Исследование влияния различных стабилизаторов на устойчивость воздушно-механической пены

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ

ИЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ

ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ»

Отчёт о научно-исследовательской работе

по теме

«Исследование влияния различных стабилизаторов на устойчивость воздушно-механической пены»

Екатеринбург 2008

Реферат

Отчёт 31 с., 1 ч., 13 рис., 3 табл., 14 источников.

ВОЗДУШНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕНЫ (ВМП), Пенообразователи, стабилизатор, кратность, устойчивость, огнестойкость

Объектом исследования являются пены средней кратности и вводимые в них вещества - стабилизаторы.

Цель работы - разработать способ повышения устойчивости и огнестойкости воздушно механической пены на основе пенообразователя ОП-6 путём введения стабилизирующих добавок.

В процессе работы проводилось экспериментальное определение кратности пены и исследования влияния различных концентраций стабилизаторов (коллоидное железо, поливиниловый спирт, глицерин, этиленгликоль) на устойчивость полученных воздушно-механических пен.

По величине устойчивости получаемой пены стабилизаторы образую следующий ряд:

поливиниловый спирт> этиленгликоль> коллоидное железо> глицерин

Наиболее эффективным стабилизатором является поливиниловый спирт в концентрации 1 %. Полученная из такого раствора пена в лабораторных условиях сохраняет устойчивость до 90 мин, т.е. около 1,5 часов, а также отличается несколько более высокой кратностью. Большие концентрации стабилизирующих веществ (свыше 1-1,5 % об) отрицательно влияют на пенообразующую способность растворов.

Введение

В последние годы значительно повысилась взрывная и пожарная опасность многих видов производств, мощность энергосиловых установок непрерывно растёт, в резервуарных парках хранятся сотни тысяч тонн горючих и легковоспламеняющихся жидкостей, на предприятих органического синтеза обращаются сотни тонн горючих веществ, находящихся в особо пожароопасном состоянии, многие виды синтетических материалов в процессе их производства находятся в состоянии повышенной пожарной опасности, растут и производство, транспортировка и хранение горючих жидкостей и газов и т.д., всё больше синтетических и полимерных материалов с повышеноой пожарной опасностью применяется и в быту.

Современный пожар требует новых, более эффективных приёмов и способов тушения, и в первую очередь, новых эффективных огнетушащих средств. Для тушения пожаров широко применяются различные огнегасящие пены. Роль пен в тушении пожаров особенно возросла в связи с разработкой способов получения пен средней кратности. Тушение пламени нефти, нефтепродуктов и многих других горючих жидкостей без пен практически невозможно, кроме того они используются и для тушения порошкообразных материалов. Она также используется для вытеснения дыма при объемном тушении, изоляции расположенных рядом с очагами объектов от воздействия тепловых и газовых потоков. Применение пен повышенной кратности позволяет ликвидировать пожары горючих жидкостей на больших площадях, а также эффективно применяется для осаждения радиоактивных загрязнений из воздуха, тушения пожаров органических растворителей, тушения пожаров на кораблях, в библиотеках, архивах, шахтах и т.д.

В зависимости от условий горения, складывающихся на пожаре, пены должны отвечать определённым требованиям в отношении их свойств: обладать заданной кратностью, высокой структурно-механической прочностью и устойчивостью к тепловому воздействию, хорошей растекаемостью по твёрдым и жидким поверхностям. Эти качества определяются составом пенообразователя, используемого для приготовления пены.

Практика применения в пожаротушении различных пенообразователей ставит ряд сложных и интересных задач, таких как разработка специальных пенообразователей с заранее заданными свойствами, создание рецептур новых пенообразоватедлей и т.д. Особый интерес вызывает изучение возможностей увеличения устойчивости огнегасящих пен путём ведения в состав пенообразователей специальных добавок - стабилизаторов.

Тематика данной работы охватывает широкое исследование возможностей повышения качества пен, получаемых из стандартных пенообразователей, путём введения различных добавок и требует длительных исследований, не только лабораторных, но и натурных. В данном отчёте представлены результаты первого этапа научно- исследовательской работы - изучение возможностей повышения устойчивости пены в лабораторных условиях.

Цель работы разработать способ повышения устойчивости и огнестойкости воздушно механической пены на основе пенообразователя ОП-6 путём введения стабилизирующих добавок (определить стабилизатор, оказывающий наиболее эффективное действие, и его оптимальную концентрацию).

Для достижения поставленной цели в процессе исследования были решены следующие задачи:

выполнен критический анализ имеющихся литературных данных о наиболее широко используемых в настоящее время пенообразователях и их характеристиках, а также добавках, используемых для повышения устойчивости пен (стабилизаторах);

изучено влияние добавок ряда веществ на устойчивость и огнестойкость воздушно-механической пены средней кратности;

определен вид и оптимальная концентрация стабилизатора, позволяющая получить максимально устойчивую пену.

Предмет исследования - влияние некоторых химическтх веществ на устойчивость и огнестойкость воздушно-механических пен.

Объекты исследования -стабилизаторы, пены средней кратности.

Практическая значимость результатов исследований. На основании полученных результатов и имеющихся литературных данных выбран наиболее эффективный стабилизатор (поливиниловый спирт) и его оптимальная концентрация (1 % об) для получения наиболее устойчивой пены средней кратности.

стабилизатор механическая пена

Пены как огнетушащее средство. теоретические Основы получения устойчивых пен

Пены относятся к огнегасящим средствам, широко используемым при пожаротушении. Это связано с преимуществами, которыми они обладают по сравнению с таким традиционным огнетушащим средством, как вода. Применение пен позволяет сократить время тушения пожара до 3 раз, уменьшить материальные потери от пожаров до 1.5 раз.

Пены представляют собой грубодисперсную двухфазную систему, состоящую из ячеек, заполненных газом и разделенных пленками жидкости. Газ (или пар), заполняющий ячейки, является дисперсной фазой, а жидкость дисперсионной стрелой. Жидкую фазу пены называют отсеком.

Поскольку чистая вода имеет большое поверхностное натяжение, для получения пены в систему необходимо вводить добавки, понижающие поверхностное натяжение воды. Устойчивые пены образуются из растворов, поверхностный слой которых отличается от объёма. Образование подобного слоя происходит, например, при растворении в воде поверхностно активных веществ (ПАВ). Такие вещества получили название пенообразователей.

При добавлении в воду пенообразователя на поверхности пузырька воздуха, находящегося в растворе, образуется адсорбционный слой (рис. 1, а). Углеводородные части молекул ПАВ направлены внутрь воздушного пузырька, а гидрофильные группы обращены в сторону водной фазы. Поднимающийся на поверхность пузырёк воздуха при прохождении через поверхностную плёнку окружается двойным слоем ПАВ (рис. 1, б). Если такой процесс происходит в жидкостях, на поверхности которых не образуется устойчивого адсорбционного слоя, то поднявшийся на поверхность пузырёк воздуха мгновенно лопается. Поэтому чистые жидкости не образуют устойчивой пены.

Плёнку пузырька пены состоит из двух адсорбционных слоёв и средней части, заполненной раствором ПАВ (рис. 9, б). Находящаяся в средней части жидкость постепенно стекает и плёнка утончается, теряя свою устойчивость.

Рисунок 1. Схема образования пузырька пены.

а - образование адсорбционного слоя; б - образование пузырька пены.

1 - гидрофобная часть молекулы; 2 - гидрофильная часть молекулы

Пеной является не всякая система типа газ-жидкость, а только такая ячеистоплёночная система, отдельные пузырьки которой связаныдруг с другом разделяющими их плёнкми в общий каркас. Пузырьки газа, свободно распределённые в жидкости, являются эмульсией газа в жидкости.

Пена - это структурированная система, обладающая определённой жёсткостью.

Структура пены определяется отношением объемов газовой (Vг) и жидкой (Vж) фаз в единице объема. Если объем газовой фазы превышает объем жидкости не более, чем в 1020 раз (Vr/Vж<1020), ячейки, заполненные газом, имеют сферическую форму. В таких пенах пузырьки окружены слоем жидкости относительно большой толщины (рис. 2).

Как правило, пузырьки имеют не сферическую форму, а деформированы в многогранники за счёт избытка газовой фазы и взаимного сдавливания. С увеличением отношения Vг/Vж до нескольких десятков или даже сотен толщина пленки жидкости, разделяющей газовый объем, уменьшается, а газовая полость утрачивает сферическую форму и трансформируется в многогранник, причем форма многогранника может быть различной параллелепипеды, треугольные призмы, тетраэдры и т.д. Для газовых пузырьков монодисперсных пен высокой кратности, наиболее характерна форма пентагонального додекаэдра двенадцатигранника с пятиугольными гранями (рис. 3).

Рисунок 2. сферический пузырёк пены

Рисунок 3. Ячеистая (сотообразная) структура пены

Для того, чтобы пена представляла собой сплошную систему, необходимо ввести в жидкость 74% газа по объёму. Общий объём системы возрастёт в 3,8 раза, т.е. кратность пены (Кп = Vг/Vж) будет равна 3,8. Следовательно, если Кп3,8, то система является пеной, в противном случае - это эмульсия газа в жидкости.

Пенообразователи (ПО) подразделяются на две группы: общего и целевого назначения. ПО целевого назначения используются для получения пены при отрицательных температурах, из воды, содержащей достаточно большое количество минеральных солей.

Основные показатели пенообразователей должны соответствовать значениям приведенным в табл. 1 [5].

Таблица 1.

Основные показатели пенообразователей

Наименование показателя	Значение показателя	Методы испытаний
	Пенообразователи общего назначения	Пенообразователи целевого назначения синтетические
		углеводородные	фторсодержащие
Внешний вид	Прозрачная жидкость без осадка	Однородная жидкость без осадка и расслоения	По п. 5.1 ГОСТ Р 50588-93
Плотность при 20 °С, кг/м3	устанавливается в НТД	По ГОСТ 18995.1
Кинематическая вязкость, при 20 °С, мм2 · с-1,не более	100	200	По ГОСТ 33
Водородный показатель (рН)	7,0--10,0	6,5-10,0	По ГОСТ 22567.5
Температура застывания, °С, не выше	--3	--5	По ГОСТ 18995.5
Показатель смачивающей способности, с, не более		Не устанавливается	По прил. 1 ГОСТ Р 50588-93
Кратность пены:
низкая, не более	20	По п. 5.2 ГОСТ Р 50588-93
средняя, не менее	60	60	40	По п. 5.2 , по прил. 2 ГОСТ Р 50588-93
высокая, не менее	200	По прил. 2 ГОСТ Р 50588-93
Устойчивость пены низкой, средней и высокой кратности, с	устанавливается в НТД	По п. 5.2 По прил. 2 ГОСТ Р 50588-93
Время тушения н-гептана при заданной интенсивности подачи рабочего раствора, с, не более:
пеной низкой кратности при интенсивности (0,059±0,002), дм3/м2 с;	Не устанавливается	120	По п. 5.3 ГОСТ Р 50588-93
Время тушения н-гептана пеной средней кратности при интенсивности, дм3/м2 с;
0,042 ±0,02	300	Не устанавливается	По п. 5.4 ГОСТ Р 50588-93
0,032 ±0,002	Нe устанавливается	300
0,032 ±0,002	Не устанавливается	120	По п. 5.5 ГОСТ Р 50588-93

Примечание: Норму интенсивности подачи для водорастворимых горючих жидкостей устанавливают в каждом конкретном случае.

В органах и подразделениях по чрезвычайным ситуациям России используются пенообразователи ПО1, ПО-6К, ПО-6ТС А, ПО-3НП, ПО-6НП и др. Кроме упомянутых пенообразователей, в подразделениях пожарной службы стран СНГ нашли широкое применение пенообразователи ПО1Д, ПО1C, ПО "ТЭАС", ПО "Морозко", ПО "Полюс", ПО "Универсальный", ПО "ФОРЭТОЛ" и др.

Следует отметить, что рассматриваемые пенообразователи не способны к самостоятельному горению, но могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси при обычной температуре. В связи с этим, при обращении с ними запрещается пользоваться открытым огнем и другими источниками зажигания. В то же время их рабочие растворы пожаровзрывобезопасны.

Свойства пен

Пены характеризуются структурой пены; кратностью; дисперсностью; вязкостью; теплопроводностью; электропроводностью; стойкостью и т.д.

Наиболее важными свойствами, влияющими на эффективность пены как огнетушащего средства, являются кратность, устойчивость и огнестойкость. Именно эти свойства пен рассмотрены в данной работе.

Кратность пен

Кратностью пены называется отношение объема пены к объему жидкой фазы, из которой она получена:

Различают пены: - низкой кратности 3<Кп?20;

- средней кратности 20<Кп ? 200;

- высокой кратности Кп>200

В зависимости от способа получения значения кратности пены, образованной из одного и того же раствора, могут отличаться друг от друга на несколько порядков (от 4-10 до нескольких тысяч).

Кратность пены неодинакова для различных ПАВ и зависит также от концентрации вещества (рис. 4). Это различие связано как со способом получения пены, так и со способность молекул ПАВ с определённой скоростьб дифундировать из объёма раствора во вновь образуемую поверхгость. Качественно скорость диффузии можно выразить временем достижения статических значений поверхностного натяжения. Как правило, оно минимально для анионактивных ПАВ и и увеличивается при переходе к неионогенным и амфотерным веществам.



Рисунок 4. Зависимость кратности пены от концентрации ПАВ (ствол ГВП-100, давление 6 атм.)

1-Д3С; 2 - первичные алкилсульфаты С10-С13; 3 - типол; 4 - ПО-6К на основе гидроочищенного керосина; 5 - ПО-6К на основе гидроочищенного газойля; 6 - вторичные алкилсульфаты на основе -олефинов; 7 - ПО-1; 8 - НП-2

Отношение объема газа в пене к объему пены называется газосодержанием пены в:

в = Vr/Vж

Газосодержащие и кратность пены связаны между собой соотношением:

= (Kп1)/Kп.

Устойчивость пен и их разрушение

Пена как любая дисперсная система является неустойчивой. Это связано с наличием избытка поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела фаз жидкостьгаз. Поэтому с момента образования пены в ней протекают процессы старения, в результате которых пена изменяет свои свойства. Наиболее интенсивные изменения наблюдаются в начальный момент.

Разрушение пены в нормальных условиях происходит в результате истечения жидкости и разрыва пленок внутри пены. Следствием этого является изменение структуры. В процессе старения сферическая форма ячеек преобразуется в многогранную. Кроме того, с момента образования в пене начинается процесс диффузионного переноса воздуха из маленьких пузырьков в большие. Это приводит к уменьшению общего числа пузырьков и увеличению их среднего диаметра [6-9 ].

В реальных условиях при тушении пожара пена разрушается также в результате деформации пузырьков под действием силы трения при движении, термического воздействия окружающей среды, конвективных потоков. Процесс разрушения может быть охарактеризован интенсивностью разрушения, которая определяется по формуле:

объем пены, разрушенной за промежуток времени ; начальный объем пены.

В настоящее время чаще пользуются понятием "устойчивость пены". Sn величина, обратная интенсивности разрушения:

Устойчивость пены - сложная величина, зависящая от многих факторов. В общем виде под устойчивостью понимается способность ены сохранять свои первоначальные свойства. Sn это ее способность сохранять объем, дисперсный состав, и препятствовать синерезису. При определении устойчивости наблюдают за одним характерным свойством пены. Наиболее часто об устойчивости пены судят по времени разрушения определённого объёма пены (обычно 20 % от первоначального) и по времени, в течение которого из пены выделяется 50% раствора, из которого она получена, т.е. 50 % отсека. Для пен кратностью 1001000 время выделения 50% отсека при 200С описывается следующей эмпирической зависимостью:

ж =7.7ЧdЧ (1 + 0.001ЧКп), мин

Устойчивость пены зависит от многих факторов, но следует выделить следующие: температура окружающей среды, дисперсность пены (моно или полидисперсная), ее кратность, высота слоя, давление упругих паров ГЖ, механическое воздействие на нее при движении.

Для повышения устойчивости пен в них вводят вещества стабилизаторы (соли поливалентных металлов, глинозем, поливиниловый спирт, эфиры целлюлозы, полиакриламид, протеин и т.д.).

Н. устойчивость пены, нанесённой на поверхность прогретой горючей жидкости , в основном влияют следующие факторы:

тепло, получаемое от прогретого слоя жидкости;

природа жидкости;

качество пены.

Согласно литературным данным [1-14], наибольшее влияние на скорость разрушения пены оказывет тепловое воздействие горючей жидкости.

Огнестойкость пен

Огнестойкость пены характеризует ее поведение в реальных условиях пожаротушения. Ее определяют следующим образом. В противень наливается жидкость, на ее поверхность подается пенный слой заданной толщины так, чтобы в углу противня остался небольшой по площади участок с открытой поверхностью жидкости. На нем жидкость поджигается и фиксируется время, в течение которого пламя распространяется на всю поверхность ГЖ.

Основы образования устойчивых пен

ПАВ, хотя и образуют обильные пены, но устойчивость их не в полной мере отвечает требованиям пожарной охраны. Устойчивость пен можно повысить, вводя в растворы ПАВ небольшие количества веществ, которые сами пен не образуют - стабилизаторов. Сложность состоит в том, что чаще всего добавки необходимо вводить не в рабочие растворы, а в концентрированные пенообразователи, поэтому в рабочих растворах дообавок содержится около 0,1 %, но и в таком количестве они должны значительно увеличивать устойчивость пены.

Добавки, увеличивающие устойчивость пен, можно разделить на следующие группы:

загущающего действия, т.е. повышающие вязкость раствора пенообразователя, благодаря чему уменьшается скорость обезвоживания пены;

входящие на построение адсорбционных слоев;

образующие в растворе структуры, элементы которой переходят в пленки пен, препятствуя их обезвоживанию;

избирательного действия, повышающие устойчи вость пены на определенной границе раздела.

Следует отметить, что одна и та же добавка может повышать устойчивость пены за счет совокупного действия различных факторов. Приведенная классификация подчеркивает только наиболее сильно проявляющееся свойство добавки

К первой группе относятся глицерин, этиленгликоль, триэтаноламин, метилцеллюлоза, натрийкарбоксиметилцеллюлоза. Некоторые из них при введении в водные растворы ПАВ в количестве 1 % увеличивали вязкость композиций в десятки раз (метилцеллюлоза и натрийкарбоксиметилцеллюлоза). Оптимальная концентрация метилцеллюлозы 0,1-0,2%, поэтому ее можно вводить в концентрированные растворы некоторых ПАВ без нарушения текучести пенообразователя.

Добавлять глицерин и этиленгликоль в пенообразующие композиции для повышения пенообразующих свойств ПАВ необходимо в концентрациях 10-20%, поэтому использовать эти добавки практически невозможно; так как нельзя получить концентрированного раствора пенообразователя.

При добавлении триэтаноламина в растворы неионогенных соединений устойчивость пены снижалась пропорционально повышению его концентрации, несмотря на некоторое увеличение вязкости. В растворах анионактивных соединений триэтаноламин повышает устойчивость пены при незначительном увеличении вязкости пенообразующих растворов, однако для этого его требуется добавлять в большом количестве.

При введении алкилоламидов в растворы ПАВ отмечаются противоречивые результаты [1, 2, 8-12]. В некоторых, случаях устойчивость и изолирующая способность пены увеличиваются, в других - уменьшаются.

Ко второй группе относятся высшие жирные спирты. Они изменяют поверхностное натяжение и увеличивают устойчивость пен.

К третьей группе добавок отнесены агар-агар, клей, желатин, крахмал. Эти вещества также увеличивали вязкость растворов, например добавка 0,3 % агар-агара к пенообразователю увеличивает вязкость более чем в 100 раз. Было показано [1, 2, 11-14], что с введением 0,1 % агар-агара в растворы алкилсульфонатов устойчивость и изолирующая способность пены увеличивались более чем в 2 раза.

Характерная особенность клея - увеличение устойчивости пен при его введении в относительно небольших концентрациях и при незначительном увеличении вязкости пенообразующего раствора. Даже концентрированные растворы клея обладают небольшой вязкостью, что позволяет использовать его при разработке пенообразующих композиций.

Желатин повышет пенообразующие и огнетушащие свойства пенообразователя в концентрациях, не превышающих 1 % . Устойчивость и огнетушащая способность пены увеличиваются также и при введении не менее 0,5 % крахмала, но лишь в анионактивные вещества.

К стабилизаторам избирательного действия отнесен поливиниловый спирт. При добавлении его к растворам ПАВ в относительно небольших концентрациях (порядка 1%) увеличиваются устойчивость и изолирующая способность пены. Для получения устойчивых на поверхности полярных жидкостей пен необходимы добавки, растворимые в пенообразователе, но не растворимые в полярных жидкостях.

При разрушении первых порций пены они образуют пленку, предохраняющую пену от дальнейшего разрушения. В качестве пенообразователя, устойчивого на поверхности полярных жидкостей, целесообразно использовать ПАВ с добавками альгината натрия. Кроме того, в состав смеси необходимо вводить небольшое количество высшего жирного спирта. Обладая поверхностной активностью, он может концентрироваться на поверхности раздела. В присутствии спирта альгинат переходит в нерастворимое состояние, в результате чего образуется «твердая» разделительная пленка на границе полярная жидкость - пена.

Большой практический интерес представляет влияние, оказываемое высшими жирными спиртами (ВЖС) на учтойчивость пен, полученных из растворов ПАВ. Введение ВЖС в водные растворы ПАВ приводит к уменьшению поверхностного натяжения смеси, из чего следует, что образуются смешанные адсорбционные слои. Молекулы спирта, пошедшие на образование адсорбционного слоя, в большей степени снижают поверхностное натяжение, чем молекулы ПАВ, причем максимальное уменьшение поверхностного натяжения отмечено при добавлении спиртов С8-12 (рис. 5).

Рисунок 5. Зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ от длины цепи добавляемого спирта

1 - 0,2 %-ный раствор вторичных алкилсульфатов; 2 - 0,65 %-ный раствор хлорного сульфонола; 3 - 0,5 %-ный раствор алкилсульфоната

Устойчивость пены, полученной из растворов ПАВ, также зависит от длины углеродной цепи спирта. Низшие спирты (этиловы, бутиловый) практически не изменяют устойчивости пены ( рис. 6).



Рисунок 6. Зависимость устойчивости пены от длины цепи добавляемого спирта

1 - 0,2 %-ный раствор вторичных алкилсульфатов; 2 - 0,65 %-ный раствор хлорного сульфонола; 3 - 0,5 %- ный раствор алкилсульфоната

В дальнейшем действие спиртов проявляется неодинаково для разных ПАВ. Так, для вторичных алкилсульфатов устойчивость пены имеет максимум при добавлении тетрадецилового спирта, возрастая почти в 5 раз. Для растворов алкилсульфоната и сульфонола с увеличением углеродной цепи добавляемого спирта устойчивость пен уменьшается. Столь различное действие добавок жирных спиртов следует отнести за счет строения полярной группы ПАВ. Вероятно, наблюдаемое повышение устойчивости пены, полученной из пенообразующей композиции на основе алкилсульфатов, происходит в результате образования сложных адсорбционных слоев из молекул ПАВ и спирта и вследствие структурирования средней части пленки комплексами сложных мицелл.

Из полученных данных следует, что наиболее устойчивая структура образуется при введении тетрадецилового спирта, длина цепи которого соответствует средней длине цепи поверхностно-активного вещества. Аналогичная закономерность наблюдается и при изменении дисперсности пены во времени (рис. 7). Дисперсность пены, полученной из ПАВ с добавкой тетрадецилового спирта, изменяется значительно медленнее, чем из ПАВ с добавками других спиртов.

Наибольшая устойчивость пены (рис. 8) соответствует определенному содержанию тетрадецилового спирта в растворе ПАВ. При добавлении спиртов С12-С16 увеличение содержания добавки начиная с концентрации 0,05 % приводит к постоянной величине устойчивости пены порядка 10-15 мин.

Рисунок 7. Изменение дисперсности пены , полученной из 0,2 % раствора вторичных алкилсульфатов с добавкой 0,2 % спиртов с различной длиной цепи во времени

1 - этиловый, бутиловый, гексиловый, октиловы спирты, 2 - тетрадециловый спирт



Рисунок 8. Влияние добавок высших жирных спиртов на устойчивость пены из вторичных алкилсульфатов

1-спирты с длиной цепи С14; 2 - спирты с длиной цепи С12 - С16

Таким образом, анализ различных описанных в литературе исследований [1-7, 13] показывает целесообразность разработки пенообразующих композиций, одним из компонентов которой является высший жирный спирт СI2-СI6.

Были проведены исследоваuия с добавками, относящимися главным образом к высокомолекулярным веществам, которые вводились в растворы ПАВ и высших жирных спиртов. Действие этих добавок может определяться образованием смешанного адсорбционного слоя или эле-ментов структуры в межпленочном пространстве [8-10, 12, 14].

Экспериментальное исследование влияния некоторых стабилизирующих добавок на устойчивость воздушно-механической пены

1. Экспериментальное определение кратности пены

В лабораторных условиях кратность пены определяется по следующей методике [4-6]. В стеклянный градуированный циллиндр объёмом 1000 см3 помещают 100 см3 исследуемого рабочего раствора пенообразователя, закрывают пробкой и энергично взбалтывают в течение 30 с. Цилиндр с торцовых частей удерживается двумя руками в горизонтальном положении и встряхивается в направлении продольной оси. После встряхивания цилиндр устанавливается на столе, пробка вынимается и отсчитывается объём образовавшейся пены. Кратность пены вычисляется как отношение полученного объёма пены к объёму раствора (100 см3).

Для установления максимальной пенообразующей способности определяется наивысшая кратность. Для этого в цилиндр объёмом 1000 см3 помещают 25 см3 исследуемого раствора. В этом случае определяют кратность растворов не более 40.

Согласно данной методике в лабораторных условиях нами была получена пена низкой и средней кратности:

=887/100=8,87

=975/25=39

Полученная пена в дальнейшем использовалась для проведения экспериментов.

2. Экспериментальное исследование влияния различных стабилизаторов на устойчивость воздушно-механической пены

Устойчивость пены определяется временем выделения из полученной пены 50 % (50 см3) пенообразователя [4-6].

В чистые пронумерованные измерительные цилиндры объёмом 250 мл вносят 2 мл концентрированного раствора пенообразователя и доводят дистиллированной водой до 100 мл. В полученный 2%-ный раствор пенообразователя пипеткой добавляют различные количества стабилизатора: 0,5; 1; 1,5; 2; 5 мл. Один цилиндр - контрольный, в него стабилизатор не добавляется. После этого цилиндры плотно закрывают притёртыми пробками, содержимое энергично взбалтывтся в течение 60 секунд, при этом цилиндры с торцовых частей удерживаются двумя руками в горизонтальном положении и встряхиваются в направлении продольной оси.

После встряхивания цилиндр устанавливается на столе, пробка вынимается и через 30 секунд по разнице верхней и нижней границ пены определяется высота её столба в мм. Это значение принимается за точку отсчёта. Далее через 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20 и т.д. минут аналогично по измерению нижней и верхней границ определяется высота столба пены к каждому моменту времени. Также в начальный момент и через указанные временные промежутки определяется объём жидкости в цилиндре.

Наблюдения прекращают при разрушении 50 % пены или при выделении из неё 50 см3 раствора.

За результат испытания принимают среднее арифметичесоке трёх определений кратности и устойчивости пены.

На основании полученных экспериментальных данных строятся графические зависимости изменения высоты столба пены (h, мм) от времени (, мин) и устойчивости пены (уст, мин) от объёма введённого стабилизатора (Vст, мл).

В качестве стабилизаторов были выбраны следующие вещества:

коллоидный раствор железа;

глицерин;

этиленгликоль;

поливиниловый спирт

Лабораторные исследования по изучению влияния указанных стабилизаторов на устойчивость воздушно-механических пен показали следующие результаты (табл. 2, 3, рис. 9-12)

Таблица 2.

Кинетика изменения высоты столба пены

Время , мин	Высота столба пены, мм
	Объём стабилизатора, мл
	0	0,5	1	1,5	2	5
Коллоидное железо
0	226	272	270	265	242	240
1	183	238	234	223	191	182
3	176	214	209	195	176	174
5	172	193	188	191	165	162
10	165	191	186	175	151	150
15	158	170	164	158	148	143
20	141	163	157	145	134	131
25	137	154	146	141	125	122
30	120	142	140	133	120	119
40	119	140	135	131	119	117
50	113	138	130	129	110	112
60	91	136	127	120	104	100
Глицерин
0	182	170	180	178	130	125
1	180	168	180	174	128	120
5	179	165	178	170	123	118
10	178	150	171	163	117	100
15	167	145	165	156	103	94
20	150	120	153	142	97	83
25	118	100	129	122	84	75
30	91	85	108	98	69	63
40	89	84	104	94	65	62
50	80	81	90	87	61	60
Этиленгликоль
0	234	275	272	266	247	243
1	193	239	264	228	229	181
3	176	224	239	205	218	178
5	174	196	198	193	175	160
10	167	191	189	177	154	145
15	156	173	174	159	147	137
20	124	161	167	146	132	129
30	117	152	154	142	127	121
40	112	143	148	137	123	118
50	109	141	145	133	120	114
60	103	137	140	130	115	102
80	92	126	137	124	101	98
Поливиниловый спирт
0	275	270	280	274	232	226
1	263	249	274	248	219	182
5	256	234	259	235	196	174
10	244	198	228	195	185	158
20	187	192	219	197	163	143
35	166	175	194	179	157	139
50	154	164	187	166	142	127
60	141	153	174	152	128	112
70	137	148	168	146	116	108
80	129	135	155	137	102	94
90	92	106	140	104	91	88

Рисунок 9. Кинетика изменения высоты столба пены при стабилизации коллоидным раствором железа

Рисунок 10. Кинетика изменения высоты столба пены при стабилизации глицерином

Рисунок 11. Кинетика изменения высоты столба пены при стабилизации этиленгликолем

Рисунок 12. Кинетика изменения высоты столба пены при стабилизации поливиниловым спиртом

По величине устойчивости пены рассмотренные стабилизаторы образуют следующий ряд:

Поливиниловый спирт> этиленгликоль > коллоидное железо> глицерин (табл. 3, рис. 13).

Таблица 3.

Зависимость устойчивости пены от концентрации стабилизатора

Объём стабилизатора, мл	Время устойчивости, мин
	0	0,5	1,0	1,5	2,0	5,0
Коллоидный раствор железа FeCl3	50	60	40	35	30	30
Глицерин	30	30	50	45	40	40
Этиленгликоль	30	60	80	50	40	30
Поливиниловый спирт	70	80	90	80	70	60

Рисунок 13. Зависимость устойчивости пены от концентрации стабилизатора

Очевидно также, что большие концентрации стабилизирующих веществ отрицательно влияют на пенообразующую способность растворов.

Наиболее эффективным стабилизатором является поливиниловый спирт в концентрации 1 %. Полученная из такого раствора пена в лабораторных условиях сохраняет устойчивость до 90 мин, т.е. около 1,5 часов, а также отличается несколько более высокой кратностью. Хорошо повышает усточивость также добавка этиленгликоля в концентрации 1 %, максимальная устойчивость пены при этом составляет 80 минут.

Очевидно, что использование глицерина и коллоидного раствора железа нецелесооборазно, поскольку эти вещества менее эффективно повышают устойчивость пен, а кроме того сложны в применении в реальных условиях: раствор железа трудоёмок в приготовлении и чувствителен к рН среды, а глицерин быстро застывает при понижении температуры.

Заключение

В пожаротушении, особенно при горении больших объёмов легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, таких как бензины, жидкие топлива, нефтепродукты, используются пены, которые должны отличаться повышенной устойчивостью.

По результатам анализа имеющихся литературных данных установлено, что одним из перспективных направлений повышения устойчивости пены является введение специальных добавок - стабилизаторов.

Исследовано влияние некоторых веществ на устойчивость воздушно-механической пены. В качестве стабилизаторов использовались: коллоидный раствор железа; глицерин; этиленгликоль; поливиниловый спирт.

По результатам исследований построены кинетические кривые изменения высоты столба пены во времени для различных вариантов проведения эксперимента.

Показано, что наиболее эффективным стабилизатором является поливиниловый спирт в концентрации 1 %. Полученная пена в лабораторных условиях сохраняет устойчивость до 90 мин. Хорошо повышает устойчивость также добавка этиленгликоля в концентрации 1 %, максимальная устойчивость пены при этом составляет 80 минут.

Использование глицерина и коллоидного раствора железа нецелесооборазно, поскольку эти вещества менее эффективно повышают устойчивость пен, а кроме того сложны в применении.

Необходимым направлением дальнейших исследований видится исследование огнестойкости пен при введении различных стабилизаторов, так как устойчивость пен к тепловому воздействию - главный критерий времени стабильности пены в условиях пожара.

Список литературы

Казаков М.В. Применение поверхностно-активных веществ для тушения пожаров. М., Стройиздат, 1977. - 80 с.

Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. - М.: Химия. 1983. - 264 с.

Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Уч. пособие. - М.: ВИПТШ МВД СССР. 1980. - 256 с.

ГОСТ 6948-81 «Пенообразователь ПО-1»

ГОСТ Р 50588-93 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний»

Исследование влияния стабилизатора на устойчивость воздушно-механических пен: Методические указания к лабораторной работе № 1 по дисциплине “Физико-химическе основы развития и тушения пожаров” / Маскаева Л.Н., Кожевникова Н.С. - Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС. 2005. - 15 с.

Шароварников Д.С. Свойства пен. . - М.: Химия. 2006. - 364 с.

Баратов А.Н. Горение пожар взрыв безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России. 2003. - 363 с.

Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с анг. М.: Стройиздат. 1990. 424 с.

Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.: Физматлит. 2003. 352 с.

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелин Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа. 2004. - 445 с.

Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения - М., «Химия». - 1977. - 320 с., ил.

Шрайбер Г., Порст П. Огнетушащие средства. Химико-физические процессы при горении и тушении. М.: Стройиздат, 1975. 240 с.

Котов А.А., Петров И.И., Реутт В.Ч. Применение высокократной пены при тушении пожаров. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1972. 113 с.

Размещено на Allbest.ru