平 平, 王 克, 孔得朋

(中國石油大學(xué)(華東) a. 化學(xué)工程學(xué)院； b. 機電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

水成膜泡沫滅火實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

平 平a, 王 克b, 孔得朋b

(中國石油大學(xué)(華東) a. 化學(xué)工程學(xué)院； b. 機電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

設(shè)計與實現(xiàn)了水成膜泡沫滅火劑教學(xué)實驗平臺。該平臺包括水成膜泡沫產(chǎn)生模塊及泡沫性能測定模塊。通過改變配方中有機硅的含量，實現(xiàn)對不同硅含量的水成膜溶液的泡沫穩(wěn)定性、鋪展性及滅火效果測定。結(jié)果表明，用有機硅代替氟碳表面活性劑生產(chǎn)環(huán)境友好型水成膜泡沫滅火劑是可行的。通過該實驗平臺，能使學(xué)生將所學(xué)的水成膜泡沫滅火劑理論知識與實驗學(xué)習(xí)有機結(jié)合，提高了學(xué)生自主創(chuàng)新與學(xué)習(xí)能力，在創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)中發(fā)揮了積極作用。

實驗平臺； 水成膜泡沫滅火劑； 有機硅表面活性劑； 泡沫性能

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展和進步，石油化工等行業(yè)得到蓬勃發(fā)展。但每年發(fā)生在石油化工領(lǐng)域的火災(zāi)數(shù)非常多且造成了比較嚴(yán)重的后果[1-2]。因此，在石油化工行業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，選用合適的滅火劑控制火勢并滅火是十分關(guān)鍵的。

水成膜泡沫滅火劑(Aqueous Film-Forming Foam，AFFF)是一類能夠在烴類液體燃燒表面形成一層水膜的泡沫滅火劑[3-6]。水成膜泡沫滅火劑在用于撲滅油類火災(zāi)時，憑借泡沫和水膜的雙重滅火作用而具有最佳滅火效果[7-8]，而且，由于AFFF 97%以上的組分是水，故在國際“淘汰哈龍行動”中被作為哈龍滅火劑的理想替代品，已成為國際上重點發(fā)展的滅火劑[9]。但隨著AFFF在世界范圍內(nèi)推廣使用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)鍵成分——氟碳表面活性劑具有較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在很長一段時間內(nèi)難以被降解，因而會對環(huán)境造成污染[10]。因此，找到一種綠色表面活性劑來代替氟碳表面活性劑，進而研制出新型環(huán)保的AFFF是科研工作者亟待解決的問題。

本文設(shè)計實現(xiàn)了水成膜泡沫滅火劑教學(xué)實驗平臺，并嘗試用綠色有機硅表面活性劑作為氟碳表面活性劑替代品研制新型的AFFF配方，實驗平臺方便學(xué)生測定水成膜溶液泡沫的穩(wěn)定性、鋪展性及滅火有效性[11-15]。通過該實驗，可以讓學(xué)生鞏固所學(xué)習(xí)的水成膜泡沫滅火原理，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

1 實驗平臺裝置與測定步驟

1.1 實驗平臺裝置

本平臺全套實驗裝置如圖1所示，該裝置可同時測定水成膜泡沫的穩(wěn)定性與鋪展性。

1、6-壓縮氮氣鋼瓶， 2、7-氣瓶閥， 3、8-調(diào)壓閥， 4-泡沫溶液壓力容器， 5-液體流量計， 9-氣體流量計， 10-氣體泡沫混合腔，11-泡沫輸送管路， 12-管道閥門， 13-泡沫容器， 14-支撐架， 15-石英珠子， 16-連通管路， 17-鐵架臺， 18-圓柱漏斗， 19-燒杯， 20-天平， 21-電腦， 22-泡沫槍及噴嘴， 23-鋪展盆， 24-攝像機

圖1 泡沫穩(wěn)定性、鋪展性測定裝置示意圖

主體部分為泡沫產(chǎn)生裝置，由壓縮氮氣鋼瓶(左側(cè)的閥門記為液閥，右側(cè)的記為氣閥)、泡沫溶液壓力容器、方形漏斗、氣液流量計、氣體泡沫混合腔、閥門、泡沫輸送管路等組成；從左側(cè)泡沫混合腔出來的上方分支管路連接測定泡沫穩(wěn)定性裝置，包括泡沫容器(內(nèi)部裝有石英珠子)、支撐架、鐵架臺、圓柱漏斗、連通管路、燒杯、天平、電腦；下方分支管路連接泡沫鋪展性測定裝置，包括泡沫槍、噴嘴、鋪展盆、攝像機和三腳架。

1.2 測定步驟

實驗在常溫下進行，首先用水管向泡沫溶液壓力容器中注水，洗凈容器后裝滿水，打開左側(cè)氣閥，將清水壓出，沖洗整個裝置(注意將氣體泡沫混合腔完全清洗干凈)；另外清洗泡沫鋪展盆和析液裝置中的泡沫容器與連通管路；完成后向析液裝置的連通管內(nèi)注入少量清水，保證左側(cè)泡沫容器的液面與右側(cè)圓柱漏斗的液面平齊，同時保證左側(cè)的液面略低于石英珠子的上堆積面，避免泡沫的沖擊力影響測試結(jié)果；將泡沫溶液壓力容器中的清水排盡后，用方形漏斗從其上方開口管注入待測泡沫溶液。準(zhǔn)備工作做好，關(guān)好相應(yīng)的閥門，打開攝像機，實驗開始。

(1) 先開氣閥、后開液閥，壓力均為0.3～0.4 MPa，將氣液流量計的液體、氣體體積流量比調(diào)整為15∶75 (單位為L/h，對應(yīng)液體的質(zhì)量流量為250g/min)，開始產(chǎn)生泡沫；

(2) 待泡沫均勻后，將泡沫通入析液裝置中，析出的液體從圓柱漏斗出口管嘴流到燒杯內(nèi)，引起天平讀數(shù)變化，電腦實時記錄示數(shù)的變化值，持續(xù)1.5 min后停止供泡；

(3) 關(guān)閉和打開相應(yīng)閥門，使泡沫溶液通過泡沫槍和噴嘴流入鋪展盆中，至泡沫將鋪展盆表面覆蓋完全；

(4) 關(guān)閉液閥，將泡沫溶液壓力容器中的氣壓泄掉后，關(guān)閉氣閥；

(5) 暫停錄像，保存視頻；

(6) 讓電腦繼續(xù)記錄天平示數(shù)變化值，等待20 min后，暫停示數(shù)傳送，保存數(shù)據(jù)，實驗結(jié)束。

2 泡沫溶液配制

2.1 實驗選材

實驗中配制5組AFFF原液的材料：氟碳表面活性劑(FC134，武漢長江氟科技有限公司生產(chǎn))、有機硅表面活性劑(北京氟樂邦表面活性劑技術(shù)研究所生產(chǎn))、兩性咪唑啉(上海銀聰新材料科技有限公司生產(chǎn))、去離子水，以及從國藥集團化學(xué)試劑有限公司購買的乙二醇、二乙二醇單丁醚、尿素和黃原膠。

2.2 實驗分組

5組AFFF原液分別記為0#～4#。其中:0#不加有機硅表面活性劑;4#不加氟碳表面活性劑(FC134)，其他各組均只改變有機硅的百分含量，最后向各組原液中添加去離子水至溶液質(zhì)量達到100%。每組中各組分的百分含量(%)如表1所示。

表1 五組待測水成膜泡沫溶液配方 %

配制AFFF原液時，將各組分按如下順序添加：

(1) 向燒杯A中依次加入氟碳表面活性劑、乙二醇和二乙二醇單丁醚并充分?jǐn)嚢瑁涑扇芤篈；

(2) 向燒杯B中依次加入兩性咪唑啉、有機硅和部分去離子水配成溶液B，用玻璃棒攪拌均勻后緩慢倒入燒杯A中，再向燒杯B中加入剩余部分去離子水洗刷燒杯后，倒入燒杯A中，充分?jǐn)嚢瑁?/p>

(3) 將尿素和黃原膠粉末混合均勻后緩慢加入燒杯A中，充分?jǐn)嚢琛?/p>

把燒杯A放于恒溫磁力攪拌器上攪拌至少3 h后，將混合均勻的AFFF原液裝入廣口瓶中貼標(biāo)簽存放，配制好的5組AFFF原液如圖2所示。

將水成膜泡沫原液和水按照3∶97稀釋成溶液，分別記為0#(無硅)、1#(硅1%)、2#(硅3%)、3#(硅5%)和4#(硅3% 無FC134)。

圖2 5組AFFF原液

3 實驗數(shù)據(jù)分析和討論

3.1 泡沫穩(wěn)定性

圖3所示為5組不同配方的水成膜泡沫溶液的泡沫析液質(zhì)量隨時間的變化曲線圖，對每條曲線中的各個值求導(dǎo)，可得到圖4所示的泡沫析液速率隨時間的變化曲線。

實驗中控制泡沫溶液的體積流量為45 L/h，連續(xù)供泡90 s，計算求得析出全部液體的總質(zhì)量，用該值除以4可得到25%析液質(zhì)量約為93.75 g，在圖3中畫出縱坐標(biāo)值為93.75的直線，其與5條曲線的交點的橫坐標(biāo)值即為5組泡沫溶液的25%， 0#～4#析液時間(從泡沫生成開始，到析出25% 質(zhì)量的混合液的時間)分別為：170.56 s，168.31 s，166.30 s，153.01 s，113.37 s。

圖3 析液質(zhì)量隨時間變化曲線

圖4 析液速率隨時間變化曲線

由圖3和圖4可以得出，隨著水成膜泡沫溶液中有機硅表面活性劑含量的增大(1%-3%-5%)，泡沫的析液速率變快，且達到各自最大析液速率的時間縮短，因此泡沫的穩(wěn)定性是隨著硅含量的增大而減弱的；其中4#泡沫溶液的泡沫析液速率最快，泡沫穩(wěn)定性最差。另外，圖3中標(biāo)注的各組泡沫溶液25% 析液時間的大小關(guān)系也符合泡沫溶液的析液特性隨著有機硅含量的增加而變差的規(guī)律。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泡沫的析液速率降到0.23 g/s時，圖中出現(xiàn)了一個臨界析液點(CPD)，在該點處泡沫的析液速率陡然下降，這是由于析出的液體不再連續(xù)流動引起的。因此，當(dāng)析液速率大于0.23 g/s時，從泡沫中析出的液體是連續(xù)地從圓柱漏斗的管嘴流入天平上的燒杯內(nèi)；當(dāng)析液速率小于0.23 g/s時，從泡沫中析出的液體是一點一點地滴入燒杯中。在5組泡沫溶液達到臨界析液點的持續(xù)時間中，4#最短，3#～0#隨著有機硅濃度的減小，到達臨界析液點的時間逐漸延長。

3.2 泡沫鋪展性

圖5為攝像機拍攝的硅含量為3% 的2#泡沫溶液的泡沫鋪展過程圖像，經(jīng)測算，0#～4#AFFF溶液的泡沫鋪展時間(從泡沫槍噴嘴流出泡沫開始到泡沫將鋪展盆覆蓋完全的時刻為止)分別為：40 s，39 s，36 s，34 s，31 s，將實驗得到的鋪展數(shù)據(jù)繪成直方圖如圖6所示。

圖6 5組AFFF溶液的泡沫鋪展時間直方圖

由實驗數(shù)據(jù)對比得出，0#、1#、2#泡沫溶液的鋪展時間依次減小，而3#的鋪展時間有所增大，但仍然比0#和1#的時間短，所以有機硅表面活性劑的加入會使泡沫溶液的鋪展性增強，鋪展速率加快，但當(dāng)硅含量增大到一定值后，泡沫的鋪展性又會相應(yīng)的減弱。另外，4#泡沫溶液的鋪展性則為5組中最差的。

綜上所述，泡沫的鋪展性隨著硅含量的增加先增強，至硅含量為5% 時，鋪展性稍有下降，其中以含硅3% 的泡沫溶液的鋪展性為最好；當(dāng)硅含量都為3% 時，去除泡沫溶液中的氟碳表面活性劑后，泡沫的鋪展性會急劇下降，因此氟碳表面活性劑的對泡沫鋪展性的促進作用很大，是有機硅表面活性劑不能比擬的。因此，配方中有機硅和氟碳表面活性劑的具體含量還需通過實驗進一步探究。

3.3 滅火有效性測定

對5組泡沫溶液進行滅火有效性測定，實驗燃料為庚烷。以有機硅含量為3%的泡沫溶液的滅火實驗為例，圖7為其滅火過程中幾個關(guān)鍵點的視屏截圖，對應(yīng)的各個時間點分別為：① 0 s。點燃油池，火焰迅速蔓延至整個油面。② 30 s?；鹧孢_到穩(wěn)定燃燒階段。③ 60 s。預(yù)燃階段結(jié)束，開始向油池內(nèi)通泡沫。④ 83 s。泡沫在油池內(nèi)的庚烷表面基本鋪展完全，火焰仍然劇烈燃燒。⑤ 85 s。油池內(nèi)泡沫層的厚度不斷增加，庚烷燃料蒸汽隨之減少，泡沫直接作用于火焰，火焰的強度被大幅度削弱，此時達到了90% 控制時間節(jié)點(油池中絕大部分火焰得到控制的時間，在本實驗中定義為從開始通泡沫到火焰高度降至0.3～0.4 m時所持續(xù)的時間)。⑥ 97 s。燃燒火焰恰好被撲滅，此時達到了滅火時間節(jié)點(火焰完全被撲滅的時間)。

通過實驗數(shù)據(jù)的分析和實驗視頻的回放，確定了5組泡沫溶液滅火過程中的兩個主要參數(shù)，分別為90% 控制時間和滅火時間，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 滅火過程實驗數(shù)據(jù) s

由實驗結(jié)果可以看出，隨著AFFF溶液中有機硅表面活性劑含量的增加，泡沫的90% 控制時間和滅火時間都經(jīng)歷了先增加后減小又增加的過程，即泡沫的滅火性能先減弱后增強又減弱，因此少量硅的加入會使AFFF的滅火性能減弱，硅含量再增加，滅火性能會增強，并在某個值處達到最優(yōu)(本實驗中為3%)，其后滅火性能又會隨著硅含量的增加而減弱。

實驗中有機硅含量為3%(2#)的泡沫溶液的90%控制時間最短，滅火時間僅次于4#泡沫溶液，因此這兩組泡沫溶液的滅火效率最高、性能最佳。

4 結(jié) 語

水成膜泡沫滅火劑教學(xué)實驗平臺可以方便地對水成膜溶液的泡沫穩(wěn)定性、鋪展性及滅火有效性進行測定，該實驗開闊了學(xué)生的視野且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能將學(xué)生所學(xué)的防火與防爆、燃燒學(xué)相關(guān)理論知識與實驗學(xué)習(xí)有機結(jié)合，提高了學(xué)生的實驗動手能力。通過該實驗，既提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，又增加了學(xué)生對相關(guān)理論知識的感性認(rèn)識。這對于培養(yǎng)學(xué)生樂于動手、 勤于思考、敢于創(chuàng)新的探索精神具有較強的應(yīng)用價值。

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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

國家自然科學(xué)基金項目(51604297)；中國石油大學(xué)教學(xué)改革項目(SY-A201604)

平 平(1988-)，女，河南漯河人，博士，講師，主要從事火災(zāi)動力學(xué)與火災(zāi)風(fēng)險評估研究。

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