汽油火災煙氣凈化堿性發泡液的性能及應用實驗

張 樂 田世祥 吳愛軍 向 銀

（1.西南科技大學環境與資源學院 四川綿陽 621010；2.貴州大學礦業學院 貴陽 550025）

汽油易燃燒、易蒸發、有毒性，能使火災疾速蔓延，汽油火災危害性大。當汽油燃燒時，火焰會立即垂直向上攀升并產生氣柱，卷吸周圍空氣加速燃燒，隨后向四周蔓延并產生大量黑煙。如果在隧道中發生汽油火災，高溫有毒的黑煙將會對被困人員的生命安全造成極大威脅，也會影響能見度從而降低救援速度和自救可能性［1］。針對汽油火災產生的黑煙，采取有效的消煙措施是十分必要的。

當前國內外常用的火災煙氣控制方法有細水霧消煙［2］、通風排煙［3-4］、降溫消煙滅火彈［5］和靜電消煙［6］等。目前這些火災煙氣治理方法存在一定缺陷。在細水霧技術中，當水滴粒徑極小時，水霧受火場氣流影響發生飄移現象，會導致火區隔絕氧氣作用減弱，滅火凈煙效果差。自然排煙技術受限于環境條件和建筑物自身的密閉性。機械排煙技術雖然克服了自然排煙易受外界環境干擾的缺陷，但是建設成本和維修費用高，對設備耐溫性要求高，在火災猛烈階段排煙效果不理想。現有的降溫消煙滅火彈，受實際滅火環境的影響，有著滅火凈煙效果不理想、機動性差、滅火成本高和安全性低等缺陷。靜電消煙在實際應用中并未推廣，因為其在實際火場的相對大空間應用效果較差，且在火場上高壓操作會對消防員和被困群眾的生命構成威脅［6］。因此，需要一種針對汽油火災煙氣的消煙新工藝。本研究將文獻［7］提出的泡泡除塵消煙技術應用于凈化汽油火災煙氣。

為能快速凈化火場煙氣，必須針對火災煙氣特點配置發泡液，且要求所生成的泡泡不僅可以吸附煙氣固體顆粒、冷卻高溫蒸汽，還能中和火災產生的毒氣。因此，發泡液的配置是火災煙氣凈化的核心與關鍵問題。由于火災中釋放出的有毒氣體如一氧化碳、氰化氫、二氧化硫和氮氧化物多為酸性，其中二氧化硫和氮氧化物能與水蒸氣結合生成硫酸、硝酸，故在發泡液中加入堿性無機鹽使泡泡可以中和酸性毒氣。

基于上述有關汽油煙氣凈化思路，本文主要研究：（1）分析堿性無機鹽添加劑對發泡液性能的影響，選配出具有良好的發泡性、穩泡性的二元發泡液；（2）發泡液對汽油燃燒殘留物潤濕性的影響；（3）用自制煙氣收集凈化裝置和實驗室模擬隧道環境測試堿性發泡液的凈煙效果。

1 泡泡消煙原理

如圖1所示，離散型泡泡消煙法含碰撞、捕捉、吸附、潤濕與沉降等過程［8］。將一定質量濃度表面活性劑與水配制成泡泡液，通過發泡機向煙氣噴射大量泡泡，泡泡與懸浮在煙氣中的固體和液體顆粒狀物質發生碰撞，碰撞過程中泡泡將煙氣顆粒捕捉、吸附于泡泡表面，泡泡液浸潤煙氣顆粒，顆粒物被潤濕后重量增加與泡泡一同沉降至地面，最終達到凈化煙氣、減少火場有毒氣體含量、增大火災現場能見度、增加火災現場逃生與救援機會的目的。

圖1 泡泡消煙原理圖Fig.1 Schematic diagram of bubble fume elimination

2 材料及方法

2.1 實驗材料

堿性發泡液的組成為水、表面活性劑、堿性添加劑。選用亞硫酸鈉（Na2SO3）、硫代硫酸鈉（Na2S2O3）、碳酸氫鈉（NaHCO3）和氫氧化鈉（NaOH）4種堿性物質作為堿性添加劑。為減少離子對溶液性能的影響，本文選用的是含Na無機鹽。其中Na2SO3屬于強堿弱酸鹽，在水中電離為弱堿性，能與NO2發生反應，從而吸收NO2。Na2S2O3能和游離的氰離子相結合，使氰化物變為無毒的硫氰酸鹽。碳酸氫鈉受熱分解是吸熱過程，能降低火場溫度，分解為水、碳酸鈉和二氧化碳，是干粉滅火器的主要滅火材料。NaOH是強堿，具有堿的一切通性，作為3種弱堿的對比組。堿性添加劑的質量分數設置為：0.04%，0.08%，0.40%，0.80%，1.00%和3.00%。根據相關文獻調研和單體表面活性劑泡沫性能預備實驗結果，選用具有良好緩蝕性能、溫和不含硅油等刺激性成分、發泡性能好的月桂酰兩性基二乙酸二鈉（LAD）（C20H38N2Na2O6）作為表面活性劑配制成質量分數1% 的LAD水溶液進行本次實驗。LAD作為兩性離子表面活性劑，其親水基中既有陰離子特征羧基 COOH，也有陽離子特征氮鎓離子N+，而親油基主要為十一烷基。

2.2 性能參數測試

用BZY-201自動表面張力儀測定發泡液的表面張力；用PH818酸堿檢測計測量發泡液的pH值；用NDJ-1S數顯黏度計傳感器檢測發泡液的黏度；采用改進Ross-mile法測定發泡液泡沫性能［9］；用CCZ1000濃度測量儀（蘇州億利安機電科技有限公司）測量煙氣濃度，現場直接讀數，恒流取樣，測量僅與被測介質的質量有關，不受顆粒的粒徑、成分、顏色及分散狀態等因素的影響。基于性能分析選配出具有良好發泡性和穩泡性的二元發泡液。

2.3 汽油燃燒殘留物沉降實驗

由于汽油中大多數有機物為疏水性質，所以一般用水霧除塵效果很差。加入表面活性劑的發泡液能改善泡泡的性質，使得煙氣顆粒可快速被潤濕。煙氣顆粒僅吸附于泡泡而未被潤濕會繼續停留在空中，因此只有煙氣顆粒被潤濕了才會隨著泡泡沉降，達到消煙的目的。采用德拉弗斯實驗法［10］記錄汽油燃燒殘留物在發泡液中的沉降時間。取汽油30 mL于容器中，放在方形金屬罩容器內燃燒。燃燒產生的黑煙顆粒物部分會殘留于金屬罩內壁，燃燒結束后，用刮刀將殘留物刮取收集。將收集的炭黑顆粒放入干燥箱中（40℃）烘干24 h。冷卻后，將炭黑樣本密封在塑料袋中，以備后續測試。每次量取20 mg炭黑輕輕倒入100 mL堿性發泡液中，用秒表記錄炭黑被完全潤濕所需時間［11］。潤濕沉降狀態［10］主要有圖2所示的3種狀態，即：不潤濕不沉降、部分潤濕沉降和完全潤濕沉降。

圖2 汽油燃燒物潤濕沉降情況Fig.2 Wetting and sedimentation of gasoline combustibles

2.4 汽油煙氣導入泡沫液凈化實驗

采用自制煙氣收集凈化裝置（圖3）測試汽油燃燒產生黑煙通入水和發泡溶液中的pH值變化。

圖3 煙氣收集凈化裝置作業原理Fig.3 Operation principle of flue gas collection and purification device

煙氣收集凈化裝置主要由置液桶、通氣管、離心式風機、吸氣管、集氣罩和燃油池等組成，其凈煙工作原理如圖3所示。風機抽走集氣罩下燃油池中汽油燃燒的黑煙，將其通入桶內發泡液中；氣體進入液體后會立刻浮出液面，在液體表面張力作用下排出液面的煙氣被液膜包裹成含煙氣泡；隨著煙氣不斷被通入發泡液中，含煙泡泡很快就溢滿整個置液桶。實驗前測量并記錄水及發泡液的pH值。實驗取汽油5 g于器皿中，置于集氣罩下方，燃燒汽油，待燃燒結束后用燒杯收集桶中液體并測量通入煙氣后液體的pH值。

2.5 隧道汽油火災煙氣凈化模擬實驗

在自制的模擬隧道內（圖4）使用發泡液進行汽油火災煙氣凈化實驗，用CCZ100濃度測量儀測量煙氣濃度。

圖4 模擬隧道汽油火災煙氣凈化實驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of gasolinefire flue gas purification experiment in simulated tunnel

（1）燃燒汽油使黑煙自行消散，測定黑煙濃度自行消散變化規律。將兩個粉塵濃度測量儀分別置于監測點A和監測點B處，取5 g汽油置于燃油位置，點燃汽油使其充分燃燒至自然熄滅，燃燒期間每5 min測一次黑煙濃度，直到其質量濃度降到100 mg／m3以下。每組實驗重復3次，取平均值。

（2）使用泡泡凈化汽油黑煙，測定黑煙濃度隨時間變化規律。將兩個濃度測量儀分別置于監測點A和監測點B處，分別取5 g和10 g汽油置于燃油位置，點燃汽油使其充分燃燒至自然熄滅，燃燒期間每30 s測一次黑煙濃度，測量間隔內啟動發泡機，持續噴射泡沫20 s，當濃度降到100 mg／m3以下時停止實驗。每組實驗重復3次，取平均值。

3 結果與分析

3.1 性能參數測試結果

3.1.1 發泡液的pH值

由于pH值受溫度影響會產生波動，本次實驗在12℃環境下測量試樣的pH值。測量得知無堿劑時1% LAD溶液的pH值為8.39。圖5顯示了含不同質量分數堿劑發泡液的pH值。從圖5可以看出，4種堿性發泡液的pH值均隨著堿性物質含量的增加而增大。添加NaOH的發泡液pH值最大。隨NaOH質量分數增加pH值快速增大。當NaOH質量分數超過1% 時pH值增速變慢，當其質量分數為3% 時達最高值13.41。加入3種弱堿的發泡液pH值上升緩慢。當弱堿劑質量分數為3% 時，Na2SO3的pH值最高，為8.99，Na2S2O3和NaHCO3的pH值均低于9。pH值會隨堿劑質量分數增加而增大，這是因為發泡液中加入堿劑會使H+的濃度小于OH-的濃度，且隨著堿量增加兩種離子濃度差距增大。說明LAD溶液與堿劑無中和反應，可以進行二元復配。

圖5 含不同質量分數堿劑發泡液的pH值Fig.5 pH value of alkaline foaming solution with different mass fractions of alkaline agents

3.1.2 表面張力

圖6 是不同質量分數堿劑發泡液表面張力的測試結果。強堿NaOH使發泡液表面張力明顯提高，在NaOH質量分數3% 時達到最大值38.3 mN／m，隨后發泡液表面張力值保持穩定，不受NaOH含量變化影響。說明NaOH濃度升高時OH-過多，造成表面活性物質停留于溶液表面［12］，阻礙了OH-與更多表面活性物質的反應機會，溶液表面張力不再受影響。圖6中弱堿Na2S2O3，NaHCO3變化規律與NaOH相似，低濃度時發泡液表面張力激增，達到質量分數0.8%之后，表面張力值增幅減緩。NaOH加入使發泡液表面張力增加了35.7%，而其他3種弱堿無機鹽在濃度最大時（質量分數3%）僅增加約10%。與強堿劑相比，弱堿劑對溶液表面張力影響較小。

圖6 加入堿劑后發泡溶液的表面張力Fig.6 Surface tension of mixed solution after adding alkali agent

3.1.3 黏度

圖7中4種堿劑對發泡液的黏度影響規律相似，發泡液黏度均先隨堿劑含量增加而增大，當達到一定值時增幅變緩。其中含質量分數1% NaHCO3發泡液黏度最高（1.86 mPa·s），繼續增加NaHCO3含量，發泡液黏度不再增大而緩慢降低。添加NaHCO3后，發泡液中膠團聚集數增大，膠束的形狀從球形向圓柱體再到網狀結構改變［14］，所以黏度升高；當NaHCO3質量分數大于1% 時，膠束網狀結構被破壞成乳狀結構［12-13］，導致黏度降低。

圖7 加入堿劑后發泡溶液黏度Fig.7 Viscosity of mixed solution after adding alkali agent

3.1.4 泡沫性能

（1）發泡性能

圖8（a）為加入不同濃度堿劑時LAD溶液起泡高度變化情況。圖中橫向虛線為無堿劑時起泡高度516 mm。加入弱堿后，不同程度上提高了表面活性劑的發泡性能。其中Na2SO3對LAD溶液發泡性能影響最大，當其添加質量分數0.4%時達到最大發泡高度561 mm，提高了9%。強堿NaOH對LAD溶液發泡性能有消極作用，0.8% NaOH加入導致發泡液的發泡高度降低30%。3種弱堿加入都不同程度增強了發泡液的起泡能力，說明表面活性劑與弱堿性無機鹽的二元體系之間協同作用能夠促進發泡液的發泡性能提升。

圖8 加入堿劑后發泡溶液發泡性能測試Fig.8 Foaming performance testing of foaming solution after adding alkali agent

（2）穩定性能

向質量分數1%的LAD溶液中加入不同質量分數堿性無機鹽時消泡速度變化情況如圖8（b）所示。圖中橫向虛線為無堿性添加劑時的消泡速度8.4 mm／min。3種弱堿變化趨勢相似，消泡速度均隨堿劑含量增加而上升。添加NaHCO3發泡液穩定性最差，NaHCO3添加質量分數1% 時達到最大消泡速度36.5 mm／min。加入Na2SO3發泡液穩定性最好，隨Na2SO3含量增加，消泡速度始終保持較低水平，與無堿性添加劑時相當。其中，添加質量分數0.4% Na2SO3發泡液的消泡速度最小，為7.4 mm／min。原因是低含量Na2SO3會使發泡溶液表面膜上形成的雙電層的電場強度和厚度增加，泡泡穩定性增強。隨著NaOH含量增加發泡液消泡速度先上升后降低，說明過量堿加入會使發泡液穩定性變差。

結合以上性能參數測試結果，在質量分數1%的LAD溶液中添加質量分數0.4% 的Na2SO3堿性添加劑復配出的二元體系堿性發泡液的發泡性和穩定性最好。

3.2 堿性發泡液對燃燒殘留物沉降速率的影響

燃燒殘留物具有強疏水性，它很難被水潤濕。燃燒殘留物落在水面上會堆積不會沉降，并且在燃燒殘留物與水之間會形成一層氣膜，此氣膜將水與燃燒殘留物隔絕，因此燃燒殘留物很難被潤濕。燃燒殘留物在水中的狀態如圖9所示。

圖9 燃燒殘留物在水中的狀態Fig.9 State of combustion residues in water

加入表面活性劑后，燃燒殘留物與水之間的氣膜消失，由此推測加入表面活性劑后使氣膜破裂，故燃燒殘留物更容易被浸潤。從表1可知，含Na2SO3堿液燃燒殘留物完全沉淀用時166.8 s，僅為NaOH發泡液耗時的44%。故二元體系中質量濃度為1%LAD和0.4% Na2SO3復配出的發泡液對燃燒殘留物潤濕效果最佳。

表1 汽油燃燒殘留物在發泡液中的沉降時間Tab le 1 Settlement tim e of the gasoline combustion residue in the foam ing fluid

3.3 汽油煙氣凈化效果

將汽油燃燒黑煙分別通入自來水和發泡溶液中（圖10、圖11）。圖10顯示汽油煙氣通入水后，容器中迅速產生泡泡并迅速破裂，煙氣從水面和破裂的泡泡中逸散，說明煙氣難以被水吸收。圖11顯示通入煙氣后，發泡液容器中迅速產生大量黑色泡泡，說明煙氣被密封在每一個泡泡里無法逸散。隨后，煙氣不斷與泡泡液發生中和、吸附作用后溶入發泡液中，少量煙氣因泡泡破滅而逸散。而通入自來水中的煙氣成泡量極少，迅速逸散空氣中。

圖10 煙氣通入水中產生的泡泡Fig.10 Bubbles produced by the flue gas flowing into the water

圖11 煙氣通入發泡液產生的泡泡Fig.11 Bubbles produced by the flue gas passing into the foaming solution

通入黑煙前后水和發泡液的顏色由透明變成灰黑色，其pH值測定結果見表2。從表2可以看出，自來水pH值小幅度下降了0.11，而發泡液pH值下降了0.75，說明煙氣封入泡泡中可與泡泡液反應。含堿劑發泡液生成的泡泡能有效吸附煙氣中的炭黑，中和部分氮氧化物、硫化物、CO2等酸性氣體，使發泡液pH值大幅降低。通入自來水中的煙氣迅速從水中逸散，無法吸收反應，故pH值降幅較小。

表2 通入煙氣前后溶液的pH值Table 2 p H value of the solution before and after the inflow of fumes

3.4 隧道汽油火災煙氣模擬凈化效果

隧道汽油火災煙氣模擬凈化實驗中汽油燃燒及凈化過程：汽油燃燒并產生大量黑煙充滿整個模擬隧道中，能見度逐漸降低，僅能看見汽油燃燒的火光；汽油已完全燃燒并熄滅，隧道內煙氣擴散，能見度低，無法看清隧道內物品；發泡機噴射泡泡，隧道內煙氣在泡泡作用下逐漸減少，能見度增加；凈煙結束，能見度恢復至汽油燃燒前。

圖12為自由消散和泡泡凈化作用下不同量汽油燃燒的黑煙濃度隨時間的變化情況，黑色A點線和紅色B點線分別代表監測點A處和B處測得的黑煙濃度。圖12（a）是5 g汽油黑煙自由消散過程中黑煙濃度隨時間的變化情況。A測點數據表明，用時35 min，黑煙濃度從最高值3 325.5 mg／m3降低至19.1 mg／m3。圖12（b）是5 g汽油黑煙被泡泡凈化過程中黑煙濃度隨時間的變化情況。A測點數據表明，用時150 s，黑煙濃度從最高值2 995.9 mg／m3降低至72.5 mg／m3，凈化率為97.6%。圖12（c）是10 g汽油黑煙被泡泡凈化過程中黑煙濃度隨時間的變化情況。A測點數據表明，用時150 s，黑煙濃度從最高值3 909.9 mg／m3降低至65.3 mg／m3，凈化率為98.3%。燃燒10 g汽油產生的黑煙最高濃度與燃燒5 g汽油產生的黑煙最高濃度相差17.6%～30.5%，說明在固定空間體積的有限空間內，汽油量增加會增大煙氣濃度。使用泡泡凈煙與不使用任何凈煙措施相比，黑煙凈化耗時降低85.7%，凈煙效率極大提高。

圖12 黑煙濃度隨時間的變化Fig.12 Changes of black smoke concentration over time

遠離火源的B點的黑煙濃度先下降后升高，產生波動原因為：黑煙產生過程中擴散緩慢還未完全蔓延到整個隧道，又因為同溫度下煙氣密度大于空氣密度，故擴散過程中黑煙首先是水平擴散向下流動，故會有黑煙濃度下降的趨勢；當黑煙溫度升高并迅速上升，能影響到離著火點很遠的地方時，由于煙氣和室內空氣存在著溫度差和密度差，煙氣會由于熱壓作用，沿隧道內壁上升，其濃度會有所回升。圖12（b）和圖12（c）中靠近發泡位置的B點所測數據呈先降低后升高再降低的波動曲線，這是因為使用的發泡設備主要依靠風力制泡，并將泡泡吹入隧道中。由外界吹入的冷空氣和泡泡先與部分黑煙相遇并沉降，故黑煙濃度先下降；之后隧道內逐漸冷卻的煙氣和冷空氣流向燃燒著的汽油，形成了隧道內的自然對流，故火越燒越旺，黑煙越來越多，煙氣層會逐漸增厚導致黑煙濃度再次上升；由于汽油燃燒完畢無更多燃料燃燒產生黑煙，在泡泡的持續凈化作用下，黑煙濃度繼續下降。發泡液的pH值與凈化黑煙后泡泡液的pH值（表3）對比表明，泡泡液的pH值下降，這是由于汽油燃燒黑煙與泡泡液在吸附過程中發生中和反應。

表3 泡泡液凈化汽油黑煙前后的pH值Table 3 p H value of bubble solution before and after purifying gasoline black fumes

4 結論

（1）在質量分數1% 的LAD溶液中添加質量分數0.4% 的Na2SO3堿性添加劑復配出的二元體系堿性發泡液的泡沫起泡性能較好，形成的泡泡穩定，且對汽油燃燒殘留物有良好的潤濕性，其生成的泡泡能有效凈化汽油火災煙氣。

（2）在水中燃燒殘留物不發生沉降，而加入表面活性劑后燃燒殘留物可以迅速被潤濕。不同濃度、種類的堿性添加劑配制的發泡液對燃燒殘留物的潤濕性不同。質量分數1% 的LAD和質量分數0.4% 的Na2SO3復配出的發泡液對燃燒殘留物潤濕效果最佳。

（3）凈化實驗發現泡泡能有效吸收煙氣中的炭黑，中和部分毒氣，使反應后的溶液pH值降低。凈煙作業可使煙氣濃度降低97.8%。