AFFF（水成膜泡沫灭火剂）在川西高原不同水质环境下的适应性：理化特性及灭火性能研究

《Journal of Molecular Liquids》：Adaptability of AFFF to water quality in the Western Sichuan Plateau: Physicochemical and fire suppression performance

泡沫灭火剂（AFFF）性能受水源类型及水质参数影响，研究采集四川盆地500-4000米12种水源（含自然河水和消防水），系统评估硬度、浊度、离子强度对AFFF发泡能力、泡沫稳定性及灭火效率的影响，发现消防水因低浊度、低离子强度更优，高浊度导致泡沫排水加速，离子强度与表面张力负相关，硬度适中通过离子桥接增强稳定性，过高则降低流体性。研究为复杂水质场景下AFFF应用提供理论依据。

　　

高鹏然|王东升|张松|孔德鹏|张家庆|尚凤菊

中国石油大学（华东）机械与电子工程学院，高端海上油气装备设计与制造山东省重点实验室，青岛266580，中国

摘要

为了研究不同海拔地区各种水源类型对水成膜泡沫的影响，本研究从主要河流通道沿线收集了12种具有代表性的水样，这些水样来自自然水源和消防水源，海拔范围为500至4000米，用于制备AFFF（水成膜泡沫）。系统评估了这些水样的发泡能力、泡沫排水性能和灭火效果。此外，通过对比实验定量分析了水质参数（如硬度和浊度）对泡沫性能的影响机制。研究结果表明，自然水源水和消防用水在水质上存在显著差异，消防用水通常具有较低的浊度、电导率和硬度，这有利于维护消防系统。浊度的增加会引入悬浮颗粒到液膜中，破坏其完整性，抑制泡沫形成并加速排水。离子强度与AFFF溶液的表面张力呈负相关；然而，它最初会增强泡沫形成能力，随后又会抑制这一过程。硬度是影响水质的关键指标，适度的硬度可以通过离子桥接和静电效应提高液膜的稳定性，而过高的硬度可能会降低泡沫的流动性和扩散性能。随着硬度的增加，灭火所需时间也会延长；高硬度会导致泡沫覆盖率和密封能力下降，并减弱冷却效果。本研究为不同地区有效使用AFFF进行火灾扑灭提供了实用指导。

引言

近年来，火灾，特别是B类火灾，对工业设施、环境和公共安全构成了严重威胁[1]。水成膜泡沫（AFFF）因其能够在燃料表面迅速形成泡沫层的同时生成水膜而广泛应用于消防领域，从而有效抑制火灾。通常，泡沫溶液以浓缩形式储存和运输[2]。使用前，必须将AFFF浓缩液按比例与现场水源混合，其最终性能直接影响灭火效率。

目前，关于AFFF的研究主要集中在开发新的环保配方[3]、[4]、[5]、降解特性[6]、[7]、调整不同应用的气液比例[8]、[9]、与特定添加剂的相互作用[10]、[11]，以及研究提高泡沫性能的单一成分（如氟碳化合物和碳氢化合物表面活性剂[12]及泡沫稳定剂[13]等方面。然而，一个常被忽视的重要实际问题是，在实际灭火过程中，尤其是在大规模野火或工业火灾等紧急情况下，用于稀释AFFF浓缩液的水通常不是实验室级别的纯净水，而是直接来自天然水体（如河流、湖泊或现场市政消防管道系统）。这些水源的质量由于地理、环境和人为因素而存在很大差异，影响了硬度、浊度、离子强度等参数。

初步研究表明，水中的无机离子可以与AFFF中的表面活性剂发生相互作用[14]，可能改变溶液的物理化学性质，影响其发泡能力、稳定性和整体灭火效果。例如，Angarska等人发现高价无机盐离子对泡沫性能有显著影响[15]。Dong等人报告称，Mg²⁺对泡沫的影响大于Na⁺，从而提高了泡沫稳定性[16]。Amani观察到无机盐不仅影响表面活性，还能通过减少双电层间的排斥力和增加粘度来显著改善泡沫性能[17]。总之，现有研究主要集中在改进AFFF配方或研究单一无机盐在实验室条件下的影响，缺乏关于AFFF在真实复杂水质环境（尤其是涉及不同海拔梯度的水源）下性能的系统性和定量研究。因此，使用理想纯净水优化的AFFF配方在复杂实际水环境中可能会表现不佳，从而延迟紧急情况下的有效灭火。

因此，为填补这一研究空白，本研究旨在探讨不同水质条件对AFFF关键性能参数的影响。从四川西部高原海拔500至4000米处收集了12种水样，包括自然河水和典型消防用水，以模拟实际灭火场景。定量评估了水硬度、浊度和离子强度对AFFF性能的影响机制。通过测量不同水样制备的AFFF溶液的关键参数（包括表面张力、初始泡沫高度和排水时间），并结合灭火性能测试来进行评估。本研究的结果将为AFFF在现实世界中的高效可靠应用提供重要数据和理论支持。

实验材料

本研究使用的成膜泡沫溶液（AFFF）是由郭安达有限公司（中国厦门）提供的1%浓度产品，其主要成分包括氟碳化合物和碳氢化合物表面活性剂，以及溶剂和其他添加剂。详细信息见表1。每次实验前，按照制造商的说明，将一份泡沫浓缩液与九十九份去离子水混合制备新鲜溶液。

水质分析

分析了12个现场水样的离子组成，包括主要阳离子Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺，以及阴离子HCO₃^?和SO₄^2?。同时测量了电导率、浊度和pH值以表征整体水质。为了实验需要，每个水样依次编号为1至12组，去离子水作为对照组，编号为0。

第1、3、5、7和11组的水样来自不同的主要河流

结论

本研究系统地研究了从四川西部高原海拔500至4000米处收集的12个现场水样制备的AFFF的基本性质和灭火性能，重点关注了离子强度、浊度和硬度等关键水质参数的影响。主要结论如下：

(1)

自然水源水和消防用水之间存在显著差异；后者通常表现出更低的

作者贡献声明

高鹏然：撰写——初稿，正式分析。王东升：撰写——审阅与编辑，验证，方法学。张松：数据管理。孔德鹏：项目管理，资金获取，数据管理。张家庆：监督。尚凤菊：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省泰山学者计划（tsqn202408092）和山东省自然科学基金（编号ZR2025QA18和ZR2023YQ044）的财政支持。