Застосування хімічної модифікації води для отримання водяного потоку певної дисперсності

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Застосування хімічної модифікації води для отримання водяного потоку певної дисперсності

О.В. Тарахно, канд. техн. наук, доцент, УЦЗУ,

(представлено д-ром наук )

В роботі розглянуто питання збільшення вогнегасної ефективності води, забезпечення необхідної дисперсності крапельного потоку за рахунок утворення емульсії рідких пропелентів у воді. Розглянуто фізико-хімічні аспекти утворення та стабілізації емульсій рідких вуглеводів у воді. Запропоновано ряд речовин, які можуть використовуватися як пропеленти.

Постановка проблеми. Вода - традиційно найпоширеніша, дешева і екологічно безпечна вогнегасна речовина. Проте, більшість сучасних технічних засобів забезпечує використання тільки 510% поданої води безпосередньо на гасіння пожежі. Фактично 9095% води при цьому можна вважати надмірно пролитою. Часто збиток від надмірно пролитої води завдає більшого збитку, ніж сама пожежа, тому актуальним є питання підвищення коефіцієнту використання води під час гасіння пожеж.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. На теперішній час існує багато теоретичних та технічних рішень, направлених на підвищення ефективності використання води, основним із яких є отримання потоку певної дисперсності [1-3]. Переваги тонко розпиленої води (ТРВ) стають наявними при діаметрі крапель менше за 300 мкм. При цьому реалізується принцип гасіння, за якого на поверхні матеріалу не утворюється шар води, а дрібні краплі повністю або частково випаровуються безпосередньо у полум'ї. При цьому відбувається інтенсивне охолодження зони реакції, що призводить до припинення горіння. Крім відбору тепла від полум'я та поверхні палаючого матеріалу, при випаровуванні дрібних крапель виділяється велика кількість пари, що зменшує об'ємну концентрацію кисню, тим самим додатково гальмуючи процес горіння. Дрібні краплі екранують теплове випромінювання полум'я та не дозволяють розвиватися новим осередкам пожежі. Також ТРВ спроможна поглинати (адсорбувати) сажу, шкідливі гази та інші дрібні частки. Необхідна дисперсність водяного потоку визначається параметрами горіння, видом горючої речовини та умовами гасіння [4]. Існуючі методи подрібнення водяного потоку потребують складної технічної реалізації та складні у застосуванні [5].

Постановка завдання та його вирішення. В роботі пропонується використання хімічної модифікації води за допомогою додаванням до води пропелентів - інертних хімічних речовин, за допомогою яких створюється надлишковий тиск, що забезпечує диспергування активного складу в атмосфері. Утворення дрібнодисперсного потоку за допомогою низькокиплячих нерозчинних добавок засновано на використанні ефекту перегріву добавки, що призводить до вибухового пароутворення та подрібнення краплі-носія цієї добавки, сприяючи більш інтенсивному випаровуванню частинок краплі та зриву полум'я. У порівнянні з іншими способами отримання тонкодисперної води, отримання необхідної дисперсності за допомогою добавок є найбільш дешевим та простим з точки зору технічної реалізації. пропелент дисперсність водяний потік

Вибір речовин в якості добавки є важливим питанням, так як вона повинна забезпечувати екологічну безпеку та підвищену ефективність гасіння водою. До пропелентів висуваються наступні вимоги:

температура кипіння цих речовин повинна бути нижча за температуру кипіння води, однак через те, що краплина води під час прольоту через полум'я не встигає нагрітися до температури кипіння, то для розриву краплі дисперсійного середовища на певному етапі температура кипіння добавки не повинна перевищувати 80 С;

пропеленти повинні мати низьку теплоту пароутворення, щоб при нагріванні швидкість його випаровування була достатньою для розриву краплини води у певний період проходження крізь зону горіння;

для попередження руйнування емульсії ці речовини повинні бути нерозчинні у воді.

Як пропеленти можуть використовуватися низькокиплячі рідкі вуглеводні та галоїдовуглеводні. Вуглеводні, незважаючи на відносну екологічну безпеку, є горючими речовинами, що негативно впливає на вогнегасну ефективність води з такими добавками. Перевагою у використанні галоїдовуглеводнів є те, що вони хімічно втручаються у процес гасіння, тобто до охолоджуючої дії води додається інгібіруючий вплив пропеленту. Однак, більшість існуючих бром- та хлорвмісних галогенвуглеводнів є токсичними та озоноруйнуючими. Тому пропонується як пропелент використовувати йодований метил або йодований етил. Йодвмісні речовини не впливають на озоновий шар та практично не токсичні для людини.

Водонерозчинні рідини з водою утворюють гетерогенну систему - емульсію. Емульсії рідких вуглеводнів у воді відносяться до прямих емульсій та належать до ліофобних систем [6]. Поняття ліофобності дисперсних систем розглядається як синонім їх термодинамічної нестійкості. Основними факторами, які обумовлюють нестійкість емульсій є

седиментація - сплиття або осідання крапель дисперсної фази;

коагуляція - утворення агрегатів частинок дисперсної фази;

коалесценція - злиття дрібних крапель у великі.

Тому такі системи без стабілізаторів є нестійкими. Стабілізаторами (емульгаторами) звичайно служать поверхнево-активні речовини (ПАР), які адсорбуються на поверхні розділу двох рідких фаз, знижуючи значення поверхневого натягу у на межі розділу. При цьому вуглеводневі радикали ПАР орієнтовані у водонерозчинну фазу пропеленту, що додається, а гідрофільна частина - у дисперсійне середовище - воду. При цьому молекули ПАР знижують міжфазне натяжіння, що обумовлює більш інтенсивне диспергування пропеленту та отримання вкраплень меншого розміру, які седиментують повільніше згідно до закону Стокса [7]:

,

де U - швидкість седиментації; r - радіус частинки; с1 та с2 - густина дисперсної та дисперсійної фаз; з2 - в'язкість дисперсійної фази.

Добавка ПАР в систему оказує подвійну дію на процес емульгування. По-перше, вони покращують диспергування, а чим більша дисперсність емульсії, тим система є більш кінетично стійкою. По-друге, молекули ПАР утворюють захисний шар на поверхні дисперсної фази, який не дає частинкам наблизитися одна до одної на відстань, за якої між ними виникають сили взаємодії, тим самим перешкоджаючи коалесценції [8].

Завдяки високій густині водної емульсії можлива подача її в осередок пожежі у вигляді суцільних струменів або крупнодисперсного потоку. Це дуже важливо через те, що при подаванні відразу дрібнодисперсного потоку на гасіння дрібні краплі (< 0,1 мм) вогнегасного засобу виносяться із зони горіння висхідними потоками гарячих газів.

Дисперсність водяного потоку регулюється шляхом зміни дисперсності добавки та зміною концентрації дисперсної фази емульсії. Дисперсність добавок вимірюється оптичними методами, а саме опалесценцією - виникненням мутної світлової смуги при пропусканні світла крізь колоїдну систему. Зменшення розмірів частинок послаблює мутність. Оскільки інтенсивність розсіювання світла пропорційна квадрату об'єму частинки, а V ~ r3, то Іроз пропорційна r6 . Таким чином, якщо при інших рівних умовах, у тому числі при незмінній частковій концентрації, лінійний розмір частинок збільшується у два або три рази, то мутність колоїдного розчину зростає в 64 і в 729 разів відповідно. Однак інтенсивність розсіювання світла збільшується при збільшені розміру частинки до r ? 300 нм і складає, приблизно, Іроз = 4, а при подальшому збільшені розміру дисперсної фази інтенсивність розсіювання падає.

Висновок

У порівнянні з іншими способами отримання тонкодисперної води, отримання необхідної дисперсності за допомогою добавок є найбільш простим з точки зору технічної реалізації та дешевим способом. Однак отримання емульсії води та добавок викликає деякі труднощі. Використання поверхнево-активних речовин дозволяє стабілізувати емульсію на тривалий час, що дуже актуально для пожежно-рятувальних підрозділів, де пожежна техніка працює в режимі очікування. Вибір речовин в якості добавки є важливим питанням, через те, що така добавка повинна забезпечувати екологічну безпеку та підвищувати ефективність гасіння водою. Емульгатор також повинен відповідати певним вимогам: не погіршувати ефективність дії добавки при розриві каплі, при термічному розкладі не виділяти шкідливих речовин та стабілізувати емульсію щонайбільш довгий час.

Литература

1 Цариченко С.Г. Состояние вопроса использования тонкораспыленной воды при тушении пожаров, "Алгоритм безопасности", № 2, 2003. - С. 14-16.

2 Безродный И.Ф., Шариков А.В., Кузьмин В.Г. Тушение пожаров водой аэрозольного распыла // Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений. Материалы Х Всесоюзной научно-практической конференции. М. 1990. - С. 160-162.

3 Ramsden N. Water mist - a status update. // Fire Prev. -1996, №287. - P. 16-20.

4 Тарахно О.В., Кустов М.В. Визначення необхідної дисперсності краплинного потоку води залежно від умов горіння горючих рідин // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: АГЗУ, 2006. - Выпуск 19. - С. 149 - 153.

5 Д.Г. Пажи, В.С. Галустов. Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984.

6 Мчедлов-Петросян М.О. Основи колоїдної хімії: фізико-хімія поверхневих явищ і дисперсних систем. Підручник - Х.: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2004. - 300с.

7 Дерягин Б. В. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.

8 Абрамзон А. А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. Л. , „Химия”, 1975.

Размещено на Allbest.ru