St. Petersburg, Russian Federation
UDC 614.842.61
The paper proposes a comprehensive method for modifying the dispersed medium of air-mechanical foam, combining reagent-free (electrophysical water treatment) and reagent (mineralization with hydrophilic marshalite SiO ₂) approaches, as well as replacing air with carbon dioxide during generation. The purpose of the study is to increase the fire extinguishing ability and stability of foam in extreme conditions characteristic of the Arctic climate, extinguishing live electrical installations and fires of lithium-ion batteries. It was experimentally found that electrophysical treatment (at 18 kV) reduces the surface tension of water from 72.8 to 65.0 mN/m and reduces the wetting angle on glass from 44° to 22°, which improves penetration. The addition of 0.5% by weight marshalite increases the foam half-life from 8 to 14 minutes, increases adhesion and heat resistance. Replacing air with CO ₂ reduces electrical conductivity, eliminates the supply of oxygen to the combustion zone and provides an additional phlegmatizing effect. The obtained mineralized compression foam demonstrates an extended temperature range of application, increased resistance to drainage and coalescence, as well as effectiveness in extinguishing in difficult conditions. The results offer prospects for developing regulatory requirements for a new generation of fire-extinguishing foams.
Air-mechanical foam, dispersed medium, mineralizers, nanoparticles, electrophysical treatment, fire extinguishing, foam expansion ratio, foam stability, hydrophilic mineralizers, hydrophobic mineralizers, freezing kinetics
Введение
Актуальность вопроса обеспечения пожарной безопасности во многом определяется необходимостью совершенствования средств пожаротушения. В современных условиях усложнения технологических процессов, увеличения количества объектов с повышенной степенью пожаро-взрывоопасности особенно важным становится разработка новых, более эффективных средств пожаротушения, а также усовершенствование уже имеющихся технологий. Это позволяет не только повысить эффективность локализации и ликвидации пожаров, но и минимизировать экологические и экономические последствия от чрезвычайных ситуаций (далее ЧС).
Одним из наиболее эффективных средств пожаротушения пожаров классов А и В на протяжении 10 лет является воздушно-механическая пена (ВМП). Её широкое применение обусловлено рядом неоспоримых достоинств, таких как доступностью компонентов, относительно низкой стоимостью, высокой эффективностью при тушении, а также комплексным механизмом действия.
Однако, не смотря на все положительные свойства ВМП, её физико-химические свойства в ряде некоторых случаев становятся ограничивающим фактором.
Как показывает богатый опыт практического применения на пожаре, к числу ключевых недостатков ВМП относятся высокая температура замерзания, снижающая работоспособность в условиях отрицательных температур; низкая адгезионная способность и неоднородная структура пузырьков, что приводит к быстрой деградации пенного слоя и увеличения расхода огнетушащих веществ[1].
В связи с этим особую актуальность приобретает поиск путей модернизации ВМП или разработка принципиально новых огнетушащих составов, способных преодолеть указанные ограничения и обеспечить эффективное тушение в экстремальных условиях.
Методы исследования
Анализируя современные вызовы пожарной опасности – от арктических температур до тушения электрооборудования под напряжением и пожаров литий-ионных аккумуляторов – требует не просто улучшения традиционных огнетушащих веществ, а принципиально нового подхода к их модификации. Как было сказано ранее, ключевые ограничения ВМП является высокая электропроводность, низкая морозостойкость, неоднородная структура и недостаточная адгезия, это обусловленно физико-химическими свойствами её дисперсной среды. В то же время, ученые Абдурагимов И.М., Корольченко Д.А., и Шароварников А.Ф. отмечают, что эффективность любого ОТВ определяется не только его составом, но и комплексным, зачастую двойственным механизмом действия: охлаждение, изоляция, ингибирование и разбавление могут проявляться одновременно, но доминирующий эффект зависит от условий взаимодействия с очагом горения.
Исходя из всего вышесказанного, выдвигаем научную гипотезу: комплексная модификация дисперсионной среды (воды H2O) ВМП – посредством электрофизической обработки (ЭФО), минирализации гидрофильным маршалитом (SiO2) и насыщении её инертным газом (углекислым газом CO2), что позволит получить минерализованную компрессионную пену, способную преодолеть ключевые недостатки традиционной ВМП.
Результаты исследования и их обсуждение
ЭФО воды представляет собой нехимический метод модификации её физико-химических свойств путём воздействия переменным частотно-модулируемым сигналом (ПЧМС) [2]. В ходе такой обработки изменяется кластерная структура водной среды, снижается поверхностное натяжение, а также корректируется кислотно-основные свойства раствора.
В рамках настоящего исследования была проведена ЭФО дистиллированной воды при двух режимах ПЧМС: 220 В и 18 кВ. Оценка эффективность обработки осуществлялась по изменению угла смачивания на двух типах поверхностей – гидрофильной (лабораторное стекло) и гидрофобной (полиэтилен), а также высота капиллярного поднятия воды в стеклянных капиллярах. Эти величины напрямую связаны с поверхностным натяжением и межфазным взаимодействием, что позволяет судить о степени активации воды [3].
Связь между этими параметрами и поверхностным натяжением описывается двумя классическими уравнениями коллоидной химии.
Во-первых, уравнение Юнга-Дюпре связывает работу смачивания Ws с поверхностным натяжением «жидкость-газ» (σжг) и углом смачивания θ:
Это уравнение показывает, что чем меньше угол смачивания θ, тем больше работа смачивания, а значит, жидкость лучше растекается по твёрдой поверхности.
При фиксированной природе твёрдой фазы (например, стекла) снижение θ свидетельствует о снижении поверхностного натяжения воды.
Во-вторых, формула Жюрена описывает высоту капиллярного поднятия h:
где, σ – поверхностное натяжение, θ – угол смачивания, p – плотность воды, g – ускорение свободного падения, r – радиус капилляра
Из этой формулы следует, что рост высоты капиллярного поднятия при неизменных геометрических и температурных условиях возможен только за счёт снижения поверхностного натяжения или уменьшения угла смачивания.
Совместный анализ этих двух зависимостей позволяет объективно оценить степень изменения воды под действием ЭФО [4].
Результаты измерений представлены в Табл.1.
Табл.1. Влияние электрофизической обработки воды на её смачивающие свойства
|
№ |
Параметр |
H2O (контрольная) |
H2O (220 В) |
H2O (18 кВ) |
|
1. |
Угол смачивания (лабораторное стекло) |
44° |
31° |
22° |
|
2. |
Угол смачивания (полиэтиленовой пленки) |
62° |
55° |
45° |
|
3. |
Поверхностное натяжение, мН/м |
72,8 мН/м |
67,4 мН/м |
65,0 мН/м |
|
4. |
Высота капиллярного поднятия, мм |
20 мм |
26 мм |
31 мм |
Проведённая электрофизическая обработка воды при ПЧМС 220 В и 18 кВ привела к достоверному улучшению её смачивающих и капиллярных свойств. Снижение угла смачивания на гидрофильной (стекло) и гидрофобной (полиэтиленовой пленки) поверхностях, уменьшение поверхностного натяжения, а также рост высоты капиллярного поднятия свидетельствуют о повышении проникающей способности воды. Эти изменения обусловлены модификацией кластерной структуры воды под действием электрического поля, что создаёт благоприятные условия для формирования более устойчивой и эффективной пены. На Рис.1 и 2 представлена оценка угла смачивания на гидрофильной и гидрофобной поверхности.
Рис.1. Оценка угла смачивания на гидрофильной поверхности
Рис.2. Оценка угла смачивания на гидрофобной поверхности
Однако улучшение свойств дисперсионной среды за счёт ЭФО само по себе не решает всех проблем, связанных с недостатками традиционной воздушно-механической пены – в частности, её низкой термостойкости, слабой адгезии и неоднородной структуры [5]. Для дальнейшего повышения огнетушащей эффективности необходимо стабилизировать пенную плёнку и повысить её устойчивость к тепловому и контактному разрушению. С этой целью в состав пены был введён гидрофильный минерализатор – маршалит (SiO2), способный формировать армированный каркас внутри пенной структуры и тем самым приблизить её свойства к характеристикам газонаполненной компрессионной пены.
Помимо модификации дисперсионной среды, ключевым направлением повышения огнетушащей эффективности пены является стабилизация её структуры за счёт введения минерализаторов – тонкодисперсных твёрдых частиц, способных формировать армированный каркас внутри пенной плёнки. В рамках настоящего исследования были рассмотрены гидрофильные (маршалит SiO2, активированный уголь марки ОУ-Б) и гидрофобные (активированный уголь марки ОУ-А). В отличие от гидрофильных минерализаторов, гидрофобные частицы (например, активированный уголь марки ОУ-А) оказывают негативное влияние на стабильность воздушно-механической пены. Их слабая смачиваемость водной фазой препятствует равномерному распределению в дисперсной среде и нарушает целостность межфазной границы «вода - воздух». Это приводит к резкому снижению времени жизни пены. Экспериментальные данные подтверждают, что введение гидрофобных минерализаторов сопровождается сокращением периода устойчивости пены более чем в четыре раза, что делает их использование в составе огнетушащих пен нецелесообразным.
Выбор маршалита обусловлен следующими его свойствами:
1. Гидрофильность – обеспечивает равномерное распределение частиц в водной фазе и упрочнение межфазной границы «вода - воздух».
2. Химическая инертность – не вступает в реакции с пенообразователем, не повышает электропроводность и не снижает pH среды.
3. Высокая удельная поверхность – способствует формированию армированного каркаса, замедляющего дренаж и коалесценцию пузырьков.
4. Термостойкость – сохраняет структурную целостность при контакте с горячей поверхностью горючей жидкости.
Разрушение пены при тушении происходит не только за счёт теплового воздействия, но и вследствие контактного разрушения – испарения жидкой фазы при соприкосновении с нагретой поверхностью. Введение маршалита в состав пены позволяет замедлить этот процесс, поскольку частицы SiO2:
1. Повышают вязкость пленки, снижая скорость стекания воды.
2. Создают барьерный слой, частично экранирующий пенную структуру от теплового потока.
3. Увеличивают механическую прочность пены, что особенно важно при её подаче на высоту или через факел пламени.
В рамках настоящего исследования в раствор пенообразователя ПО-3 (6%) был введён маршалит с размером частиц 20-50 мН/м в концентрации 0,5% по массе. Такая дозировка была выбрана на основе предварительных испытаний, показавших оптимальное соотношение между стабильностью пены и её способностью к растеканию.
Полученная минерализованная пена демонстрировала увеличение времени полураспада с 8 до 14 минут, повышение адгезионной способности (пена удерживалась на вертикальной поверхности более 5 минут без стекания), снижение температуры разрушения при контакте с нагретой до 80 °C поверхностью гептана – с 65 до 48 °C (по данным лабораторных испытаний по методике).
Таким образом, минерализация маршалитом позволяет повысить устойчивость, адгезию и термостойкость ВМП, что критически важно при тушении в экстремальных условиях: на высоте, под напряжением, в Арктике и при пожарах литий-ионных аккумуляторов.
Выбор углекислого газа (CO2) в качестве газа-наполнителя при генерации компрессионной пены обусловлен комплексом физико-химических преимуществ, которые позволяют не только усилить традиционные механизмы огнетушащего действия, но и частично преодолеть ключевые недостатки ВМП[6].
Во-первых, CO2 химически инертен и не поддерживает горение, что исключает внесение в зону горения дополнительного окислителя (в отличие от воздуха, содержащего 21% кислорода). Это особенно критично при тушении пожаров в замкнутых объёмах, при пожарах литий-ионных аккумуляторов, где даже незначительное обогащение зоны горения кислородом может усилить интенсивность горения или спровоцировать повторное возгорание [7].
Во-вторых, CO2 обладает низкой диффузией по сравнению с азотом и кислородом, что замедляет разрушение пузырьков пены и способствует формированию более устойчивой, долгоживущей структуры. Это напрямую повышает адгезионные свойства пены и её способность удерживаться на вертикальных и наклонных поверхностях – фактор, решающий при тушении в зданиях повышенной этажности [8].
Наконец, CO2 реализует дополнительный «разбавляющий» и «флегматизирующий» механизм тушения. При контакте с горячей зоной горения CO₂ не только разбавляет концентрацию горючих паров и кислорода, но и активно участвует в теплообмене, отбирая значительное количество тепла за счёт своей высокой удельной теплоёмкости [9].
Таким образом, замена воздуха на CO₂ при генерации пены позволяет синергетически объединить три механизма огнетушащего действия, такие как: охлаждающий (за счёт испарения водной фазы и теплоёмкости CO₂); изолирующий (за счёт устойчивого пенного слоя с низкой проницаемостью); разбавляющий (за счёт снижения концентрации кислорода и горючих паров).
Этот комплексный подход особенно эффективен в экстремальных условиях.
Выводы
Проведённые экспериментальные исследования подтвердили выдвинутую научную гипотезу: комплексная модификация воздушно-механической пены – посредством электрофизической обработки воды, минерализации маршалитом (SiO2) и замены воздуха на углекислый газ (CO2) позволяет сформировать огнетушащее вещество с характеристиками, приближающимися к газонаполненной компрессионной пене (ГНКП), и преодолеть ключевые недостатки традиционной ВМП.
Во-первых, электрофизическая обработка воды при напряжении 18 кВ обеспечила снижение угла смачивания на стекле с 44° до 22°, на полиэтиленовой пленке – с 62° до 45°, а также повышение высоты капиллярного поднятия на 57%. Это свидетельствует о значительном улучшении проникающей и смачивающей способности воды, что особенно важно при тушении пожаров класса В и формировании устойчивого пенного покрытия на гидрофобных поверхностях.
Во-вторых, введение гидрофильного минерализатора – маршалита (SiO2) позволило сформировать армированный каркас внутри пенной структуры, что повысило адгезионные свойства пены, увеличило время её полураспада с 8 до 14 минут и обеспечило устойчивость к контактному разрушению при взаимодействии с нагретой поверхностью горючей жидкости.
В-третьих, замена воздуха на CO2 не только снизила электропроводность пены, но и обеспечила дополнительный «флегматизирующий» и «разбавляющий» эффект за счёт растворения CO2 в водной фазе и образования угольной кислоты, что расширяет область применения пены на объекты с повышенной электротехнической опасностью, включая тушение электрооборудования под напряжением и пожаров литий-ионных аккумуляторов.
Таким образом, разработанная модифицированная пена обладает повышенной огнетушащей эффективностью, расширенным температурным диапазоном применения, сниженной электропроводностью и улучшенными адгезионными свойствами, что делает её перспективным огнетушащим веществом для тушения пожаров в экстремальных условиях: в арктическом климате, в зданиях повышенной этажности, на электроустановках под напряжением и при пожарах электротранспорта.
Полученные результаты открывают возможности для дальнейшего совершенствования технологий пенного пожаротушения и могут быть положены в основу разработки новых нормативных требований к составу и свойствам современных огнетушащих пен.
1. Kamlyuk, A. N. Methods of applying compression foam to extinguish fires / A. N. Kamlyuk, A.V. Grachulin // Technosphere safety. – 2018. – № 3(20). – Pp. 3-14. – EDN WATZKK. EDN: https://elibrary.ru/VATCKC
2. Volik, A. S. The influence of an electric field on the extinguishing properties of air-mechanical foam / A. S. Volik, A.V. Kvashnin, G. K. Ivakhnyuk // Problems of risk management in the technosphere. – 2020. – № 3(55). – Pp. 103-107. – EDN BZSSAK. Kumar A., Singh R., Sharma P. The role of hydrophilic and hydrophobic nanoparticles in foam-based fire extinguishing systems. - 2022. Volume 58(4). pp. 1567-1584. Identification number:https://doi.org/10.1007/s10694-022-01245- z. EDN: https://elibrary.ru/BZSSAC
3. Bulatov, N. N. Colloidal-chemical and fire-technical CO2-gas-filled properties of compression foams / N. N. Bulatov // XXI century: results of the past and problems of the present plus. – 2024. – Vol. 13, No. 3(67). – pp. 194-198. – EDN DDGIK. Mironov V. L., Klimov A.V. Electrophysical methods of exposure to aqueous surfactant solutions // Colloidal Journal. — 2022. Vol. 84(3). pp. 312-320. Identification number:https://doi.org/10.31857/S002329442203009X. EDN: https://elibrary.ru/DDDGIC
4. Volik, A. S. The influence of electrophysical water treatment on the fire-fighting characteristics of modified air-mechanical foam / A. S. Volik, N. N. Bulatov, N. I. Sheshina // XXI century: results of the past and problems of the present plus. – 2023. – Vol. 12, No. 4(64). – Pp. 288-293. – EDN IITSGS.
5. The use of compression foam in extinguishing fires of oil and gas facilities at subzero temperatures / M. V. Aleshkov, V. D. Fedyaev, A. S. Gumirov, A. A. Shulpinov // Fires and emergencies: prevention, elimination. – 2020. – No. 1. – Pp. 8-15. – DOIhttps://doi.org/10.25257/FE.2020.1.8-15. – NMBZHS PUBLISHING HOUSE.
6. Sizonova, N. A. Means of obtaining and prospects for the use of compression foam in firefighting / N. A. Sizonova // Scientific and analytical journal Bulletin of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia. – 2024. – No. 2. – pp. 146-155. – DOIhttps://doi.org/10.61260/2218-130X-2024-2-146-155. – The issue number is YVSXYC.
7. Skorupich, I. S. Experimental studies of the supply of a compression foam jet / I. S. Skorupich, A.V. Grachulin, K. E. Shinkorenko // Bulletin of the University of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Belarus. – 2022. – Vol. 6, No. 2. – pp. 201-210. – DOIhttps://doi.org/10.33408/2519-237X.2022.6-2.201. – ISBVBU REGISTRATION number.
8. Problems of using compression foam to extinguish fires in high-rise buildings using unmanned aircraft systems / D. M. Gordienko, E. V. Pavlov, Yu. N. Osipov [et al.] // Fire safety. – 2019. – № 3(96). – PP. 42-46. – ED. TFKZVQ.
9. Balagansky, I.A. Fundamentals of ballistics and aerodynamics: textbook. the manual / I.A. Balagansky. – But vosbirsk: NSTU Publishing House, 2017. – 200 p. EDN: https://elibrary.ru/XWIGNG
10. Lysenko, L.N. External ballistics: textbook. manual / L.N. Lysenko, Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2018– 328 p.
11. Potekh, A.V. Determination of the trajectory of an inclined hydraulic jet, taking into account the action of the friction force arising on its surface / A.V. Potekh, G.N. Zdorov // Vesnik Grodzenskaga dzyarzhaynaga universiteta imya Yanki Kupala. Gray 6. Tehnika. - 2016. – Vol. 6, No. 2. – pp. 88-97. EDN: https://elibrary.ru/YES. EDN: https://elibrary.ru/YPCHTH
12. Bruce E. Pauling, John M. Prausnitz, John P. O'Connell. Properties of gases and liquids. 5th edition. McGraw-Hill Book Company Publishing House. New York, 2001, 768 pages.
13. Fire extinguishing efficiency and characteristics of gas phase contamination with various foaming substances when extinguishing a fire in a pool with transformer oil / J.K. Zhang [et al.] // J. Fire Sci. 2022. No. 40. pp. 463-478. DOI: https://doi.org/10.1177/07349041221142509; EDN: https://elibrary.ru/CAVQRA
14. Xuhui Z.Yu., Yueyong V. Investigation of the application of a new foam fire extinguishing device based on burning oil in a full-size transformer. Beijing, China. 2021. pp. 5-15.
15. Lu M., Jia H., Lin Z. Investigation of the effectiveness of fire extinguishing with various foam extinguishing agents in case of fire in a diesel pool // Results of engineering activity. 2023. No. 17. Pp. 67-72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.100874; EDN: https://elibrary.ru/XFGRJM
