环保型泡沫灭火剂的研究进展

(中国民用航空飞行学院 四川 广汉 618300)

一、引言

泡沫灭火剂的应用可以追溯到1877年，英国科学家Johnson[1]首次提出使用泡沫用于火灾扑救。相对于水、CO2灭火剂，泡沫灭火剂具有低成本、高效率、节能等优点，因此在短短的几十年间，泡沫灭火剂在扑救各类火灾中呈现出了井喷式的发展。目前，在我国蛋白泡沫灭火剂，水成膜泡沫灭火剂几乎占据了泡沫灭火剂市场的半壁江山，但随着研究的不断深入发现蛋白泡沫存在储存时间短、易腐败产生臭味、使用后及过期处理都会带来环境污染等问题;水成膜泡沫灭火剂的核心成分PFOS被联合国环境规划署(EPA)在2009年《关于持续有机污染物的斯德哥尔摩公约》大会上列为有机污染物(POPs)受控名单[2]。2014年11月11日该公约在我国正式生效。因此，近几年来含PFOS的水成膜泡沫灭火剂的替代产品环保型泡沫灭火剂得到了快速的发展。

二、成膜型泡沫灭火剂

成膜型泡沫灭火剂由水成膜泡、抗溶水成膜、成膜氟蛋白、抗溶成膜氟蛋白灭火剂组成。据统计我国消防业每年生产成膜氟蛋白泡沫灭火剂和抗溶成膜氟蛋白的量大约为100吨。国外对后者的生产量也远少于水成膜、抗溶水成膜泡沫灭火剂。因此，成膜型泡沫灭火剂的产品主要就是指水成膜、抗溶水成膜泡沫灭火剂。随着含PFOS或PFOA水成膜泡沫灭火剂逐渐减少并最终停止使用[3]。国内外学者，提出了针对含PFOS水成膜泡沫灭火剂的替代品。以达到在满足灭火性能的前提下，减少对环境的污染或直接能够生物降解。

(1)减少PFOS的使用量。陈蔚勤[4]等认为，除了含氟的表面活性剂其他类型的表面活性剂很难达到水成膜泡沫灭火剂(AFFF)对其表面活性的要求。但可通过不同表面活性剂的复配，在不影响其表面活性的前提下，最大程度上减少氟表面活性剂的用量。但此方法虽然一定程度上减小了对环境的污染，并没有从根本上解决PFOS的污染问题。李征辉[5]等合成了一种高效、无毒、环境友好的季铵盐类氟碳表面活性剂，通过季铵盐类氟碳表面活性剂与辛烷磺酸钠-APG0810复配制备的水成膜泡沫灭火剂，实验结果表面：该泡沫灭火剂在环乙烷上能够快速铺展，灭火时间57s，抗烧时间达到13min23s。

(2)提高氟碳表面活性剂的可降解能力。PFOS之所以被列为难以降解的毒性有机污染物，是因为C-F键的键能(116千卡/摩尔)大于C-H键的键能(99.5千卡/摩尔)，因此C-F键要比C-H键稳定，不易断裂。且氟原子取代氢原子后，因氟原子的体积比氢原子大，使得C-C键因氟原子的屏蔽作用而得到保护，使得C-C键也变的很稳定。比利时学者A. Hagenaars[6]研究发现，美国DuPont公司提供的氟碳表面活性剂FORAFAC 1157和FORAFAC 1157 N的毒性及生物富集性均低于PFOS，可作为PFOS的替代品配制AFFF。有些研究表明, 当碳氟链的链长小于或等于4个碳时, 其对环境的危害就可以忽略不计。研究表明相对直链全氟化合物而言，生物体更容易排除具有支链的全氟化合物。

三、蛋白型泡沫灭火剂

蛋白泡沫灭火剂按照其关键组分不同，可以分为动物蛋白泡沫灭火剂和植物蛋白泡沫灭火剂。动物蛋白泡沫灭火剂的基料主要是动物的毛、角、血液、蹄、皮等，其水解产物中的含硫化合物被水解生成无机硫化物，使动物蛋白泡沫灭火剂在储存一段时间之后易产生臭味而污染环境，对于需要长期储存的泡沫灭火剂显然不能满足要求。相对于动物蛋白，植物蛋白中不含硫化氢、硫醚、硫醇等臭味物质，因此较前者后者不仅更环保而且储存稳定性更强。但植物蛋白泡沫灭火剂生产成本较高。目前从环境保护方面考虑，蛋白泡沫灭火剂的发展方向有以下几种：

(1)延长蛋白泡沫的储存年限及过期泡沫灭火剂的再生。冯伟[7]等人对蛋白泡沫进行脱硫处理。在碱性条件下控制温度水解并加入金属盐进行脱硫处理，经试验验证该泡沫液不会产生臭味和沉淀的硫化物。此法大大提高了蛋白泡沫灭火剂的储存时间。刘德君[8]等提出了蛋白泡沫灭火剂再生理论依据，并有生产厂家实践证明。改造以后的样品不仅完全符合标准规范，而且远超于标准规定。此法直接变废为宝，不仅减少了对环境的污染而且节约用户成本十万余元。此种方法并没有从根本上解决蛋白泡沫对环境的污染问题，不具有可持续性。

(2)开发新型蛋白泡沫灭火剂。李亚东[9]等人提出了使用活性污泥蛋白质制作蛋白泡沫灭火剂，此法不仅克服了传统化学灭火剂及动物蛋白泡沫灭火剂对环境的污染及植物蛋白泡沫灭火剂原料不足、成本高的缺陷，而且是对废物资源的再利用，可以有效减轻活性污泥的二次污染。Alsaati[10]等提使用蛋清蛋白制作的一种蛋白泡沫灭火剂，该蛋白泡沫灭火剂通过稀释火焰上方的氧气浓度，隔离火焰对燃料的汽化等作用对石油、煤、化学火灾具有很好的灭火性能。特别是在EPA限制PFOS的使用后，蛋白泡沫被许多西方国家纳入PFOS类泡沫灭火剂的替代选项中。吕鹏[11]通过在蛋白泡沫灭火剂中加入酒糟粉体，制备出了酒糟-蛋白泡沫灭火剂，当酒糟含量为10%时，相对于蛋白泡沫，灭火时间略有降低，抗烧时间提高了2倍。除此之外，国内外对味精厂、榨油厂等产生的废料植物蛋白进行加工处理，制备出植物蛋白泡沫灭火剂。

四、合成型泡沫灭火剂

随着环保要求的提高，合成型泡沫灭火剂也得到了长足的发展。Peng Wang[12],用烷基葡萄糖酰胺和S表面活性剂配制了环保型泡沫灭火剂，满足了国家标准的灭火性能。蒋新生[13]等，研究了含复配粉体的三相泡沫灭油火的实验研究，结果表明，三相泡沫灭火剂在高温环境下的热稳定性较两相泡沫有较大提升，对油料的有效覆盖时间约为两相泡沫灭火剂的3～5倍，灭火性能较两相泡沫灭火剂提升20%左右。日本学者寺山葵矢之[14]等发明了一种不含对环境有害的氟类表面活性剂的泡沫灭火剂，该灭火剂抗海水，具有氟类表面活性剂泡沫类似的保水性、耐热性，可长时间停留在燃料液面上且具有短时间内覆盖燃料液体面的良好流动性。

五、总 结

综上所述，环保型泡沫灭火剂的发展仍存在各种问题，成膜型泡灭火剂存在PFOS的全面禁止的问题，其替代品并不能从根本上解决PFOS的污染问题。未来含PFOS泡沫灭火剂研究方向主要集中在以下两个方面：1、加深对泡沫灭火剂基础理论的研究，深入认识灭火剂流变学机理及泡沫火焰相互作用规律，以有效指导新型泡沫灭火剂的开发。2、开展新型泡沫灭火技术应用研究。蛋白型泡沫灭火剂存在产品耗能高，无法实现规模化、产业化，距离实际使用仍存在一定的差距。因此在蛋白质基料的来源的方面其重要研究方向。合成型泡沫灭火剂存在灭火效能差、技术不成熟，在环保和灭火效能平衡是其未来的发展方向。

【参考文献】

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[3]贾旭宏.水成膜泡沫灭火剂的研究进展[J].广州化工，2015，43(24)：22-24.

[4]陈蔚勤，邢航，肖进新.用于水成膜泡沫灭火剂的PFOS替代品的研究[A]．持久性有机污染物论坛 2011暨第六届持久性有机污染 物全国学术研讨会论文集[C]．2011

[5]李征辉. 季铵盐类氟碳表面活性剂在AFFF中的应用研究[D]. 南京理工大学, 2017.

[6]Hagenaars A，Meyer I J，Herzke D，et a1．The Search for Alternative Aqueous Film Forming Foams (AFFF) with a Low Environmental Impact：Physiological and Transcriptomic Effects of two Forafac Fluorosurfactants in Turbot[J]．Aquatic Toxicology，2011，104：168—176．

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[11]吕鹏. 酒糟在三相蛋白泡沫灭火剂制备中的应用研究[J]. 消防科学与技术, 2017, 36(6):820-823.

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[13]吕科宗，蒋新生，翟琰等.三相泡沫灭火剂热稳定性及灭火性能实验研究[J].后勤工程学院学报，2016,32(6)：56-60.

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