Твердая пена против огня

Вездеход, оборудованный для тушения пожаров с использованием твердеющей пены. Источник: Александр Виноградов / Университет ИТМО

Как российские химики стали революционерами в деле пожаротушения

Ярослав Рыбаков

14 июля, 2015 13:08

13 мин

Пожаротушение — сфера сложная и ответственная, и тем удивительнее кажется то, как медленно развиваются технологии в этой области. Гасящие пены, использование которых началось более века назад, мало изменились за прошедшее время — но, возможно, скоро в этой области начнется настоящая революция. Во всяком случае, новая разработка петербургских химиков Университета ИТМО и НПО «СОПОТ» выглядит революционной со всех сторон, начиная от идеи и заканчивая экологической безопасностью. Заместитель руководителя лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» Университета ИТМО Александр Виноградов ответил на вопросы «Русской планеты».

— Александр, откуда взялась сама идея создания новой пожаротушащей пены? Из ваших занятий химией, из заказа со стороны бизнеса или как-то иначе?

— Тут понадобится небольшой экскурс в текущую ситуацию на рынке тушащих материалов. Такие материалы всегда следует оценивать по трем основным параметрам: эффективность и универсальность тушения различных материалов, включая твердые и жидкие горючие материалы; стоимость самой пены; наконец, экологическая безопасность применения. И если разобрать все эти параметры в комплексе, то мы увидим, что сам по себе рынок огромен, но при этом достаточно беден в плане выбора. По-настоящему универсальных, эффективных и безопасных противопожарных пен в мире не так уж и много.

Россия в этом плане является очень интересным рынком. Наши крупнейшие потребители, нефте- и газодобывающие гиганты, используют установки и технические средства пожаротушения, поставленные из США и предназначенные для работы со смесями на основе фторсодержащих синтетических пенообразователей (AFFF). Действительно, по способности локализовать и ликвидировать очаг возгорания AFFF являются наиболее эффективными среди всех аналогичных препаратов. С другой стороны, их приходится закупать в той же Америке либо в готовом виде, либо в форме сырья. А главное, AFFF токсичны и крайне негативно влияют на состояние окружающей среды.

Период их полураспада в природе составляет не менее 40 лет. Продукты полуразложения фторсинтетики накапливаются в растениях и животных, попадают в организм человека. Коротко говоря, использовать пены на основе AFFF нельзя, если только затем не проводится целый комплекс мер по утилизации остатков и восстановлению экосистем.

Поэтому и в самих США, и в Европе еще несколько лет назад была принята конвенция, запрещающая использовать фторсинтетические препараты. Применение AFFF фактически остановлено повсеместно, но до сих пор разрешено в России. В остальных же странах пошли по пути запрещения AFFF, там используют аналогичные препараты — пусть не столь эффективные, но зато не такие опасные.

Так что когда в прошлом году мы открыли в ИТМО свою лабораторию и познакомились с компанией «СОПОТ», задача возникла практически сама собой. Компания эта является крупнейшим разработчиком средств пожаротушения и лидером в сфере производства пеногенерирующих устройств, активно действует не только в России, но и на некоторых зарубежных рынках, например в Китае и на Кубе. У них есть собственный штат сотрудников, которые разрабатывают и внедряют новые технологии в этой области.

Однако собственных препаратов-пенообразователей «СОПОТ» не разрабатывает и не выпускает. Поэтому, когда наша команда химиков пообщалась с коллегами из этой компании, мы сразу обратили внимание на то, что все существующие пенообразователи — а производство их ведется уже больше 100 лет — являются производными органических веществ.

Микроструктура кремнеземной пены. Источник: Александр Виноградов / Университет ИТМО

С точки зрения термодинамики связи углерод–углерод, углерод–водород и другие имеющиеся в органических соединениях при высоких температурах нестабильны. Невозможно, чтобы они сохранились целыми при нагревании выше 300 °С, зато неорганические вещества дают в этом смысле куда большую свободу. Так что мысль попробовать неорганическую пену возникла практически сразу.

— И как в итоге выглядит такая пена? Что она собой представляет?

— Наш материал — двухкомпонентный, состоящий из самого обычного пенообразователя, плюс новая композиция на основе наночастиц кремнезема, которая обеспечивает затвердевание пены, переводя ее в керамическую фазу.

Кремнезем — это обычный оксид кремния (IV), который знаком всем, например, в форме кварца. Его частицы способны полимеризоваться за считанные секунды (мы можем варьировать это время в пределах от 5 до 30 секунд) и заставляют пену довольно крепко фиксироваться на любой горящей поверхности. Эксперименты показали, что наша пена способна закрепляться даже на обычном полированном стекле и твердеть, превращаясь в нечто вроде пористой керамической губки, которая надежно изолирует поверхность от огня и высоких температур. Ничего подобного прежде не предлагалось и близко — и ничего подобного не получалось ни у кого.

Эффективность пожаротушения такой пеной легко понять. Представьте себе, что у вас горит помещение, и вы обливаете обычной тушащей пеной стены и потолок. Пена быстро стекает вниз, на вертикальных поверхностях задерживается не больше 5%, и даже если вы погасите эти поверхности, вскоре они рискуют загореться вновь. Пожарникам приходится снова и снова «проливать» здание. Твердеющий эффект здесь может сыграть ключевую роль.

— Как развивается процесс образования такой твердой пены?

— Представьте: у нас есть первый компонент, который отвечает собственно за образование пены, множества наполненных воздухом пузырьков. Второй компонент вводится в первый инжекционно, непосредственно перед подачей на горящую поверхность, и заставляет пену затвердевать.

Итак, пена поступает на горящий объект, температура которого многократно превышает ее собственную. В результате она резко его охлаждает — до температуры ниже стадии пиролиза — и через пару секунд отвердевает, не позволяя развиться повторному возгоранию. Грубо говоря, мы окутываем горящий объект «керамической шубой». В сравнении с той же AFFF эффективность у нас оказывается выше более чем в 20 раз.

Слева — полевые испытания новой тушащей пены, справа — полимеризация ее микроструктуры. Источник: Александр Виноградов / Университет ИТМО

В отличие от обычных пен, которые из-за громадных температур испаряются в считанные секунды, наш вспененный кремнезем не разрушается. При испарении воды кристаллизация аморфных частиц кремнезема лишь усиливается, кристаллический каркас уплотняется — и пена, как кирпич в промышленной печи, становится лишь прочнее и надежнее защищает наш объект.

— Но что останется в итоге такого тушения? Негорящая, но в целом бесполезная глыба твердой пены?

— Хотя мы говорим о затвердевании, полимеризованная пена не является твердой в бытовом понимании этого слова. Скорее, она напоминает гель, который в принципе можно удалить с поверхности. На предмете она может продержаться неделю-две, фактически до первого дождя. Такая пена обладает мощной способностью адсорбировать воду, поэтому, впитав ее, она размягчается и легко подвергается механическому разрушению. В итоге, даже попав в водосток или канализацию, долго она не продержится и распадется до частиц кремнезема диаметром 100–150 нм.

— А сами эти частицы не имеют токсических свойств?

— Кремнезем — материал крайне стойкий и химически инертный, безопасность его многократно доказана. Американское Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA), также как и Европейское агентство лекарственных средств (EMEA), на выводы которых во многом ориентируется и наш Минздрав, запрещают лишь внутривенное и внутримышечное использование кремнезема. А вот перорально он совершенно безопасен. Вам, наверное, знаком такой популярный препарат, как «Энтеросгель»? Именно из наночастиц кремнезема он и состоит.

Нам уже удалось получить сертификат соответствия первому классу биоразлагаемости — вообще впервые в мире для подобных препаратов. Хотя стоит заметить, что такой сертификат точнее было бы назвать «сертификатом биосовместимости»: частицы кремнезема в природе не будут разлагаться, они лишь поглощаются и разносятся микроорганизмами безо всякого вреда для них, а значит, и для окружающей среды.

— Получается, никаких ограничений по использованию такой кремнеземной пены не предвидится?

— Именно! И в этом одно из ее громадных достоинств. Не так давно в Сургуте мы провели испытания по использованию нашего препарата для создания лесозаградительных полос. Сейчас для этой цели используют средства на основе фосфатов, которые считаются достаточно недорогими. Однако фосфаты водорастворимы, поэтому легко уносятся дождем и почвенной влагой. Кроме того, фосфаты являются важными удобрениями, в лесу их быстро перерабатывают растения. Поэтому после того, как такая полоса была создана, продержится она недолго.

Наши испытания показали, что заградительная полоса с использованием «твердеющей пены» сохраняется намного дольше, позволяя локализовать возгорание в лесу и предотвратить распространение огня: через такую преграду шириной несколько метров никакой пожар не «перескочит». В идеале у пожарных будет до двух недель для того, чтобы прибыть на место, доставить технику и организовать тушение.

— Как распределились ваши роли в создании пожаротушащей пены? Какую часть решений взяли на себя вы, химики ИТМО, а какую — разработчики из компании «СОПОТ»?

— Строгого разделения труда не было, хотя, конечно, мы больше занимались именно решением химических задач, ведь это наш профиль. Они же больше сконцентрировались на технологической части, в которой тоже нашлось огромное количество проблем.

Результаты испытаний: отвердевшая пена надежно защищает объект. Источник: Александр Виноградов / Университет ИТМО

Можно отметить, что технологическая адаптация стала ключевым вопросом возможности генерации твердеющих пен. Именно поэтому НПО «СОПОТ», являясь лидером в области создания пеногенерирующих устройств в России и обладая гигантским багажом экспериментального опыта, смогла решить все возникшие вопросы, обеспечив стабильную работу устройств по генерации твердеющих пен. Правильно было бы сказать, что 90% успеха было в руках компании, которая заказала эти исследования и сегодня является правообладателем технологии.

Вообще говоря, трудных «мелочей» нашлось очень много, даже удивительно, что решить их удалось настолько быстро. Лишь 26 ноября 2014 года состоялось первое обсуждение нашей идеи — а 15 марта была отправлена заявка на патент. В мае разработка была продемонстрирована министру МЧС Владимиру Пучкову и его коллегам из Белоруссии и Монголии на выставке «Комплексная безопасность» в Москве. А уже в июне были испытаны лесозаградительные полосы с использованием специально переоборудованного МТ-ЛБ (многоцелевой транспортер легкий бронированный. — РП.).

— Какое продолжение может быть у этой истории?

— Рынок — гигантский, потенциал — бешеный, это я могу сказать точно. И со стороны бизнеса интерес к нашей разработке просто громадный. Есть предложения по использованию такой двухкомпонентной пены для специализированных применений, таких, как пожаротушение в шахтах и на нефтеналивных станциях.

Насколько мне известно, в компании «СОПОТ» к перспективам этого изобретения отнеслись очень серьезно. Уже оборудована специализированная химическая лаборатория, создана капсула для огневых испытаний, ведутся новые разработки, готовится запуск производства обоих компонентов. Но мы тут уже ни при чем.

Наша задача — не коммерция. Мы делаем науку, и основное направление работы нашей лаборатории — фундаментальные исследования, некоторые из которых можно быстро превратить в практические полезные решения. Именно этим мы и заняты: двухкомпонентная твердеющая пена не единственная из наших практических разработок.

В ближайшее время мы планируем регистрацию собственного стартапа InnoColloids, он займется выпуском инновационных коллоидных веществ, которые найдут самое широкое применение — от голографии до медицины и солнечной энергетики. Трудно что-то обещать, но, думаю, это будет просто бомба: могу сказать, что уже сейчас мы можем повысить яркость жидких кристаллов на 20% без каких-либо серьезных усилий, предложить новую технологию печати наноконструкций, представить уникальные неинвазивные биосенсоры... Это будет проект, полностью ориентированный на зарубежные рынки. Но это тема уже для другого разговора.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе