環(huán)保型泡沫滅火劑的研究進展

(中國民用航空飛行學院 四川 廣漢 618300)

一、引言

泡沫滅火劑的應用可以追溯到1877年，英國科學家Johnson[1]首次提出使用泡沫用于火災撲救。相對于水、CO2滅火劑，泡沫滅火劑具有低成本、高效率、節(jié)能等優(yōu)點，因此在短短的幾十年間，泡沫滅火劑在撲救各類火災中呈現(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)蛋白泡沫存在儲存時間短、易腐敗產(chǎn)生臭味、使用后及過期處理都會帶來環(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《關于持續(xù)有機污染物的斯德哥爾摩公約》大會上列為有機污染物(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。國外對后者的生產(chǎn)量也遠少于水成膜、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)外學者，提出了針對含PFOS水成膜泡沫滅火劑的替代品。以達到在滿足滅火性能的前提下，減少對環(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]等認為，除了含氟的表面活性劑其他類型的表面活性劑很難達到水成膜泡沫滅火劑(AFFF)對其表面活性的要求。但可通過不同表面活性劑的復配，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復配制備的水成膜泡沫滅火劑，實驗結果表面：該泡沫滅火劑在環(huán)乙烷上能夠快速鋪展，滅火時間57s，抗燒時間達到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污染物，是因為C-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，使得C-C鍵也變的很穩(wěn)定。比利時學者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, 當碳氟鏈的鏈長小于或等于4個碳時, 其對環(huán)境的危害就可以忽略不計。研究表明相對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鍵組分不同，可以分為動物蛋白泡沫滅火劑和植物蛋白泡沫滅火劑。動物蛋白泡沫滅火劑的基料主要是動物的毛、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硫化物，使動物蛋白泡沫滅火劑在儲存一段時間之后易產(chǎn)生臭味而污染環(huán)境，對于需要長期儲存的泡沫滅火劑顯然不能滿足要求。相對于動物蛋白，植物蛋白中不含硫化氫、硫醚、硫醇等臭味物質，因此較前者后者不僅更環(huán)保而且儲存穩(wěn)定性更強。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)延長蛋白泡沫的儲存年限及過期泡沫滅火劑的再生。馮偉[7]等人對蛋白泡沫進行脫硫處理。在堿性條件下控制溫度水解并加入金屬鹽進行脫硫處理，經(jīng)試驗驗證該泡沫液不會產(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存時間。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)廠家實踐證明。改造以后的樣品不僅完全符合標準規(guī)范，而且遠超于標準規(guī)定。此法直接變廢為寶，不僅減少了對環(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制作蛋白泡沫滅火劑，此法不僅克服了傳統(tǒng)化學滅火劑及動物蛋白泡沫滅火劑對環(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，隔離火焰對燃料的汽化等作用對石油、煤、化學火災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，當酒糟含量為10%時，相對于蛋白泡沫，滅火時間略有降低，抗燒時間提高了2倍。除此之外，國內(nèi)外對味精廠、榨油廠等產(chǎn)生的廢料植物蛋白進行加工處理，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，滿足了國家標準的滅火性能。蔣新生[13]等，研究了含復配粉體的三相泡沫滅油火的實驗研究，結果表明，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，對油料的有效覆蓋時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。日本學者寺山葵矢之[14]等發(fā)明了一種不含對環(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，可長時間停留在燃料液面上且具有短時間內(nèi)覆蓋燃料液體面的良好流動性。

五、總 結

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方面：1、加深對泡沫滅火劑基礎理論的研究，深入認識滅火劑流變學機理及泡沫火焰相互作用規(guī)律，以有效指導新型泡沫滅火劑的開發(fā)。2、開展新型泡沫滅火技術應用研究。蛋白型泡沫滅火劑存在產(chǎn)品耗能高，無法實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，距離實際使用仍存在一定的差距。因此在蛋白質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、技術不成熟，在環(huán)保和滅火效能平衡是其未來的發(fā)展方向。

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