Водный раствор для тушения пожаров

Изобретение относится к составам на основе воды, применяемым при тушении пожаров и возгорании веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях. Состав включает воду в количестве 50-95 мас.% и в качестве загущающей добавки жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 в количестве 5-50 мас.%. Дополнительно состав может содержать высокомолекулярное поверхностно-активное вещество в количестве 0,001-0,1 кг на один кубический метр воды в растворе. Состав обеспечивает высокую огнетушащую эффективность. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к составам на основе воды, применяемым при тушении пожаров и возгорании веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

Известно, что вода является наиболее широко применяемым огнетушащим средством тушения пожаров [А.Н.Баратов, Е.Н.Иванов. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. - М.: Химия, 1979, с.64-72]. Для повышения огнетушащей способности воды в ее состав, как правило, вводят органические добавки, повышающие вязкость воды (загустители) или снижающие ее поверхностное натяжение (пенообразователи) [Авторское свидетельство СССР №797707, М.кл. А 62 D 1/00, 1981]. Огнетушащую способность воды повышают также добавки неорганических солей - хлоридов, карбонатов и бикарбонатов щелочных металлов, а также добавки глины и других тонкодисперсных веществ.

Основным недостатком известных составов является многокомпонентность, сложность приготовления и возможность расслоения при хранении, а также выделение ядовитых продуктов горения при разложении органических компонентов состава.

Известен также состав [Авторское свидетельство СССР №791380, М.кл. А 62 D 1/00, 1980], включающий воду и загущающую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Вода	40-99,75
Полиоксиалкиленорганосилоксановый блок-сополимер	0,25-60

Двухкомпонентный состав раствора значительно упрощает процесс его приготовления, а добавка указанного блок-сополимера позволяет регулировать вязкость раствора в широких пределах, что позволяет осуществлять тушение пожаров на вертикальных поверхностях.

Основным недостатком этого состава являются дефицит и высокая стоимость полиоксиалкиленорганосилоксанового блок-сополимера, органическая природа блок-сополимера и обусловленные этим низкая температуростойкость и изолирующая способность. При попадании огнетушащего состава в зону высоких температур из него сначала испаряется вода, а в остающейся на поверхности горения пленке блок-сополимера повышается температура, и при температурах 180-450°С происходит полное разложение пленки блок-сополимера с выделением продуктов горения его органической составляющей. Образующаяся после выгорания органики кремнеземистая зола не обладает свойством сплошности и не обладает достаточной изолирующей способностью поверхности горения.

Наиболее близким по сути к предлагаемому изобретению является состав ( Патент Германии DE 10054686, опубл. 06.06.2002), содержащий более 50% жидкого стекла, преимущественно 90-98% с модулем жидкого стекла в пределах 1-4. Эффективность действия такого состава обеспечивается способностью жидкого стекла образовывать на поверхности горения только изолирующую пленку, предотвращающую доступ кислорода воздуха к поверхности горения. Основным недостатком известного состава является его высокая вязкость, в связи с чем огнетушащий состав наносится на поверхность горения из аэрозольных упаковок с помощью транспортирующих газов - азота, диоксида углерода или пенообразующих средств, а также с помощью других приспособлений. Кроме того, в известном составе не упоминается о том, что состав является водным раствором жидкого стекла, а термин "Wasserglas" можно дословно перевести как водное или растворимое стекло.

В описании известного состава также не упоминается о способности жидкого стекла под действием высоких температур (100-450°С) образовывать твердую, термостойкую неорганическую пену, слой которой надежно изолирует поверхность горения от доступа кислорода воздуха и действия теплового потока.

Для более эффективного использования жидкого стекла в качестве тушащего состава необходимо снижать его вязкость путем введения в состав воды. По отношению к воде жидкое стекло является загустителем, а по отношению к жидкому стеклу вода является разжижителем.

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного огнетушащего состава с использованием жидкого стекла и воды, обеспечивающего необходимый уровень вязкости и достижение значительного снижения температуры в зоне горения, высоких значений температуростойкости и изолирующей способности состава за счет испарения свободной воды и термического вспенивания жидкого стекла.

Поставленная задача достигается тем, что огнетушащий состав, содержащий воду и загущающую добавку, в качестве загущающей добавки использует жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Вода	50-95
Жидкое стекло	5-50

Жидкое стекло или растворимый силикат щелочных металлов лития, калия, натрия представляет собой вязкую жидкость с общей химической формулой R₂O·mSiO₂·nH₂O (где R₂O - оксид щелочного металла, m - модуль жидкого стекла) с плотностью 1400-1500 кг/м³ и коэффициентом динамической вязкости до 1 Па·с. Жидкое стекло смешивается с водой в любых соотношениях и при содержании в огнетушащем составе в указанном количестве (5-50%) изменяет вязкость раствора от 0,004 Па·с до 0,5 Па·с при изменении плотности раствора с 1020 кг/м³ до 1250 кг/м³. Таким образом, жидкое стекло с полным основанием можно отнести к веществам, существенно повышающим вязкость воды, то есть к загущающим веществам. В указанном диапазоне концентрации жидкого стекла в составе водного раствора вязкость раствора увеличивается в 4-500 раз по сравнению с вязкостью воды (0,001 Па·с, 20°С). Такое изменение вязкости водных растворов, используемых для тушения пожаров, практически недостижимо при использовании органических или неорганических загустителей.

Кроме того, при растворении жидкого стекла в воде существенно повышается плотность раствора, что способствует увеличению кинетической энергии движения струи раствора по сравнению с энергией струи воды, направленной в очаг горения с одинаковой скоростью. Дальность полета струи раствора при этом также увеличивается.

При приготовлении предлагаемого огнетушащего состава необходимо использовать жидкое стекло с модулем m=SiO₂/R₂O=2,5-3,2. В известном составе используется жидкое стекло с модулем от 1 до 4, и этот интервал охватывает все виды жидких стекол, выпускаемых промышленностью. Если огнетушащий состав выполняет только роль пленочного изолирующего покрытия, то величина модуля не имеет особого значения. Для предлагаемого состава величина силикатного модуля имеет большое значение, т.к. помимо пленочного изолирующего покрытия состав после испарения свободной воды выполняет роль и пенообразующего покрытия, а интенсивность термического вспенивания жидкого стекла зависит от содержания в нем молекулярной и химически связанной воды, необходимое количество которой для вспенивания содержится при значениях силикатного модуля в пределах 2,5-3,2. Срок хранения состава в герметичных металлических емкостях практически неограничен и не вызывает коррозии металла.

Поведение предлагаемого огнетушащего состава в очаге горения по сравнению с прототипом имеет ряд существенных отличий. При подлете струи раствора жидкого стекла к поверхности горения, под действием высокой температуры происходит нагрев раствора и снижется его вязкость, что способствует лучшему растеканию раствора на поверхности горения. При испарении воды из раствора на поверхности горения увеличивается концентрация жидкого стекла, значительно повышается его вязкость и при полном испарении воды из состава раствора на поверхности горения остается пленка жидкого стекла, обладающая свойством непрерывности. Для увеличения смачиваемости раствором поверхности горения и повышения степени диспергирования струи раствора в его состав можно вводить высокомолекулярные поверхностно-активные вещества (ПАВ) с поверхностным натяжением менее 30·10^-3 Н/м, например, на основе поливинилового спирта, толуола и воды в количестве 0,001-0,1 кг/м³ воды в растворе

Образовавшаяся после испарения свободной воды на поверхности горения пленка жидкого стекла при температуре 120-200°С теряет молекулярную воду и приобретает твердообразное состояние. В интервале температур 200-400°С из твердообразного жидкого стекла начинает удаляться химически связанная вода, под действием которой корочка жидкого стекла приобретает пиропластическое состояние, а выделяющиеся пары воды, вследствие резкого увеличения своего объема, вспенивают эту корочку и ее объем увеличивается в 10-50 раз. Плотность образовавшегося на поверхности горения слоя пены составляет 30-50 кг/м³ и этот слой надежно блокирует доступ кислорода воздуха к поверхности горения. Образовавшийся слой пены не подвержен горению, так как по своему составу является неорганическим веществом - безводным силикатом щелочного металла.

Кроме того, образовавшийся слой твердой неорганической пены обладает низким коэффициентом теплопроводности (0,03-0,036 Вт/м·К) и предотвращает прогрев затушенной поверхности до температуры возгорания за счет резкого снижения интенсивности воздействия теплового потока, образующегося при излучении пламени и конвективного тепла дымовых газов.

Пена сохраняет свою структуру и свойства при нагреве до температуры 550°С, выше которой начинается частичное подплавление поверхностного слоя пены и его уплотнение. На процесс плавления поверхностного слоя пены также затрачивается определенное количество тепла.

Таким образом, использование предлагаемого огнетушащего состава позволяет значительно, по сравнению с известным, снизить температуру поверхности горения за счет расхода тепла на испарение свободной воды, молекулярной и химически связанной воды жидкого стекла, на процессы пенообразования и плавления поверхностных слоев пены. Эти тепловые эффекты недостижимы при использовании органических или иных загущающих составов.

Проверка влияния величины силикатного модуля жидкого стекла на процесс его вспенивания производилась путем нанесения на поверхность деревянных реек сечением 1×2 см жидкого стекла с модулем в пределах 1-3,4. После нанесения жидкого стекла на рейки они подсушивались на воздухе в течение 20 мин, после чего помещались в предварительно нагретую до 500°С муфельную печь и выдерживались в ней в течение 1 мин. Коэффициент вспенивания жидкого стекла определялся по отношению толщины слоя пены к толщине исходной сухой пленки жидкого стекла. Результаты испытаний представлены в табл.1, из которой следует, что лучшим вспениванием обладают жидкие стекла с модулем 2,5 и более.

Проверка эффективности применения предлагаемого огнетушащего состава, приготовленного из жидкого натриевого стекла с модулем m=3,0 и соотношении компонентов вода:жидкое стекло = (95-50):(5-50) мас.%, проводилась на объектах горения, выполненных из сухих сосновых бревен диаметром 100 мм в виде колодцевого сруба размером 1×1×1,5 м с общей поверхностью горения 12 м². Для обеспечения равномерности поджога объекта его внутренние и наружные стенки орошались предварительно бензином. Через 10 минут после начала горения производилось тушение. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

При тушении объекта горения вода и предлагаемые составы подавались в виде струи, а тушение известным составом с содержанием жидкого стекла 92% и модулем 3 производилось методом набрызга раствора.

В качестве высокомолекулярного ПАВ использовалась система поливиниловый спирт - толуол - вода, которая добавлялась из расчета 0,001-0,1 кг/м³ воды в растворе. В присутствии ПАВ предлагаемый состав раствора лучше диспергировался при набрызге и лучше закреплялся на поверхности горения. После тушения предлагаемым составом поверхность объектов горения была покрыта непрерывным слоем твердой неорганической пены толщиной 2,5-5,5 см, и этот слой, выполняя роль своеобразного фильтра, обеспечивал меньшее остаточное выделение дыма с поверхности горения. При тушении известным составом, обладающим большой вязкостью, набрызг не образовывал сплошного слоя на поверхности горения, а образовавшийся слой пены также не имел сплошности.

Проведенные испытания показали высокую эффективность использования предлагаемого огнетушащего состава. Его можно использовать при тушении пожаров, относящихся к классам А, В, С. Высококонцентрированные растворы жидкого стекла целесообразно использовать при тушении пожаров на нефтяных и газовых скважинах. При тушении разливов нефтепродуктов струю подаваемого на объект горения раствора необходимо диспергировать. В этом случае лучше использовать растворы с добавкой высокомолекулярных ПАВ на основе поливинилового спирта.

Кроме того, предлагаемые растворы жидкого стекла целесообразно использовать в качестве огнезащитного средства для предотвращения возгорания других объектов, находящихся вблизи от очага пожара, например стен деревянных зданий, отдельных деревьев и кустарников при лесных пожарах.

Подачу огнетушащего состава на объект возгорания можно осуществлять с помощью стационарных установок, пожарных машин. При тушении лесных пожаров предлагаемым составом можно заправлять ранцевые огнетушители.

Таблица 1
Водный раствор для тушения пожаров
Модуль жидкого стекла	Коэффициент вспенивания	Примечание
1,0	нет	Слой стекла оплавлен, сильное дымление
1,5	3,5	Слой частично поризован и оплавлен с поверхности, дымление
2,0	4,8	Слой пены небольшой, слабое дымление
2,5	15-18	Плотный слой пены, дымления нет
3,0	40-50	Пористый слой пены
3,2	40-50	Пористый слой пены
3,4	40-45	Пористый слой пены

1. Водный раствор для тушения пожаров, содержащий воду и загущающую добавку, отличающийся тем, что в качестве загущающей добавки используют жидкое стекло с модулем 2,5-3,2 при следующем соотношении компонентов, мас.%.:

Вода	50-95
Жидкое стекло	5-50

2. Водный раствор для тушения пожаров по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит высокомолекулярное поверхностно-активное вещество в количестве 0,001-0,1 кг на один кубический метр воды в растворе, которое готовят на основе поливинилового спирта, толуола и воды с поверхностным натяжением менее 30 мН/м.