗(yàn)證其滅火性能；化學(xué)科學(xué)可以幫助調(diào)整水基滅火劑配方從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；社會科學(xué)可以使水基滅火劑的研發(fā)更貼近社會發(fā)展需要。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。建立健全我國針對水基滅火劑的設(shè)計規(guī)范以及環(huán)保性能評價體系，通過借鑒歐美現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，制定符合我國國情的指標(biāo)與方法，從制度上引領(lǐng)水基滅火劑的發(fā)展方向。如在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，可增加相關(guān)防火試驗(yàn)的燃料類型，提高檢測標(biāo)準(zhǔn)，對不同類型的水基滅火劑做出有針對性的要求，還可增加生物毒性檢測、生物可降解性指標(biāo)，為水基滅火劑在環(huán)境方面表現(xiàn)出的突出問題尋求有效的解決途徑。

5 結(jié)論

我國對于水基滅火劑配方、工藝等方面的研究已逐漸接近或達(dá)到國際水平。水基滅火劑相較于其他種類滅火劑具有成本低、環(huán)保性強(qiáng)的優(yōu)勢，同時具備滅火效率高和抗復(fù)燃能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。在未來，水基滅火劑溫度使用范圍，特別是超低溫環(huán)境，海水淡水、ABCD等火災(zāi)種類、火災(zāi)場景等的適用性將進(jìn)一步增強(qiáng)，且更加低碳環(huán)保、無腐蝕、無污染；開發(fā)適用于水基滅火劑的滅火裝置、投送系統(tǒng)，進(jìn)一步研發(fā)水基滅火劑納米包埋技術(shù)，增強(qiáng)其實(shí)用性也是未來又一發(fā)展方向；另外，修改完善相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)，將為規(guī)范水基滅火劑市場、保障其有序發(fā)展開辟更為廣闊的道路。