ОГНЕТУШАЩИЙ РАСТВОР И СПОСОБ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА С ПОМОЩЬЮ ЭТОГО РАСТВОРА

Предлагаемое изобретение относится к пожаротушению и может быть использовано для тушения пожаров класса А (твердые горючие вещества и материалы), а также лесных и торфяных пожаров.

В настоящее время для тушения подстилочно-гумусовых и торфяных пожаров применяются различные пенообразователи и поверхностно-активные вещества (НП-1, ОП-7, ОП-10, некаль, растворы гумусовых веществ, которые содержатся в торфе и экстрагируемые из него растворы щелочи аммиака). Многолетняя практика их применения показала, что наибольшей огнестойкостью отличается торф, обработанный растворами боратов, фосфатно-аммонийных солей, альгинатом натрия и пеной с добавкой диаммоний фосфата или альгината натрия. Однако большинство из этих препаратов эффективны только для тушения торфяных массивов при подаче наземным способом либо создания влажных заградительных полос, кроме того, данные огнетушащие вещества обладают малой химической огнетушащей емкостью и эффективны только в течение короткого времени (до дождя).

Известны составы на основе воды с добавками различного назначения для тушения пожаров.

Например, в патенте РФ №2209645 описан огнегасящий состав, который содержит галоидоуглеводород - бромистый этил, стабилизаторы - талловый пек и гидроксид аммония при следующем соотношении компонентов: бромистый этил 10-20 мас.%, талловый пек 0,1-0,2 мас.%, гидроксид аммония 0,45-1,0 мас.%, вода - остальное.

Недостатком данного состава является малая огнетушащая емкость и небольшая эффективность.

В патенте РФ №2310421 описан способ тушения пожара путем подачи в очаг пожара насыщенной углекислым газом воды. Воду насыщают до массовой концентрации газа 2÷6%, после чего газожидкостную смесь замораживают до температуры -15÷-20°C, формируя брикеты массой 4÷12 кг, которыми накрывают очаг пожара. Данный способ очень сложен в применении и недостаточно эффективен.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является огнетушащий раствор по патенту РФ №2262367.

Известный раствор содержит молотую глину, молотый асбест, хлорид натрия и воду. Сочетание компонентов в определенном соотношении обеспечивает получение эффективного, недорогого и удобного при эксплуатации водного состава.

Недостатками известного состава являются:

- недостаточная огнетушащая эффективность при тушении лесных и торфяных пожаров;

- возможность подачи только путем сброса (слива);

- неспособность подавить тлеющие очаги горения лесной подстилки и тем более торфяных массивов;

- в силу фракционного состава и структуры огнетушащего раствора невозможность его применения в ранцевых установках пожаротушения;

- сложность получения готового раствора (требуется механизированный способ приготовления).

Задачей, решаемой в данном изобретении, является повышение огнетушащей эффективности, универсальности по способам подачи в очаг пожара и экономичности огнетушащего раствора и способа тушения пожара с его помощью.

С этой целью предлагается огнетушащий раствор готовить на основе солей борной и/или фосфорной кислоты, а также карбонатов кальция и/или магния в чистом виде или в виде горных пород или промышленных отходов, их содержащих, причем pH раствора равно 6,5-10,3.

Флегматизирующее и изолирующее действие этих веществ достигается за счет того, что в результате физико-химических процессов происходит выделение углекислого газа. Кроме этого, при попадании предлагаемого огнетушащего раствора на поверхности образуется прочный наноразмерный защитный слой, состоящий из соединений бора и оксида кальция, который можно разрушить только механически.

Также химическое торможение реакции горения происходит благодаря тому, что большое количество энергии расходуется на разрушение межмолекулярных связей карбонатов кальция и/или магния при их термическом разложении.

Дополнительными отличиями предлагаемого нами огнетушащего раствора являются:

- предпочтительно, pH раствора равно 9-9,5;

- в одном из вариантов, огнетушащий раствор содержит воды 1 м³, тетрабората натрия 10,1 кг, карбоната кальция 1,6 кг;

В предлагаемом способе тушения пожара, включающем распыление огнетушащего раствора над очагом пожара, предлагается использовать раствор, содержащий соли борной и/или фосфорной кислоты, а также карбонаты кальция и/или магния в чистом виде или в виде горных пород или промышленных отходов, их содержащих, причем pH раствора находится в пределах от 6,5 до 10,3.

Дополнительными отличиями способа являются:

- предпочтительно, pH раствора находится в пределах 9-9,5;

- в одном из вариантов, огнетушащий раствор содержит воды 1 м³, тетрабората натрия 10,1 кг, карбоната кальция 1,6 кг;

- подают огнетушащий раствор в очаг пожара путем распыления с помощью специализированной авиатехники;

- подают огнетушащий раствор в очаг пожара путем слива или сброса с помощью специализированной авиатехники.

Предлагаемый огнетушащий раствор и способ его применения обладают следующими преимуществами:

- высокой разбавляющей способностью, поскольку при испарении воды образуется большое количество пара и негорючих газов, образующихся в процессе разложения веществ, входящих в состав раствора;

- химической нейтральностью по отношению к строительным, конструкционным, отделочным и другим материалам;

- универсальностью по способам подачи и возможностью применения для тушения пожаров большинства классов, прежде всего пожаров класса A и B;

- экологической безопасностью, так как в процессе тушения не образуется экосистемных ядов, остаются только карбонаты кальция и/или натрия, являющиеся породообразующими солями.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. За основу буферного раствора берется вода. Для повышения огнетушащей эффективности ее подвергают химической модификации, а именно создают буферный раствор с использованием, например, тетрабората натрия (буры), чтобы сместить кислотность раствора до создания слабощелочной среды. Создание такой среды необходимо для наилучшего растворения в ней мела (CaCO₃), с которым происходит следующее: при смещении кислотности в сторону щелочной среды карбонат кальция переходит в гидрокарбонат кальция, который гораздо лучше растворим в воде.

Состав предлагаемого буферного раствора будет такой: Na₂B₄O₇*10H₂O+CaCO₃. Данный буферный раствор обладает следующими свойствами: доступность и дешевизна, а также повышенный огнетушащий эффект. При воздействии данным раствором на очаг горения будут происходить сразу несколько реакций: CaHCO₃ будет диссоциировать в воде на Ca(OH)₂ и H₂CO₃, который тут же будет разлагаться на H₂O и углекислый газ (является ингибитором горения), а Ca(OH)₂ под действием температуры разлагается на CaO и воду, затрачивая на это энергию и охлаждая, тем самым, зону горения, что препятствует дальнейшему распространению пожара.

Для того чтобы создать буферный раствор с необходимым уровнем pH, необходимо было рассчитать, при каком значении максимальное количество CaCO₃ переходит в CaHCO₃.

При изменении pH в растворе слабой двухосновной кислоты равновесия диссоциации кислоты смещаются в ту или иную сторону, при этом изменяются концентрации недиссоциированных молекул H₂An и анионов HAn^- и An^-2.

Если известен pH раствора и концентрация ионов водорода [H⁺], то оказывается удобным рассчитать доли форм диссоциации двухосновной кислоты a₀, a₁, a₂:

где C_H2An, C_HAn-1, C_An-2 - концентрации ионов водорода в растворе.

Подставив значения K₁ и K_общ в уравнение материального баланса, получим концентрацию недиссоциированных молекул H₂An:

и отсюда найдем

Аналогично найдем

Эти уравнения позволяют рассчитать долю той или иной формы диссоциации двухосновной кислоты при любой концентрации ионов водорода в растворе. Зная эти доли и C_H2An, легко рассчитать и концентрации [H₂Аn], [НАn^-] и [An^-2].

Отметим, что в сильнокислых растворах, когда [H+]>K₁, a ₀=1. Это видно из уравнения для расчета a ₀. При повышении pH доля уменьшается и увеличивается доля a ₁.

Это условие следует из уравнений для расчета a ₀ и a ₁. При дальнейшем повышении pH a ₀ продолжает уменьшаться, a ₁ - увеличиваться и достигает максимума при

При дальнейшем росте pH доля a ₁ начинает уменьшаться, а доля a₂ - увеличиваться. При pHpK₂ наступает равенство: a ₁=a ₂. Это следует из уравнений для расчета a ₁ и a ₂. При дальнейшем увеличении pH доля a ₁ продолжает уменьшаться, а доля a ₂ - повышаться. Таким образом, зная pH в растворе, содержащем двухосновную кислоту, можно определить, какая из форм кислоты преобладает в растворе: недиссоциированная кислота, диссоциированная по I ступени или диссоциированная полностью. Также можно узнать, при каких значениях pH в растворе находятся две формы кислоты в сравнимых концентрациях. Так, при pH от 1 до 5 в растворе преимущественно находится недиссоциированная H₂CO₃, при pH от 7 до 9 - HCO₃, при pH от 11 до 13 - CO₃ ^-2.

Сопоставляя результаты несложного расчета мольных долей анионов и при заданных значениях pH, можно констатировать, что мольная доля максимальна в интервале pH 7-10, а - при pH более 12.

Согласно проделанным расчетам было определено, что для получения максимально насыщенного раствора CaHCO₃, необходимо создать уровень кислотности раствора от 6,5 до 10,3. При соблюдении этих условий будет достигаться максимальный огнетушащий эффект, т.к. энергия, выделяемая очагом пожара, будет расходоваться на разложение большего количества Ca(OH)₂.

Таким образом, огнетушащий эффект достигается методом охлаждения (выделяемой в результате нагрева очагом пожара буферного раствора водой), разбавления (выделяемым в результате нагрева очагом пожара буферного раствора углекислым газом), а также химическим торможением реакции горения, т.к. большое количество энергии расходуется на разрушение межмолекулярных связей CaHCO₃.

Предлагаемый способ тушения позволяет тушить большие площади пожара с помощью специализированной авиатехники (например: авиалесоохрана: АН-2, МИ-8; МЧС - амфибии и Ил-76ТД) и применяемый состав позволяет повысить огнетушащую эффективность и время тушения в несколько раз при меньшем удельном расходе. Это достигается за счет того, что образовавшийся в воде гидрокарбонат кальция разлагается на наночастицы оксида кальция, при этом на зону горения оказывается охлаждающее действие, происходит в результате физико-химических процессов выделение углекислого газа, тем самым оказывается флегматизирующее и изолирующее действие. Соединения бора оказывают мощное ингибирующее действие. Кроме этого, при попадании предлагаемого огнетушащего раствора на поверхности образуется прочный наноразмерный защитный слой, состоящий из соединений бора и оксида кальция, который можно разрушить только механически.

При применении предлагаемого раствора для тушения лесных массивов и торфяников любым способом подачи в очаги горения сразу начинают работать четыре основных механизма тушения, а именно охлаждение, изоляция, разбавление и ингибирование протекающих реакций. Данные механизмы тушения реализуются благодаря компонентам предлагаемого состава. Кроме того, в связи с тем, что состав имеет высокую степень pH и добавки, ингибирующие процессы гетерогенного горения, он способен проникать за очень короткое время по сравнению с водой в толщу лесной подстилки и/или торфяного массива и ликвидировать и, в дальнейшем, не допускать возникновения гетерогенных очагов горения (очагов тления).