韓郁翀，秦 俊

（中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

泡沫滅火劑的發(fā)展與應用現(xiàn)狀

韓郁翀，秦 俊

（中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

對泡沫滅火劑的分類、滅火機理、各種滅火劑的優(yōu)缺點和適用范圍進行了歸納，介紹了泡沫滅火劑的研究進展和應用現(xiàn)狀，并預測了發(fā)展方向。對于蛋白型泡沫滅火劑，由于它的環(huán)境友好性，應重新認識其重要性并進行深入的基礎(chǔ)研究。對于水成膜泡沫滅火劑，介紹了《斯德哥爾摩公約》對全氟辛烷磺酸（PFOS）采取限制后可供選擇的解決方案，例如著重發(fā)展齊聚法生產(chǎn)氟碳表面活性劑。能提高滅火性能的各種泡沫添加劑、壓縮氮氣泡沫滅火劑及七氟丙烷泡沫滅火劑等新型泡沫滅火劑也是國際研究熱點。

泡沫滅火劑；斯德哥爾摩公約；水成膜泡沫；全氟辛烷磺酸

0 引言

泡沫滅火劑是指能與水相容，并且可以通過化學反應或機械方法產(chǎn)生滅火泡沫的滅火劑。自1877年Johnson［1］首次提出可以將泡沫用于撲滅火災至今，泡沫滅火劑已有一百多年的歷史。因為泡沫滅火劑設備簡單、成本較低、滅火效率高并且環(huán)境污染小，在撲救A類、B類火災上得到了廣泛應用。

1987年，美、英等24國簽署了《蒙特利爾條約》，明確規(guī)定了各國停止生產(chǎn)和使用對臭氧層有破壞作用的物質(zhì)的時間表，因此需要尋找哈龍滅火劑的替代品［2］。在探索過程中，空氣泡沫滅火劑依靠自身出色的滅火效能、抗復燃能力和大規(guī)?；馂囊种颇芰?，成為了最佳的替代選擇，受到了火災科學研究者的深度關(guān)注。

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（EPA）在2006年做出了《關(guān)于全氟辛烷磺酸（PFOS）的風險簡介》的報告［3］，表達了對PFOS環(huán)境危害性的擔憂。2009年4月EPA在《關(guān)于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》大會上正式將全氟辛烷磺酸（PFOS）及其衍生物列入持久性有機污染物（POPs）受控名單。PFOS的危害［4，5］主要表現(xiàn)為持久性、生物富集性和毒性，是特別難以分解的有機污染物。在水成膜泡沫滅火劑中，核心成分為氟碳表面活性劑，而最常用的氟表面活性劑為PFOS的衍生物（F（CF2）8SO3X）。在生產(chǎn)過程和使用過程中會產(chǎn)生PFOS及其衍生物，其形成過程如下：

這種氟表面活性劑是以電解法生產(chǎn)的，以相應的通過電解產(chǎn)生的活潑氟原子直接置換碳氫磺酸中的氫原子，再由全氟烷基酰氟出發(fā)，通過普通方法制得氟碳表面活性劑，氟碳表面活性劑使用后最終又會分解為PFOS。此次限制令對泡沫滅火劑的研制和使用提出了更高的要求。

1 泡沫滅火劑的分類與滅火機理

泡沫滅火劑的種類繁多，可以按發(fā)泡方法、發(fā)泡倍數(shù)、用途、發(fā)泡基料等依據(jù)進行分類［6］。根據(jù)滅火機理的不同，分為化學泡沫滅火劑和空氣泡沫滅火劑［7］。根據(jù)發(fā)泡倍數(shù)的不同，分為低倍數(shù)泡沫、中倍數(shù)泡沫和高倍數(shù)泡沫。發(fā)泡倍數(shù)分別為20倍以下、20倍～200倍之間、200倍～1000倍之間。這兩種分類方法僅僅是從某些概念出發(fā)而進行的初步分類，更具有實際意義的方法是按照用途和基料分類。根據(jù)用途的不同，即能否撲滅極性液體火災，可以分為普通型和多功能型泡沫滅火劑。根據(jù)發(fā)泡基的不同，可以分為蛋白型和合成型泡沫滅火劑。具體類別、組成、使用特點和適用范圍如表1所示。

泡沫滅火劑的滅火作用機理主要包括水的冷卻作用、泡沫隔絕空氣的窒息作用、泡沫的遮斷作用，具體如下：

（1）冷卻作用。泡沫滅火劑所形成的泡沫結(jié)構(gòu)可以作為一種“散熱器”，泡沫中會攜帶大量的水，泡沫液比水更能很好的附著在可燃物表面，特別是垂直表面。泡沫對可燃物表面產(chǎn)生潤濕作用，吸收燃燒過程中產(chǎn)生的熱量，再通過水的蒸發(fā)帶走熱量。

（2）窒息作用。由于泡沫的相對密度較小，可漂浮于可燃液體的表面，或黏附在可燃固體的表面，形成泡沫覆蓋層，使燃燒物表面與空氣隔離。

（3）遮斷作用。泡沫層可以遮擋火焰對燃燒物表面的熱輻射，降低可燃液體的蒸發(fā)速度或固體的熱分解速度，使可燃氣體難以進入燃燒區(qū)。

表1 泡沫滅火劑簡介表（按發(fā)泡基分類）Table 1 Brief introduction of foam exting uishing agent（classified by base material）

類 別 主要成分 滅火機理 使用特點 適用范圍水成膜泡沫氟碳表面活性劑；碳氫表面活性劑；穩(wěn)定劑；其他添加劑。泡沫和水膜的雙重作用。合成型抗溶性水成膜泡沫觸變性多糖；其他與水成膜泡沫相同。滅火效率高；滅火速度快。A類火災；B類火災中的非水溶性液體火災。在極性液體表面形成不溶性薄膜；泡沫和水膜的雙重作用。A類泡沫 水；泡沫濃縮液；空氣。兼有抗溶性和水成膜泡沫的性質(zhì)。A類火災；B類火災。泡沫增加了水的比表面積，冷卻作用；窒息作用；遮斷作用。提高水的滅火效率；減少水的流失；成本低；幫助保留火災起因的證據(jù)。A類火災。

2 常見泡沫滅火劑發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 蛋白型泡沫滅火劑

蛋白型泡沫滅火劑可以分為兩大類：蛋白泡沫滅火劑和氟蛋白泡沫滅火劑。雖然受到高效的新型滅火劑的沖擊，所占市場份額下降，但由于蛋白泡沫滅火劑成本低，易于生產(chǎn)，目前蛋白泡沫滅火劑仍是我國生產(chǎn)量最大、應用范圍最廣的滅火劑。李亞東利用活性污泥水解蛋白質(zhì)制備蛋白質(zhì)泡沫滅火劑，不僅防止了剩余活性污泥的2次污染，更是可以避免植物蛋白質(zhì)成本高、動物蛋白質(zhì)氣味重這些缺點。

目前氟蛋白泡沫滅火劑常用的氟碳表面活性劑為陰離子型或非離子型氟碳表面活性劑，例如（C2F5）2（CF3）C（CF3）C＝C（CF3）OC6H4SO3Na、C10F19O（C6H4）SO4Na等。Zaggia等［8］人向蛋白泡沫中加入0.5%的全氟烷基季銨鹽，形成成膜氟蛋白泡沫滅火劑，增強了泡沫層的密封性能。該種氟碳表面活性劑降低了蛋白泡沫體系的表面張力和液面流動的剪切力，提高了蛋白泡沫滅火劑的流動性，其滅火速度比未加入的情況提高了3倍～4倍。

Alsaati等［9］提出將蛋白型泡沫滅火劑作為哈龍滅火劑的替代選擇之一。特別是在EPA限制PFOS的使用后，由于蛋白型泡沫具有良好的生物降解能力、水生毒性低、成本小等優(yōu)點，被許多西方國家納入PFOS類泡沫滅火劑的替代品選項中。在我國由于AFFF價格下降，加上廠家對新技術(shù)的追捧，還有有關(guān)部門對蛋白類泡沫的環(huán)境污染的偏見（認為動物蛋白會產(chǎn)生異味），導致蛋白泡沫滅火劑雖然在市場上仍占據(jù)一席之地，但處于逐漸下降的趨勢，且近年來對蛋白泡沫滅火劑的科學研究明顯不足，因此PFOS物質(zhì)受控后需要加強在蛋白泡沫領(lǐng)域的研究。

2.2 水成膜泡沫滅火劑（AFFF）

水成膜泡沫滅火劑［10，11］是指能在烴類液體表面形成水膜的泡沫滅火劑。在引言中已經(jīng)提到，AFFF的核心成分為氟碳表面活性劑，氟碳表面活性劑的性能優(yōu)劣、價格高低直接影響著AFFF的應用。隨著人們逐漸認識PFOS對環(huán)境的危害，許多國外廠商逐漸停止電解法制備氟碳表面活性劑來減少PFOS的排放。其中生產(chǎn)規(guī)模最大的美國3M公司已經(jīng)于2002年自愿在美國境內(nèi)停止用電解法生產(chǎn)該類產(chǎn)品，電解法的核心技術(shù)在3M公司停產(chǎn)后才公諸于世。公安部天津消防研究所與美國3M公司合作，掌握該項技術(shù)后，研制出的多用途水成膜泡沫滅火劑在國內(nèi)開始推廣。大規(guī)模的生產(chǎn)使國內(nèi)的AFFF價格迅速降低，也使它得到了廣泛的應用。但《斯德哥爾摩公約》嚴格限制PFOS的使用后，我國作為締約方也必須按照相關(guān)流程和要求逐步禁止PFOS的生產(chǎn)和使用。這將對我國的AFFF行業(yè)造成巨大沖擊，因此國內(nèi)消防產(chǎn)業(yè)迫切需要在過渡期限到來前尋找到合適的替代技術(shù)。目前AFFF的研究熱點主要有以下幾方面：

（1）使用調(diào)聚法生產(chǎn)氟碳表面活性劑，制備過程如下式所示：

式中，n＝6、8、10、12等。

基于調(diào)聚法生產(chǎn)的活性劑不含有也不會分解成PFOS，目前不會被EPA限制生產(chǎn)。但是這類AFFF會分解成全氟辛酸（Perfluorooctanoic acid-PFOA），如式3所示。PFOA也被懷疑具有與PFOS相類似的危害性，現(xiàn)仍在對其危險分析試驗、替代品的實效性、限制措施進行評估。

有學者在2008年的NFPA World Safety Conference上指出7年內(nèi)EPA不會嚴格禁止調(diào)聚法生產(chǎn)的AFFF。Hagenaars［12］等人提出杜邦公司生產(chǎn)的Forafac系列表面活性劑合乎各方面的規(guī)范，進行的生物毒性試驗也表明Forafac系列產(chǎn)品的水生生物毒性低于PFOS類產(chǎn)品，可以作為PFOS類的替代品。但是這種方法仍然存在二次替代的可能性，并沒有從根本上解決AFFF可能造成的環(huán)境污染問題。

（2）使用齊聚法生產(chǎn)氟碳表面活性劑。20世紀70年代開始發(fā)展齊聚法制備工藝。原理是在非質(zhì)子性溶劑中氟烯烴發(fā)生齊聚反應生成高支鏈、低聚合度的全氟烯烴聚合物。PFOA類物質(zhì)受限的主要原因之一就是因為氟碳鏈過長，采用齊聚法生產(chǎn)的活性劑與調(diào)聚法生產(chǎn)的長直鏈不同，多為高度帶支鏈的物質(zhì)，例如六氟丙烯法［13］可以得到以二聚體和三聚體為主的產(chǎn)物，對環(huán)境的污染小，毒性低。反應式如下：

式中n為2～3。常采用CsF作為反應的催化劑。這些齊聚物都是多支鏈的丙烯烴，利用連接雙鍵碳原子上氟的活性，易與含氮、氧、硫的親核試劑發(fā)生親核反應生成支鏈型的含氟表面活性劑。但是支鏈過多就會影響氟碳表面活性劑的表面活性，難以與調(diào)聚法競爭。需要著眼于改變氟碳表面劑最外層基團的結(jié)構(gòu)，來提高表面活性能力，并且改進合成方法來降低成本。鑒于PFOA很有可能在將來還是會被全面禁止，推廣齊聚法是長久之計。

（3）建立定性與定量相結(jié)合的評價標準，來選擇加入哪一種氟碳表面活性劑以及對不同水成膜泡沫進行滅火性能優(yōu)劣的排序。氟碳表面活性劑的種類繁多，但并不是所有種類都能用于水成膜泡沫滅火劑中。水成膜泡沫滅火劑性能的主要判據(jù)［14，15］為鋪展速度、鋪展量、發(fā)泡倍數(shù)、泡沫液析液速度、泡沫穩(wěn)定性。對每一種水成膜泡沫滅火劑都要進行上述五種參數(shù)的測量，才能全面評價該種滅火劑的滅火性能，導致實驗量很大。如果從氟碳表面活性劑和水成膜泡沫自身的物化性質(zhì)出發(fā)，探討能否直接通過表面張力、界面張力、粘度等因素對氟碳表面活性劑進行大致的滅火性能分級，就能大大減少實驗量。

（4）除了氟碳表面活性劑外，水成膜泡沫滅火劑中還會加入許多化學物質(zhì)，例如碳氫表面活性劑、抗溶劑（常用有機酸金屬絡合鹽）、增稠劑、泡沫穩(wěn)定劑等。這些物質(zhì)對滅火劑的性能也會產(chǎn)生一定影響，特別要考慮各個組分間的相互作用。Figueredo和Sabadini［16］研究發(fā)現(xiàn)聚環(huán)氧乙烷（PEO）是一種有效的減阻劑。向AFFF中加入少量的PEO后，泡沫液的粘度和表面張力均增加。PEO減阻劑的存在不僅能提高泡沫液的流動性，也改變了泡沫液的析液速率，增長泡沫的壽命。

2.3 A類泡沫滅火劑。

A類泡沫滅火劑［17］是指用于A類可燃物火災的泡沫滅火劑。七十年代，美國開發(fā)出壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（CAFS）后，合成表面活性劑泡沫作為A類泡沫廣泛使用。這類泡沫以低倍數(shù)應用于油品火災的滅火效果不如蛋白泡沫，于是將其發(fā)成高倍數(shù)泡沫［18］滅火劑。

歐美等發(fā)達國家在森林消防領(lǐng)域和市政消防領(lǐng)域?qū)類泡沫進行了大量基礎(chǔ)研究，我國相應消防研究機構(gòu)也開展了一些應用研究。譬如傅學成等人［19］在A類泡沫保護和滅火性能評估及其應用技術(shù)的研究中，開發(fā)了試驗專用的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)，為基礎(chǔ)性研究試驗提供具有可控的和可重復的A類泡沫；對使用A類泡沫滅火性能進行量化研究；建立A類泡沫隔熱防護能力的評價方法。但是與發(fā)達國家在城市消防廣泛使用A類泡沫相比，我國使用A類泡沫的實戰(zhàn)能力還需要提高。比如，當結(jié)合壓縮空氣泡沫空氣系統(tǒng)使用A類泡沫時，難以根據(jù)不同的滅火工況調(diào)整泡沫的合適狀態(tài)。

2.4 抗溶性泡沫滅火劑（AR）

抗溶性泡沫滅火劑是指用于撲滅水溶性液體燃料火災的泡沫滅火劑［20］。最初使用的是金屬皂類抗溶性泡沫，現(xiàn)在采用的是多糖類抗溶性泡沫。常用的抗溶性泡沫品種包括合成型抗溶泡沫（S／AR）、3%抗溶性水成膜泡沫（AFFF／AR）、6%改性水成膜泡沫（6%AFFF／AR）和6%抗溶氟蛋白泡沫（6%FP／AR）。

目前許多消防工作研究者致力于尋找性能更為優(yōu)異的抗溶劑。例如Clark［21］研制出一種新型水成膜泡沫穩(wěn)定劑，它具有類似于AFFF中多糖的抗溶作用，并且在不增加泡沫液粘度和不影響其他性質(zhì)的情況下提高了泡沫的抗復燃性能。提供了一種新的AFFF變?yōu)锳R-AFFF的轉(zhuǎn)化方法，該種泡沫無觸變性，并且對極性或者非極性溶劑火災均有效。

2.5 其它新型泡沫滅火劑

上述泡沫滅火劑中除化學泡沫滅火劑外，其它均為空氣泡沫滅火劑，泡沫中所含的氣體為空氣，無法撲滅或者徹底撲滅自燃物質(zhì)以及與水反應的物質(zhì)的火災。為了解決這一問題，可以用其它種類的氣體代替空氣進行滅火。這種技術(shù)在壓縮空氣泡沫系統(tǒng)裝置中很容易實現(xiàn)，只需要將氣體儲罐的入口與壓縮機相連，比如可以使用壓縮N2和七氟丙烷氣體。特別是七氟丙烷氣體泡沫滅火劑［22］，它兼具空氣泡沫覆蓋隔離和七氟丙烷氣體化學抑制的雙重功效，能夠很快撲滅環(huán)氧丙烷、輕烴等低沸點可燃液體。其它氣體代替空氣的泡沫滅火技術(shù)開發(fā)研究時間較短，可以進行深入研究，研制出更多新型滅火劑，以及確定最佳的混合比、供給強度等參數(shù)。

另外，泡沫滅火劑通常與泡沫滅火系統(tǒng)［23］聯(lián)合使用，需要設計泡沫滅火系統(tǒng)中泡沫滅火劑的使用方式，使得滅火劑發(fā)揮最大的效能。我國王喜世等人［24］對多組分壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（MCAFS）的研究發(fā)現(xiàn)，同軸混合室比T型混合室的泡沫混合效率高，并從實驗和理論方面對該系統(tǒng)作用下的火災蔓延規(guī)律進行探討。

3 總結(jié)與展望

隨著科技的發(fā)展、社會的進步以及人們安全意識的提高，會對消防措施方面提出更高的要求?！短蕴堄媱潯泛汀端沟赂鐮柲s》等一系列文件也表明了科學技術(shù)往往是一把雙刃劍，高效的哈龍滅火劑、PFOS類氟碳表面活性劑都會給環(huán)境帶來不可逆轉(zhuǎn)的危害，如何在經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展間找到平衡點仍然任重道遠。

各國科學家都在致力于研究更高效、更環(huán)保、更低成本的泡沫滅火劑，對于蛋白型泡沫滅火劑，可以發(fā)揮其成本低廉的優(yōu)勢，如利用工業(yè)廢料等提取水解蛋白，不僅降低成本更能夠保護環(huán)境。對于水成膜泡沫滅火劑，需要研究POFS或者PFOA類物質(zhì)的降解方法；改進表面活性劑的結(jié)構(gòu)和復配方法、發(fā)展齊聚法；尋找可取代氟碳表面活性劑的新型表面活性劑。對于A類泡沫滅火劑，可以研究將其與壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)聯(lián)用時的作用機理和性能優(yōu)化。對于抗溶性泡沫滅火劑，需要對已發(fā)現(xiàn)的新型無觸變性抗溶劑進行機理研究。其他新型泡沫滅火劑如七氟丙烷泡沫滅火劑、壓縮氮氣泡沫滅火劑有待進一步的推廣；也可以針對具體的滅火條件和使用范圍研制新型泡沫添加劑、泡沫滅火系統(tǒng)等等。相信通過人們不懈的努力，定會涌現(xiàn)出更多的高效泡沫滅火劑和應用泡沫的新方法。

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Development and application status of foam extinguishing agent

HAN Yu-chong，QIN Jun

（State Key Lab of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei，230026，China）

The paper presents a review on foam extinguishing agent.The classification，mechanism of foam extinguishing agent，advantages and limitations with applicable scope of different agents are described briefly.The current status of the application of foam extinguishing agent is introduced.Because of its readily biodegradability and environmental benefits，protein foam agent is also an available choice in the alternative options of western countries.In terms of status of aqueous film-forming foams，according to the"Convention of Stockholm"which severely restricted the use of Perfluorooctane sulfonates（PFOS），several alternative solutions are offered.For the A Class foam agent，fundamental researches have been conducted on the heat-insulating protection and fire extinguishing performance.New type of stabilizing additive has been invented to enhance extinguishing properties，by the use of alcohol resistant foam extinguishing agent.Compressed N2foam extinguishing agent and heptafluoropropane foam agent have also been hot research topics.

Foam extinguishing agent；Stockholm convention；Aqueous film-forming foams；Perfluorooctane sulfonates

TQ569，X915.5

A

1004-5309（2011）-0235-06

2011-09-18；修改日期：2011-09-24

韓郁翀（1989-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室碩士研究生，主要研究方向為泡沫滅火劑技術(shù)。