水成膜泡沫灭火实验平台的设计与实现

平 平, 王 克, 孔得朋

(中国石油大学(华东) a. 化学工程学院； b. 机电工程学院， 山东 青岛 266580)

水成膜泡沫灭火实验平台的设计与实现

平 平a, 王 克b, 孔得朋b

(中国石油大学(华东) a. 化学工程学院； b. 机电工程学院， 山东 青岛 266580)

设计与实现了水成膜泡沫灭火剂教学实验平台。该平台包括水成膜泡沫产生模块及泡沫性能测定模块。通过改变配方中有机硅的含量，实现对不同硅含量的水成膜溶液的泡沫稳定性、铺展性及灭火效果测定。结果表明，用有机硅代替氟碳表面活性剂生产环境友好型水成膜泡沫灭火剂是可行的。通过该实验平台，能使学生将所学的水成膜泡沫灭火剂理论知识与实验学习有机结合，提高了学生自主创新与学习能力，在创新型、复合型人才的培养中发挥了积极作用。

实验平台； 水成膜泡沫灭火剂； 有机硅表面活性剂； 泡沫性能

0 引 言

随着我国社会经济发展和进步，石油化工等行业得到蓬勃发展。但每年发生在石油化工领域的火灾数非常多且造成了比较严重的后果[1-2]。因此，在石油化工行业发生火灾时，选用合适的灭火剂控制火势并灭火是十分关键的。

水成膜泡沫灭火剂(Aqueous Film-Forming Foam，AFFF)是一类能够在烃类液体燃烧表面形成一层水膜的泡沫灭火剂[3-6]。水成膜泡沫灭火剂在用于扑灭油类火灾时，凭借泡沫和水膜的双重灭火作用而具有最佳灭火效果[7-8]，而且，由于AFFF 97%以上的组分是水，故在国际“淘汰哈龙行动”中被作为哈龙灭火剂的理想替代品，已成为国际上重点发展的灭火剂[9]。但随着AFFF在世界范围内推广使用，人们逐渐发现其中的关键成分——氟碳表面活性剂具有较高的化学和热稳定性，在很长一段时间内难以被降解，因而会对环境造成污染[10]。因此，找到一种绿色表面活性剂来代替氟碳表面活性剂，进而研制出新型环保的AFFF是科研工作者亟待解决的问题。

本文设计实现了水成膜泡沫灭火剂教学实验平台，并尝试用绿色有机硅表面活性剂作为氟碳表面活性剂替代品研制新型的AFFF配方，实验平台方便学生测定水成膜溶液泡沫的稳定性、铺展性及灭火有效性[11-15]。通过该实验，可以让学生巩固所学习的水成膜泡沫灭火原理，培养学生学习兴趣和探索精神。

1 实验平台装置与测定步骤

1.1 实验平台装置

本平台全套实验装置如图1所示，该装置可同时测定水成膜泡沫的稳定性与铺展性。

1、6-压缩氮气钢瓶， 2、7-气瓶阀， 3、8-调压阀， 4-泡沫溶液压力容器， 5-液体流量计， 9-气体流量计， 10-气体泡沫混合腔，11-泡沫输送管路， 12-管道阀门， 13-泡沫容器， 14-支撑架， 15-石英珠子， 16-连通管路， 17-铁架台， 18-圆柱漏斗， 19-烧杯， 20-天平， 21-电脑， 22-泡沫枪及喷嘴， 23-铺展盆， 24-摄像机

图1 泡沫稳定性、铺展性测定装置示意图

主体部分为泡沫产生装置，由压缩氮气钢瓶(左侧的阀门记为液阀，右侧的记为气阀)、泡沫溶液压力容器、方形漏斗、气液流量计、气体泡沫混合腔、阀门、泡沫输送管路等组成；从左侧泡沫混合腔出来的上方分支管路连接测定泡沫稳定性装置，包括泡沫容器(内部装有石英珠子)、支撑架、铁架台、圆柱漏斗、连通管路、烧杯、天平、电脑；下方分支管路连接泡沫铺展性测定装置，包括泡沫枪、喷嘴、铺展盆、摄像机和三脚架。

1.2 测定步骤

实验在常温下进行，首先用水管向泡沫溶液压力容器中注水，洗净容器后装满水，打开左侧气阀，将清水压出，冲洗整个装置(注意将气体泡沫混合腔完全清洗干净)；另外清洗泡沫铺展盆和析液装置中的泡沫容器与连通管路；完成后向析液装置的连通管内注入少量清水，保证左侧泡沫容器的液面与右侧圆柱漏斗的液面平齐，同时保证左侧的液面略低于石英珠子的上堆积面，避免泡沫的冲击力影响测试结果；将泡沫溶液压力容器中的清水排尽后，用方形漏斗从其上方开口管注入待测泡沫溶液。准备工作做好，关好相应的阀门，打开摄像机，实验开始。

(1) 先开气阀、后开液阀，压力均为0.3～0.4 MPa，将气液流量计的液体、气体体积流量比调整为15∶75 (单位为L/h，对应液体的质量流量为250g/min)，开始产生泡沫；

(2) 待泡沫均匀后，将泡沫通入析液装置中，析出的液体从圆柱漏斗出口管嘴流到烧杯内，引起天平读数变化，电脑实时记录示数的变化值，持续1.5 min后停止供泡；

(3) 关闭和打开相应阀门，使泡沫溶液通过泡沫枪和喷嘴流入铺展盆中，至泡沫将铺展盆表面覆盖完全；

(4) 关闭液阀，将泡沫溶液压力容器中的气压泄掉后，关闭气阀；

(5) 暂停录像，保存视频；

(6) 让电脑继续记录天平示数变化值，等待20 min后，暂停示数传送，保存数据，实验结束。

2 泡沫溶液配制

2.1 实验选材

实验中配制5组AFFF原液的材料：氟碳表面活性剂(FC134，武汉长江氟科技有限公司生产)、有机硅表面活性剂(北京氟乐邦表面活性剂技术研究所生产)、两性咪唑啉(上海银聪新材料科技有限公司生产)、去离子水，以及从国药集团化学试剂有限公司购买的乙二醇、二乙二醇单丁醚、尿素和黄原胶。

2.2 实验分组

5组AFFF原液分别记为0#～4#。其中:0#不加有机硅表面活性剂;4#不加氟碳表面活性剂(FC134)，其他各组均只改变有机硅的百分含量，最后向各组原液中添加去离子水至溶液质量达到100%。每组中各组分的百分含量(%)如表1所示。

表1 五组待测水成膜泡沫溶液配方 %

配制AFFF原液时，将各组分按如下顺序添加：

(1) 向烧杯A中依次加入氟碳表面活性剂、乙二醇和二乙二醇单丁醚并充分搅拌，配成溶液A；

(2) 向烧杯B中依次加入两性咪唑啉、有机硅和部分去离子水配成溶液B，用玻璃棒搅拌均匀后缓慢倒入烧杯A中，再向烧杯B中加入剩余部分去离子水洗刷烧杯后，倒入烧杯A中，充分搅拌；

(3) 将尿素和黄原胶粉末混合均匀后缓慢加入烧杯A中，充分搅拌。

把烧杯A放于恒温磁力搅拌器上搅拌至少3 h后，将混合均匀的AFFF原液装入广口瓶中贴标签存放，配制好的5组AFFF原液如图2所示。

将水成膜泡沫原液和水按照3∶97稀释成溶液，分别记为0#(无硅)、1#(硅1%)、2#(硅3%)、3#(硅5%)和4#(硅3% 无FC134)。

图2 5组AFFF原液

3 实验数据分析和讨论

3.1 泡沫稳定性

图3所示为5组不同配方的水成膜泡沫溶液的泡沫析液质量随时间的变化曲线图，对每条曲线中的各个值求导，可得到图4所示的泡沫析液速率随时间的变化曲线。

实验中控制泡沫溶液的体积流量为45 L/h，连续供泡90 s，计算求得析出全部液体的总质量，用该值除以4可得到25%析液质量约为93.75 g，在图3中画出纵坐标值为93.75的直线，其与5条曲线的交点的横坐标值即为5组泡沫溶液的25%， 0#～4#析液时间(从泡沫生成开始，到析出25% 质量的混合液的时间)分别为：170.56 s，168.31 s，166.30 s，153.01 s，113.37 s。

图3 析液质量随时间变化曲线

图4 析液速率随时间变化曲线

由图3和图4可以得出，随着水成膜泡沫溶液中有机硅表面活性剂含量的增大(1%-3%-5%)，泡沫的析液速率变快，且达到各自最大析液速率的时间缩短，因此泡沫的稳定性是随着硅含量的增大而减弱的；其中4#泡沫溶液的泡沫析液速率最快，泡沫稳定性最差。另外，图3中标注的各组泡沫溶液25% 析液时间的大小关系也符合泡沫溶液的析液特性随着有机硅含量的增加而变差的规律。

从图4中可以发现，当泡沫的析液速率降到0.23 g/s时，图中出现了一个临界析液点(CPD)，在该点处泡沫的析液速率陡然下降，这是由于析出的液体不再连续流动引起的。因此，当析液速率大于0.23 g/s时，从泡沫中析出的液体是连续地从圆柱漏斗的管嘴流入天平上的烧杯内；当析液速率小于0.23 g/s时，从泡沫中析出的液体是一点一点地滴入烧杯中。在5组泡沫溶液达到临界析液点的持续时间中，4#最短，3#～0#随着有机硅浓度的减小，到达临界析液点的时间逐渐延长。

3.2 泡沫铺展性

图5为摄像机拍摄的硅含量为3% 的2#泡沫溶液的泡沫铺展过程图像，经测算，0#～4#AFFF溶液的泡沫铺展时间(从泡沫枪喷嘴流出泡沫开始到泡沫将铺展盆覆盖完全的时刻为止)分别为：40 s，39 s，36 s，34 s，31 s，将实验得到的铺展数据绘成直方图如图6所示。

图6 5组AFFF溶液的泡沫铺展时间直方图

由实验数据对比得出，0#、1#、2#泡沫溶液的铺展时间依次减小，而3#的铺展时间有所增大，但仍然比0#和1#的时间短，所以有机硅表面活性剂的加入会使泡沫溶液的铺展性增强，铺展速率加快，但当硅含量增大到一定值后，泡沫的铺展性又会相应的减弱。另外，4#泡沫溶液的铺展性则为5组中最差的。

综上所述，泡沫的铺展性随着硅含量的增加先增强，至硅含量为5% 时，铺展性稍有下降，其中以含硅3% 的泡沫溶液的铺展性为最好；当硅含量都为3% 时，去除泡沫溶液中的氟碳表面活性剂后，泡沫的铺展性会急剧下降，因此氟碳表面活性剂的对泡沫铺展性的促进作用很大，是有机硅表面活性剂不能比拟的。因此，配方中有机硅和氟碳表面活性剂的具体含量还需通过实验进一步探究。

3.3 灭火有效性测定

对5组泡沫溶液进行灭火有效性测定，实验燃料为庚烷。以有机硅含量为3%的泡沫溶液的灭火实验为例，图7为其灭火过程中几个关键点的视屏截图，对应的各个时间点分别为：① 0 s。点燃油池，火焰迅速蔓延至整个油面。② 30 s。火焰达到稳定燃烧阶段。③ 60 s。预燃阶段结束，开始向油池内通泡沫。④ 83 s。泡沫在油池内的庚烷表面基本铺展完全，火焰仍然剧烈燃烧。⑤ 85 s。油池内泡沫层的厚度不断增加，庚烷燃料蒸汽随之减少，泡沫直接作用于火焰，火焰的强度被大幅度削弱，此时达到了90% 控制时间节点(油池中绝大部分火焰得到控制的时间，在本实验中定义为从开始通泡沫到火焰高度降至0.3～0.4 m时所持续的时间)。⑥ 97 s。燃烧火焰恰好被扑灭，此时达到了灭火时间节点(火焰完全被扑灭的时间)。

通过实验数据的分析和实验视频的回放，确定了5组泡沫溶液灭火过程中的两个主要参数，分别为90% 控制时间和灭火时间，实验数据如表2所示。

表2 灭火过程实验数据 s

由实验结果可以看出，随着AFFF溶液中有机硅表面活性剂含量的增加，泡沫的90% 控制时间和灭火时间都经历了先增加后减小又增加的过程，即泡沫的灭火性能先减弱后增强又减弱，因此少量硅的加入会使AFFF的灭火性能减弱，硅含量再增加，灭火性能会增强，并在某个值处达到最优(本实验中为3%)，其后灭火性能又会随着硅含量的增加而减弱。

实验中有机硅含量为3%(2#)的泡沫溶液的90%控制时间最短，灭火时间仅次于4#泡沫溶液，因此这两组泡沫溶液的灭火效率最高、性能最佳。

4 结 语

水成膜泡沫灭火剂教学实验平台可以方便地对水成膜溶液的泡沫稳定性、铺展性及灭火有效性进行测定，该实验开阔了学生的视野且提高了学生的学习兴趣，能将学生所学的防火与防爆、燃烧学相关理论知识与实验学习有机结合，提高了学生的实验动手能力。通过该实验，既提高了实验教学质量，又增加了学生对相关理论知识的感性认识。这对于培养学生乐于动手、 勤于思考、敢于创新的探索精神具有较强的应用价值。

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DesignandApplicationoftheExperimentalTeachingPlatformoftheFireExtinguishmentPerformanceofAqueousFilm-formingFoam

PINGPinga,WANGKeb,KONGDepengb

(a. College of Chemical Engineering; b. College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Aiming at the need of the experimental teaching for combustion science and fire science, and evaluatingthe feasibility of a new aqueous film-forming foam(AFFF) formulation with green organosilicon surfactant, ateaching experimental platform of the fire extinguishment performance of aqueous film-forming foam was designed and implemented. This platform is composed of AFFF generating module andAFFF property test module. By varying the mass fraction of organosilicon, experiments were designed to test foam stability, spreadability, the fire extinguishing effectiveness of AFFF. The experimental results show that substituting organosilicon for fluorocarbon surfactant to produce environment-friendly AFFF is feasible. Through this teaching experiment, students cancombine the fundamental theories of AFFF with experimental learning. This teaching experiment will play a positive role in cultivating the innovative and compound talents of students.

experimental platform; aqueous film-forming foam(AFFF); organosilicon surfactant; foam property

X 937

A

1006-7167(2017)11-0055-05

2017-03-26

国家自然科学基金项目(51604297)；中国石油大学教学改革项目(SY-A201604)

平 平(1988-)，女，河南漯河人，博士，讲师，主要从事火灾动力学与火灾风险评估研究。

Tel.：13869844929, 18561557381; E-mail:119.ping@163.com