基于表面活性剂界面优化的高性能海水基压缩空气泡沫灭火剂增强设计

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Design of high-performance enhancement of seawater-based compressed air foam extinguishing agent based on the interface optimization of surfactants

泡沫灭火剂在海水中的性能优化研究。提出两性氟碳/烃类表面活性剂（FS-50/CAPB）协同策略，通过阴离子和阳离子亲水基团优化气液界面排列，增强界面极性和盐离子抑制效果，显著提升泡沫稳定性与灭火效率。实验表明海水基灭火剂可缩短灭火时间53%（40秒），延长烧回时间4.7%（25.12分钟），排水时间提高73.3%（3.14分钟），表面张力17.23 mN/m，初始泡沫高度153 mm，单层囊泡结构稳定性优异。

　　

苟汉文|陶九龙|陈寅昌|严丽梅|赵尊|鲍志明|张先中|景丽帅|杨慧|程旭东|潘月雷

中国应急管理部工业与公共建筑消防技术重点实验室，天津 300381

摘要

在海洋环境中，海水中高浓度的无机盐会对泡沫灭火剂的发泡性能和稳定性产生不利影响。Na⁺、Mg²⁺和Ca²⁺等阳离子会干扰表面活性剂分子，降低发泡效率和灭火效果。本文提出了一种策略，通过利用两性氟碳/碳氢表面活性剂（FS-50/CAPB）的阴离子和阳离子亲水基团来优化其界面排列。这种方法增强了界面吸附过程，提高了界面极性，有效抑制了盐离子的干扰，并改善了泡沫膜的稳定性。实验结果表明，FS-50/CAPB复合溶液在海水中表现出17.23 mN/m的表面张力、153毫米的初始泡沫高度，并具有优异的疏水性单层囊泡结构。与商业泡沫灭火剂相比，这种新型海水基泡沫灭火剂可将灭火时间缩短53%（40秒），延长回燃时间4.7%（25.12分钟），并提高排水时间25%（3.14分钟）。这些结果表明其灭火性能显著提升，为海洋作业和淡水资源有限的地区提供了有价值的替代方案。

引言

泡沫灭火剂作为一种高效的灭火介质，广泛应用于石油火灾、工业火灾和海洋火灾等场景[1]。压缩空气泡沫系统（CAFS）是一种连续向泡沫灭火剂中注入压缩空气以生成相对较小且均匀尺寸泡沫的装置，从而达到最佳的灭火效果[2][3][4]。压缩空气泡沫被认为是扑灭液体火灾最有效的灭火剂。负压泡沫系统的效果不如压缩空气泡沫，因为它产生的泡沫结构不够均匀。压缩空气泡沫还能在燃料表面形成一层泡沫，减少火焰辐射和与燃料的接触，并降低燃料温度[5][6]。在实际应用中，泡沫灭火剂以泡沫浓缩液的形式运输和储存，需要时用水稀释至适当浓度。在许多操作环境中，泡沫浓缩液用淡水稀释。然而，在沿海地区、岛屿和海水稀缺的海域，由于经济和实用性的考虑，通常使用海水进行稀释。

海水中高浓度的无机盐离子对传统泡沫灭火剂的性能构成了重大挑战。先前的研究发现，用海水稀释传统泡沫会负面影响其发泡性能、泡沫稳定性和灭火效果[7][8][9][10][11][12]。Curtis等人发现，高浓度的无机盐会破坏蛋白质的水合层和胶体性质，增加蛋白质解离，导致盐析现象和蛋白质残留物的形成[13]。这大大降低了FP蛋白泡沫灭火器的灭火效果。Zhang等人[14]发现，用于B类火灾扑灭的硅合成泡沫液效果不佳，因为其中的硅成分容易水解且保质期短，无法满足需要长期储存的海洋环境的需求。Dlugogorski等人[15]结合了灭火实验结果和表面活性剂的离子化模型，发现海水中的无机盐会使水成膜泡沫（AFFF）溶液中的氟碳/碳氢表面活性剂的磺酰胺或胺基团去质子化，导致沉淀和AFFF失效，从而影响其灭火和回燃性能。这些效应与盐的类型和表面活性剂密切相关。Li Huan等人[16]（2023年）系统评估了各种盐离子对多种AFFF配方界面性质和灭火性能的影响，确定了Ca²⁺/Mg²⁺离子在降低AFFF效果中的关键破坏作用。然而，他们没有深入探讨这些离子与不同类型表面活性剂之间的分子级竞争吸附机制。这些研究表明，海水中无机盐离子主要通过诱导表面活性剂沉淀、破坏界面吸附层和加速液膜排水等机制显著降低了泡沫的发泡能力、稳定性和灭火性能。因此，迫切需要开发一种新型的海水基压缩空气泡沫灭火剂，以提高沿海地区和岛屿的消防安全。

迄今为止，已有一些研究致力于探索提高泡沫灭火剂与海水兼容性的方法[17][18][19][20][21]。早期研究就认识到了碳氢表面活性剂和氟碳表面活性剂之间的协同效应，包括Ratzen在FAA关于灭火泡沫剂的综合报告中的工作[22]。Yu等人[23][24]发现，增加泡沫溶液中的表面活性剂浓度可以促进表面活性剂晶体的形成，从而阻塞气液通道并减少沉淀，最终提高泡沫稳定性。然而，海水的存在显著削弱了泡沫溶液的发泡性能。Clark和Kleiner[25]发现，在海水条件下添加2-(2-甲基)乙醇（DEGME）可将泡沫沉淀速率从30秒降至4秒。Pugh等人[26]发现，将泡沫溶液的pH值调整到接近离子化常数（pKa）的水平，可以增加气液界面上碳氢链的堆积密度。这一现象归因于离子-偶极相互作用的产生，从而提高了泡沫灭火剂在海水中的性能。尽管上述方法在一定程度上提高了泡沫灭火剂在海水条件下的稳定性和性能，但大多数研究主要集中在提高泡沫稳定性上，而忽略了发泡性能。此外，一些研究仅限于描述泡沫的物理化学性质，缺乏对其实际灭火性能的验证。此外，对气液界面上表面活性剂分子排列结构及其与盐离子相互作用机制的深入探索也不足。

本文针对海洋环境中现有泡沫灭火剂的不足——特别是其发泡效果和灭火效率低下——提出了一种优化气液界面表面活性剂排列结构的策略。通过比较去离子水和海水中泡沫溶液的表面张力、初始泡沫高度、破乳时间、气泡大小随时间的变化、泡沫动力学和泡沫胶束结构，验证了这种优化策略的可行性。研究还揭示了海水中无机盐对泡沫性能的影响模式。最终，设计并测试了一种新型的海水基压缩空气泡沫灭火剂，其灭火性能符合国家标准。这项研究为消防安全领域做出了重要贡献，特别是在淡水资源有限的地区（如沿海地区、岛屿、海洋作业和其他偏远地区）。

材料

两性氟碳表面活性剂Capstone FS-50（纯度30%）购自杜邦公司。其全氟基团仅包含六个碳原子，因此在高温下不会分解为全氟辛烷磺酸（PFOS），从而表现出对环境友好的特性[27][28][29]。此外，由于缺乏易于水解的基团（如酰胺基团），使其适合长期储存在海水中。

海水对泡沫溶液性质的影响

如图3a和3b所示，在海水条件下，FC表面活性剂溶液的表面张力和初始泡沫高度分别为17.23 mN/m和153毫米，与淡水条件相比，FC表面活性剂溶液的初始泡沫高度降低了11.56%，在三种溶液中降幅最小（CAPB：14.62%；FS-50：17.65%）。这表明FC表面活性剂溶液中的CAPB和FS-50在对抗不利影响方面具有协同作用。

结论

总之，本文研究了现有泡沫灭火剂在海水中发泡效果不足和灭火效率低的问题。通过在0.25平方米（直径0.56米）的圆形燃烧盘中进行实验室规模的灭火实验，使用9升正庚烷作为燃料，探讨了具有阴离子和阳离子亲水基团的两性氟碳/碳氢表面活性剂分子的潜力，并提出了一种优化策略。

CRediT作者贡献声明

苟汉文：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法论，概念化。 陶九龙：撰写 – 审稿与编辑，可视化，调查。 陈寅昌：撰写 – 审稿与编辑，验证，调查。 严丽梅：验证，资源提供。 赵尊：数据管理。 鲍志明：数据管理。 张先中：项目管理。 景丽帅：调查。 杨慧：资源提供。 程旭东：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52374238、52104226、52074253、U2233202）、青年创新促进协会（编号：CX2320007001）、中央高校基本科研业务费（编号：WK2320000058）、应急管理部工业与公共建筑消防技术重点实验室（编号：2022KLIB02）以及安徽省高校协同创新计划（编号：GXXT-2022-018）的财政支持。