泡沫灭火剂的发展与应用现状.docx

火灾科学，第 卷 第 期 年 月文章编号：（）泡沫灭火剂的发展与应用现状韩郁翀，秦俊（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，）摘要：对泡沫灭火剂的分类 、灭 火 机 理 、各 种 灭 火 剂 的优缺点和适用范围进行了归纳 ，介绍了泡沫灭火剂的研究进 展 和 应 用 现 状 ，并预测了发展方向 。 对于蛋白型泡沫灭火剂 ，由于它的环境友 好 性 ，应重新认识其重要性并进行深 入 的 基 础 研 究 。 对于水成膜泡沫灭火剂 ，介 绍 了 斯德哥尔摩公约 对全氟辛烷磺酸 （）采取限制后可供选择 的 解 决 方 案 ，例如着重发展齐聚法生产氟碳表面 活 性 剂 。 能提高灭火性能的各种泡沫添加剂 、压缩氮气泡沫灭火 剂及七氟丙烷泡沫灭火剂等新型泡沫灭火剂也是国际研究热点 。关键词：泡 沫 灭 火 剂 ；斯德哥尔摩公约 ；水 成 膜 泡 沫 ；全 氟 辛 烷 磺 酸中图分类号：，引言文献标识码：的危害，主要表现为持久性、生物富集性和毒性，是特别难以分解的有机污染物。在水成膜泡沫灭火 剂中，核心成分为氟碳表面活性剂，而最常用的氟表 面活 性 剂 为 的 衍 生 物 （ ）。 在 生产过程和使用过程中会产生 及其衍生物， 其形成过程如下：（） （） 泡沫灭火剂是指能与水相容，并且可以通过化学反应或机械方法 产 生 灭火 泡 沫的 灭 火 剂。 自年首次提出可以将泡沫用于扑灭火 灾至今，泡沫灭火剂已有一百多年的历史。 因为泡 沫灭火剂设备简单、成本较低、灭火效率高并且环境 污染小，在扑救 类、 类火灾上得到了广泛应用。 年，美、英 等 国 签 署 了 蒙 特 利 尔 条 约，明确规定了各国停止生产和使用对臭氧层有破坏作用的物质的时间表，因此需要寻找哈龙灭火剂 的替代品 。在探索过程中，空气泡沫灭火剂依靠 自身出色的灭火效能、抗复燃能力和大规模火灾抑 制能力，成为了最佳的替代选择，受到了火灾科学研 究者的深度关注。联合国环境规划署（）在年做出了关 于全氟辛烷磺酸（）的风险简介的报告，表 达了 对 环 境 危 害 性 的 担 忧。 年 月 在关于 持 久 性 有机 污染物的斯德哥尔摩公 约大会 上 正 式 将 全 氟 辛 烷 磺 酸 （）及 其 衍 生 物列入持久性有机污染物（）受控名单。（） （）（）这种氟表面活性剂是以电解法生产的，以相应的通过电解产生的活泼氟原子直接置换碳氢磺酸中 的氢原子，再由全氟烷基酰氟出发，通过普通方法制 得氟碳表面活性剂，氟碳表面活性剂使用后最终又 会分解为 。此次限制令对泡沫灭火剂的研制 和使用提出了更高的要求。泡沫灭火剂的分类与灭火机理泡沫灭火剂的种类繁多，可以按发泡方法、发泡 倍数、用途、发泡基料等依据进行分类。根据灭火 机理的不同，分为化学泡沫灭火剂和空气泡沫灭火 剂。根据发泡倍数的不同，分为低倍数泡沫、中倍 数泡沫和高倍数泡沫。发泡倍数分别为倍以下、收稿日期：；修改日期：作者简介：韩郁翀（），女，江苏镇江人，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研 究 生，主要研究方向为泡沫灭 火剂技术。火 灾 科 学第 卷 第 期倍 倍之间、 倍 倍之间。 这两种分类方法仅 仅 是 从 某 些 概 念 出 发而进行的初步分 类，更具有实际意义的方法是按照用途和基料分类。 根据用途的不同，即能否扑灭极性液体火灾，可以分 为普通型和多功能型泡沫灭火剂。根据发泡基的不 同，可以分为蛋白型和合成型泡沫灭火剂。 具体类 别、组成、使用特点和适用范围如表所示。泡沫灭火剂的灭火作用机理主要包括水的冷却作用、泡沫隔绝空气的窒息作用、泡沫的遮断作用，具体如下：（）冷却作用。 泡沫灭火剂所形成的泡沫结构可以作为一种“散热器”，泡沫中会携带大量的水，泡沫液比水更能很好的附着在可燃物表面，特别是垂 直表面。泡沫对可燃物表面产生润湿作用，吸收燃 烧过程中产生的热量，再通过水的蒸发带走热量。（）窒息作用。由于泡沫的相对密度较小，可漂 浮于可燃液体的表面，或黏附在可燃固体的表面，形 成泡沫覆盖层，使燃烧物表面与空气隔离。（）遮断作用。 泡沫层可以遮挡火焰对燃烧物 表面的热辐射，降低可燃液体的蒸发速度或固体的 热分解速度，使可燃气体难以进入燃烧区。表泡沫灭火剂简介表（按发泡基分类）（）类 别主要成分灭火机理使用特点适用范围水解蛋白；稳定剂；盐类添加剂；抗冻剂；防腐剂。冷却作用；窒息作用；遮断作用。成本低；稳定性好；对水质要求不高。 类、 类火灾。蛋白泡沫由于氟碳基的疏 油作用在表面形 成屏 障，抑 制 燃 料 气化；其他机理与蛋白 泡沫相同。氟化物的加入改 变水解蛋白的物 化性 质，使 其 溶 于 水但不溶于极性 液体燃料。泡 沫 表 面 形 成 薄膜；多糖的脱水凝胶 作用。泡沫表面形成不 溶于极性液体燃 料的薄膜；多糖的脱水凝胶 作用。冷却作用； 窒息作用； 遮断作用。在极性液体表面 形成 不 溶 性 薄 膜， 阻止极性液体对 上层泡沫的破坏 作用，形 成 连 续 的 泡沫层。氟碳表面活性剂；碳氢表面活性剂其他与蛋白泡沫 相同。 类、 类火灾；以液下喷射方式 扑 救 石 油 储 罐 火灾。成本相对较低；能 抵 抗 油 类 的 污染。氟蛋白泡沫蛋白 型氨基酸型氟表面 活性剂；其他与氟蛋白泡 沫相同。能够扑灭极性液 体燃料火灾；其他与氟蛋白泡 沫相同。极 性 液 体 燃 料火灾；其他与氟蛋白泡 沫相同。抗 溶 性 氟 蛋 白泡沫触变性多糖；其他与氟蛋白泡 沫相同。灭 火 效 率 高、速度快。与 氟 蛋 白 泡 沫相同。成膜氟蛋白泡沫能够扑灭极性液 体燃料火灾；其他与成膜氟蛋 白泡沫相同。触变性多糖；其他与抗溶性氟 蛋白泡沫相同。抗溶性成膜氟蛋 白泡沫与抗溶性氟蛋白 泡沫相同。合成型发泡剂；泡沫稳定剂；溶剂与抗冻剂。使 用 合 成 型 发泡基。普通合成泡沫类、 类火灾。 合成 型触变性多糖；碳氢表面活性剂； 氟碳表面活性剂； 降粘剂与增溶剂； 泡沫稳定剂。既有抗溶性；又有 泡 沫 灭 火 性，使用简便经济。极性 液 体 火 灾；其他与普通合成泡 沫相同。合 成 型 抗 溶 性泡沫韩 郁 翀：泡 沫 灭 火 剂 的 发 展 与 应 用 现 状类 别主要成分灭火机理使用特点适用范围氟碳表面活性剂；碳氢表面活性剂；稳定剂；其他添加剂。 类火灾； 类 火 灾 中 的 非 水溶性液体火灾。泡沫和水膜的双 重作用。灭火效率高；灭火速度快。水成膜泡沫在极性液体表面 形成不溶性薄膜； 泡沫和水膜的双 重作用。触变性多糖；其他与水成膜泡 沫相同。抗 溶 性 水 成 膜泡沫兼有抗溶性和水 成膜泡沫的性质。 类火灾；合成 型类火灾。提 高 水 的 灭 火效率；减少水的流失；成本低；帮助保留火灾起 因的证据。泡沫增加了水的 比 表 面 积，冷 却 作用；窒息作用；遮断作用。水；泡 沫 浓 缩 液；空气。 类泡沫 类火灾。趋势，且近年来对蛋白泡沫灭火剂的科学研究明显不足，因此 物质受控后需要加强在蛋白泡沫 领域的研究。 水成膜泡沫灭火剂（）水成膜泡 沫 灭 火 剂，是 指 能 在 烃 类 液 体 表 面形 成 水 膜 的 泡 沫 灭 火 剂。 在 引 言 中 已 经 提 到， 的核心成分 为 氟 碳 表 面 活 性 剂，氟 碳 表 面 活 性剂的性能优劣、价格高低直接影响着 的应 用。随着人们逐渐认识 对环境的危害，许多 国外厂商逐渐停止电解法制备氟碳表面活性剂来减 少 的排放。其中生产规模最大的美国 公 司已经于年自愿在美国境内停止用电解法生 产该类产品，电解法的核心技术在 公 司 停 产 后 才公诸于世。公安部天津消防研究所与美国 公 司合作，掌握该项技术后，研制出的多用途水成膜泡 沫灭火剂在国内开始推广。大规模的生产使国内的 价 格 迅 速 降 低，也 使 它 得 到 了 广 泛 的 应 用。 但斯德哥尔摩公约严格限制 的使用后，我 国作为缔约方也必须按照相关流程和要求逐步禁止 的生产和使用。这将对我国的 行业造 成巨大冲击，因此国内消防产业迫切需要在过渡期 限到来前 寻 找 到 合 适 的 替 代 技 术。 目 前 的 研究热点主要有以下几方面：（）使用调聚法生产氟碳表面活性剂，制备过程 如下式所示： （） （）常见泡沫灭火剂发展现状蛋白型泡沫灭火剂蛋白型泡沫灭火剂可以分为两大类：蛋白泡沫灭火剂和氟蛋白泡沫灭火剂。虽然受到高效的新型灭火剂的冲击，所占市场份额下降，但由于蛋白泡沫 灭火剂成本低，易于生产，目前蛋白泡沫灭火剂仍是 我国生产量最大、应用范围最广的灭火剂。 李亚东 利用活性污泥水解蛋白质制备蛋白质泡沫灭火剂， 不仅防止了剩余活性污泥的 次污染，更是可以避 免植物蛋白质成本高、动物蛋白质气味重这些缺点。目前氟蛋白泡沫灭火剂常用的氟碳表面活性剂 为 阴 离 子 型 或 非 离 子 型 氟 碳 表 面 活 性 剂，例 如（） （ ）（ ）（ ）、（）等。等人向蛋白泡沫中加入 的全氟烷基季铵盐，形 成 成 膜 氟 蛋白泡沫灭火剂，增强了泡沫层的密封性能。 该种氟 碳表面活性剂降低了蛋白泡沫体系的表面张力和液 面流动的剪切力，提高了蛋白泡沫灭火剂的流动性， 其灭火速度比未加入的情况提高了倍倍。等提出 将 蛋 白 型 泡 沫灭火剂作为哈 龙灭火 剂 的 替 代 选 择 之 一。 特 别 是 在 限 制的使用后，由 于 蛋 白 型 泡 沫 具 有 良 好 的 生 物 降解能力、水生毒性低、成本小等优点，被许多西方国家纳入 类泡沫灭火剂的替代品选项中。在 我国由于 价格下降，加上厂家对新技术的追捧，还有有关部门对蛋白类泡沫的环境污染的偏见（认为动物蛋白会产生异味），导致蛋白泡沫灭火剂 虽然在市场上仍占据一席之地，但处于逐渐下降的 中的表面活性剂式中，、等。基于调聚法生产的活性剂不含有也不会分解成（）火 灾 科 学第 卷 第 期，目前不会被 限制生产。 但是这类 会 分 解 成 全 氟 辛 酸 （ ），如 式 所 示。 也 被 怀 疑 具 有 与相类似的危害性，现仍在对其危险分析试验、替代品的实效性、限制措施进行评估。中的表面活性剂 （）有学者在年的 上指出年内 不会严格禁止调聚法生 产的 。等人提出杜邦公司生产 的 系 列 表 面 活 性 剂 合 乎 各 方 面 的 规 范，进 行的生物毒性试验也表明 系列产品的水生 生物毒性低于 类产品，可以作为 类的 替代品。但 是 这 种 方法 仍然 存 在二次替代的可能 性，并没有从根本上解决 可能造成的环境污 染问题。（）使用齐聚法生产氟碳表面活性剂。 世纪年代开始发展齐聚法制 备 工艺。 原 理 是 在 非 质 子性溶剂中氟烯烃发生齐聚反应生成高支链、低聚 合度的全氟烯烃聚合物。 类物质受限的主要 原因之一就是因为氟碳链过长，采用齐聚法生产的 活性剂与调聚法生产的长直链不同，多为高度带支 链的物质，例如六氟丙烯法可以得到以二聚体和 三聚体为主的产物，对环境的污染小，毒性低。反应 式如下：性能，导致实验量很大。 如果从氟碳表面活性剂和水成膜泡沫自身的物化性质出发，探讨能否直接通 过表面张力、界面张力、粘度等因素对氟碳表面活性 剂进行大致的灭火性能分级，就能大大减少实验量。（）除了氟碳表面活性剂外，水成膜泡沫灭火剂 中还会加入许多化学物质，例如碳氢表面活性剂、抗 溶剂（常用有机酸金属络合盐）、增稠剂、泡沫稳定剂 等。这些物质对灭火剂的性能也会产生一定影响， 特别要考虑各个组分间的 相 互 作 用。 和研究发现聚环氧乙烷（）是一种有效 的减阻 剂。 向 中 加 入 少 量 的 后，泡 沫液的粘度和 表 面 张 力 均 增 加。 减 阻 剂 的 存 在 不仅能提高泡沫液的流动性，也改变了泡沫液的析液速率，增长泡沫的寿命。 类泡沫灭火剂。 类泡沫灭火剂是指用于 类可燃物火灾 的泡沫灭火剂。 七十年代，美国开发出压缩空气泡 沫系统（）后，合成表面活性剂泡沫作为 类 泡沫广泛使用。这类泡沫以低倍数应用于油品火灾 的灭火效果不如蛋白泡沫，于是将其发成高倍数泡 沫灭火剂。欧美等发达国家在森林消防领域和市政消防领 域对 类泡沫进行了大量基础研究，我国相应消防 研究机构 也 开 展 了 一 些 应 用 研 究。 譬 如 傅 学 成 等 人在 类泡沫保护和灭火性能评估及其应用技 术的研究中，开发了试验专用的压缩空气泡沫系统， 为基础性研究试验提供具有可控 的 和 可 重 复 的 类泡沫；对使用 类泡沫灭火性能进行量 化 研 究； 建立 类泡 沫 隔 热 防 护 能 力 的 评 价 方 法。 但 是 与 发达国家在城市消防广泛使用 类泡沫相比，我国 使用 类泡沫的实战能力还需要提高。 比如，当结 合压缩空气泡沫空气系统使用 类泡沫时，难以根 据不同的灭火工况调整泡沫的合适状态。 抗溶性泡沫灭火剂（）抗溶性泡沫灭火剂是指用于扑灭水溶性液体燃 料火灾的泡 沫 灭 火 剂。 最 初 使 用 的 是 金 属 皂 类 抗溶性泡沫，现在采用的是多糖类抗溶性泡沫。 常 用的 抗溶性泡沫品 种 包 括合成型抗溶泡沫 （ ）、抗溶性水成膜泡沫（）、 改性 水成膜泡沫（）和 抗溶氟蛋白泡沫（）。目前许多消防工作研究者致力于寻找性能更为 优异的抗溶剂。例如 研制出一种新型水成 （ ）（）式中 为 。 常 采 用 作 为 反 应 的 催 化 剂。这些齐聚物都是多支链的丙烯烃，利用连接双键碳 原子上氟的活性，易与含氮、氧、硫的亲核试剂发生亲核反应生成支链型的含氟表面活性剂。但是支链过多就会影响氟碳表面活性剂的表面活性，难以与 调聚法竞争。需要着眼于改变氟碳表面剂最外层基 团的结构，来提高表面活性能力，并且改进合成方法 来降低成本。 鉴 于 很有可 能在将来还是会 被全面禁止，推广齐聚法是长久之计。（）建立定性与定量相结合的评价标准，来选择 加入哪一种氟碳表面活性剂以及对不同水成膜泡沫 进行灭火性能优劣的排序。氟碳表面活性剂的种类 繁多，但并不是所有种类都能用于水成膜泡沫灭火 剂中。水成 膜 泡 沫 灭 火 剂 性 能 的 主 要 判 据，为 铺展速度、铺展量、发泡倍数、泡沫液析液速度、泡沫 稳定性。对每一种水成膜泡沫灭火剂都要进行上述 五种参数的测量，才能全面评价该种灭火剂的灭火韩 郁 翀：泡 沫 灭 火 剂 的 发 展 与 应 用 现 状膜泡沫稳定剂，它具有类似于 中多糖的抗溶作用，并且在不增加泡沫液粘度和不影响其他性质 的情况下提高了泡沫的抗复燃性能。提供了一种新 的 变为 的转化方法，该 种 泡 沫 无 触变性，并且对极性或者非极性溶剂火灾均有效。总结与展望随着科技的发展、社会的进步以及人们安全意 识的提高，会对消防措施方面提出更高的要求。淘 汰哈龙计划和斯德哥尔摩公约等一系列文件也 表明了科学技术往往是一把双刃剑，高效的哈龙灭 火剂、类氟 碳 表 面 活 性 剂 都 会 给 环 境 带 来 不 可逆转的危害，如何在经济与可持续发展间找到平 衡点仍然任重道远。各国科学家都在致力于研究更高效、更环保、更 低成本的泡沫灭火剂，对于蛋白型泡沫灭火剂，可以 发挥其成本低廉的优势，如利用工业废料等提取水 解蛋白，不仅降低成本更能够保护环境。 对于水成 膜泡沫灭火剂，需要研究 或者 类物质 的降解方法；改进表面活性剂的结构和复配方法、发 展齐聚法；寻找可取代氟碳表面活性剂的新型表面 活性剂。对于 类泡沫灭火剂，可以研究将其与压 缩空气泡沫 灭 火 系 统 联 用 时 的 作 用 机 理 和 性 能 优 化。对于抗溶性泡沫灭火剂，需要对已发现的新型 无触变性抗溶剂进行机理研究。其他新型泡沫灭火 剂如七氟丙烷泡沫灭火剂、压缩氮气泡沫灭火剂有 待进一步的推广；也可以针对具体的灭火条件和使 用范围研制 新 型 泡 沫 添 加 剂、泡 沫 灭 火 系 统 等 等。 相信通过人们不懈的努力，定会涌现出更多的高效 泡沫灭火剂和应用泡沫的新方法。其它新型泡沫灭火剂上述泡沫灭火剂中除化学泡沫灭火剂外，其它 均为空气泡沫灭火剂，泡沫中所含的气体为空气，无 法扑灭或者彻底扑灭自燃物质以及与水反应的物质 的火灾。为了解决这一问题，可以用其它种类的气 体代替空气进行灭火。这种技术在压缩空气泡沫系 统装置中很容易实现，只需要将气体储罐的入口与 压缩机相连，比 如 可 以 使 用 压 缩 和 七 氟 丙 烷 气 体。特别是七氟丙烷气体泡沫灭火剂，它兼具空 气泡沫覆盖隔离和七氟丙烷气体化学抑制的双重功 效，能够很快 扑 灭 环 氧 丙 烷、轻 烃 等 低 沸 点 可 燃 液 体。其它气体代替空气的泡沫灭火技术开发研究时 间较短，可以 进 行 深 入 研 究，研 制 出 更 多 新 型 灭 火 剂，以及确定最佳的混合比、供给强