水基滅火劑發展現狀與分析

郭萌萌 侯亞欣

(中國人民警察大學 研究生院，河北 廊坊 065000)

0 引言

水由于比熱容大，一直都是主要的滅火劑。隨著科技發展，火災種類增多，通過加入不同的添加劑提高水的滅火效能，一直是科技工作者致力研發的方向，這通常稱之為水系滅火劑。根據噴射時是否產生泡沫將水系滅火劑分為泡沫滅火劑和非泡沫滅火劑2大類。水基滅火劑是指不產生泡沫或者產生較少泡沫的水系滅火劑，分為添加型水基滅火劑和改變水的物理性質的水基滅火劑，其滅火機理為：一是水基滅火劑在流散時，通過析出液體發揮水的冷卻作用；二是在燃燒物表面形成水膜，與泡沫層共同隔絕空氣，構成隔熱屏障，同時液體汽化后，彌散的水蒸氣可以降低燃燒物周圍的含氧量，產生窒息作用；三是可產生化學抑制作用，與燃燒物反應，生成能有效抑制或降低燃燒時自由基產生的聚合物質，從而破壞燃燒鏈，阻斷燃燒。

水基滅火劑在石油化工領域和高鐵、商場等重要場所的應用越來越普遍，然而火災種類的增多，對水基滅火劑的應用性能提出更高要求。隨著科技發展，水基滅火劑在配方、工藝、原材料、標準及應用等方面都取得了大的進展。本文梳理水基滅火劑的發展歷程和研究現狀，并與其他不同種類滅火劑在性能和標準2方面進行對比分析，從而提出水基滅火劑的應用前景，為以后的技術攻關指明方向。

1 我國水基滅火劑發展歷程

從20世紀80年代末，我國開始對水基滅火劑進行較為系統的研發，最早的一系列產品是天津消防研究所研發的SD系列高效水系滅火劑，它基本無毒、腐蝕率低，填補了該類產品的空白。之后，很多學者、研究所、企業紛紛加入水基滅火劑的研究行列，見表1。他們從配方、工藝，劑型、使用方式等方面進行研究，并申請專利。近年來，我國對于水基滅火劑的研究已接近或達到國際水平，研究方向也從最初的提高水的基礎滅火性能，向提升環保性、開發新材料、適應多種火災類型等方向轉變。

表1 我國水基滅火劑發展舉例Tab.1 Examples of development of water-based fire extinguishing agents in China

2 水基滅火劑技術研究現狀

2.1 配方研究現狀

添加型水基滅火劑是在水中加入增稠劑、潤濕劑、阻燃劑和其他助劑，從而使水的黏性、潤濕性能、抗復燃性能、抗凍性能等得以提升，有效擴大水的滅火適用范圍，減少水的用量。其中，常見增稠劑分為無機增稠劑如水玻璃，以及有機高分子增稠劑如羧甲基纖維素鈉(Carboxymethyl Cellulose，CMC)等；潤濕劑屬于表面活性劑，多用陰離子型如磺酸鹽、硫酸鹽等；常見阻燃劑包括以溴系、磷氮系為代表的有機阻燃劑，和以三氧化二銻、氫氧化鎂、氫氧化鋁以及硅系等阻燃體系為主的無機阻燃劑。張文成等通過正交實驗方法，得出不同添加劑對于縮減滅火時間的貢獻為：碳氫表面活性劑>螯合劑>氟碳表面活性劑>乳化劑>抗燃劑>增稠劑>防凍劑，此研究通過調整不同添加劑配比結構，為改善滅火劑的滅火性能提供理論依據。

改變水的物理性質的水基滅火劑，主要包括水成膜泡沫滅火劑(Aqueous Film Forming Foam，AFFF)及改性泡沫滅火劑等，其中，AFFF主要依靠氟碳表面活性劑降低水的表面張力，使其能夠在物體表面鋪展形成水膜。傳統的氟碳表面活性劑為全氟辛烷磺酸(Perfluorooctane Sulfonate，PFOS)、全氟辛酸(Perfluorooctanoic Acid，PFOA)及他們的衍生物，但由于其存在嚴重的污染性，現已逐漸被禁用，目前對于替代物的研究，主要集中在合成短鏈(C≤6)氟碳表面活性劑以及無氟表面活性劑如有機硅表面活性劑等。

近年來對于水基滅火劑添加劑的研究主要集中在以下幾個方面：

(1)尋求新的添加劑物質，提高水基滅火劑的環保性能。如一種天然生物水系滅火劑，利用高溫嗜熱菌的芽孢體降解石油烴，同時形成隔熱阻燃屏障有效撲滅流淌火。該滅火劑用后可完全被生物降解，徹底解決油品泄漏污染。

(2)研究添加劑物質、配比，以及環境條件等對水基滅火劑滅火效能的影響，尋求擴大水基滅火劑適用范圍的優化配方。如小分子有機物、陰離子和非離子表面活性劑的使用均可增強水對于煤粉的滲透性，從而有效熄滅陰燃火并防止其復燃；減少無機鹽離子的引入，可以降低滅火劑對設備的腐蝕性，使其更易儲藏與運輸；改良AFFF中氟碳表面活性劑和抗燒劑的種類及配比，降低其與海水混合時的不穩定性，研發更適合于沿海地區的耐海水型水基滅火劑。

(3)減少添加劑用量，并能提高水基滅火劑的滅火效率。如高分子凝膠滅火劑中高吸水性樹脂的添加量僅為0.2%～0.4%，但其鎖水能力強、吸熱量大，可使水的利用效率提高幾十倍；將有機鹽與多元醇類物質有機復合，與單一抗凝劑相比能夠進一步降低水基滅火劑的凝固點，同時減少抗凝劑的用量，有效解決高緯度、高海拔等低溫地區由于滅火劑凝固而使用率較低的問題等。

2.2 工藝發展現狀

現階段水基滅火劑的制作工藝主要有2種，一是先將各種添加劑按比例混合，使用時再按一定比例與水進行預混，如利用該種方法制作水凝膠滅火劑，可以減輕由于其粘性較大而導致滅火劑在設備中傳輸效率低的問題；二是將各種物質按比例及反應關系依次加入水中，直接混合形成水基滅火劑，然后灌裝保存，手提式及簡易式水基滅火器中的滅火劑主要采用該種制作方法。

2.3 應用發展現狀

水基滅火劑主要用于撲滅A類和非水溶性B類液體的初期火災。除水本身的冷卻作用外，滅火劑可滲透進可燃固體內部，有效抑制火勢蔓延，在紙張、織物、木竹等固體火災的撲救中得以有效利用；水凝膠等粘性較大的滅火劑可覆蓋在可燃物表面，添加量少，保水量大，已廣泛應用于森林、礦井火災的撲救中；細水霧兼具氣體滅火和水滅火的雙重優點，細水霧滅火系統目前在隧道、圖書館、醫院、電廠等重要場所普及；AFFF由于其能夠在油面上迅速流動，且封閉性能好，被公認為性能最好的油類滅火劑；目前發展的新型水基滅火劑對E類電器火災具有較好滅火效果，表現出良好的絕緣性能。在實際應用中，水基滅火劑的使用受到制作工藝、配方成本、存放條件、噴灑設備等因素制約，這也導致雖然水基滅火劑的研發種類較多，但能夠廣泛投入使用的數量有限等問題，在未來仍有較大發展空間。

3 水基滅火劑與其他滅火劑的比較

3.1 性能及應用對比

由于物質性質及滅火機理的不同，不同種類滅火劑的適用范圍有所不同，見表2。干粉滅火劑的適用范圍最廣，尤其是對于活潑性較強的金屬火災，主要依靠干粉滅火劑的窒息作用使其熄滅，但是干粉滅火后會產生大量的殘留物，需要進一步清理且容易對人產生刺激，對現場物品造成損傷，因此，對一些存放貴重物品或精密儀器的場所，需要利用氣體滅火系統或細水霧滅火系統開展火災撲救工作。細水霧相較于惰性氣體滅火劑的滅火效率更高、環保性更強，在未來有較大發展空間。泡沫滅火劑和水基滅火劑雖然都可用于A、B類火災的初期撲救，但由于水基滅火劑毒性相對較低，制作工藝相對簡單，更適合于人員活動場所的滅火行動，泡沫滅火劑則在工業中的應用較為廣泛。

表2 不同種類滅火劑性能及應用對比Tab.2 Comparison of properties and applications of different kinds of fire extinguishing agents

3.2 標準對比

目前國內外針對不同種類滅火劑都制定有相應標準，國內主要以國家標準(GB)為依據，國際上較為權威的是ISO檢測標準，此外美國防火協會(National Fire Protection Association，NFPA)制定的相關標準也常作為滅火劑研究與檢測的參考標準，見表3。

表3 不同種類滅火劑主要標準對比Tab.3 Comparison of main standards for different types of fire extinguishing agents

我國水基滅火劑的標準是在泡沫滅火劑標準的基礎上建立起來的，對于理化性質，如凝固點、抗凍結融化性、pH值、表面張力、腐蝕率的要求以及試驗方法與泡沫滅火劑一致，但檢測項目少，對于沉淀物、流動性等指標并未做出具體要求。同時，在防火試驗方面，對于B類火，要求水基滅火劑能撲滅橡膠工業用溶劑油和99%丙酮的火災，對于A類火要求能撲滅1A級以上木垛火。此外，國內目前僅對水基滅火劑和氣體滅火劑做出毒性檢測要求，水基滅火劑僅要求將斑馬魚按規定在其中培養96h，死亡率不超過50%，不僅檢測指標少，且標準低，對于環境方面的規范性還有待加強。

與美國NFPA標準相比，我國現行標準尚存在較大差距。NFPA標準中規定的試驗項目更多，對腐蝕性、木材纖維板滲透性等指標要求較高，對試樣的處理時間要求更長。此外，在毒性檢測方面，NFPA標準分別對哺乳動物毒性、濃縮水生生物毒性和濃縮生物降解性做出較為嚴格的要求，值得借鑒。

4 水基滅火劑未來發展與應用前景

(1)擴展水基滅火劑的適用范圍。水基滅火劑的主要物質為水，取材方便且成本較低，這為研發與生產提供天然的物質條件，通過配方、工藝等方面的改良與創新擴大其適用范圍，將開拓更大的發展空間。如通過改進AFFF配方，解決低溫低壓使其粘度和發泡倍數降低、表面張力增大，從而降低其鋪展速度，影響其滅火效能的問題，將使水基滅火劑在高原地區的應用更為廣泛。

(2)推廣先進輔助設備。水基滅火劑的應用受到儲存、運輸、設備功能等多方面限制，通過對器材技術改良，幫助其效能最大化，將有利于后續的推廣與使用。例如，可設計滅火劑在噴射前的自動預混裝置，有效改善供水管網或固定水箱中水的滅火性能，從而擴展水基滅火劑的合成及應用場合；進一步深化霧化機理研究，創新開發新型霧化噴頭，使其噴灑效果得到進一步改善。

(3)推動多領域融合。近年來，各學科都取得長足發展，對水基滅火劑的研究也應當多領域融合。如利用生物科學手段，尋求適用于水基滅火劑的具備某些特性的微生物，通過生物降解有效降低環保壓力；物理科學可分析水基滅火劑的滅火機理，驗證其滅火性能；化學科學可以幫助調整水基滅火劑配方從而擴大其應用范圍；社會科學可以使水基滅火劑的研發更貼近社會發展需要。

(4)標準化發展。建立健全我國針對水基滅火劑的設計規范以及環保性能評價體系，通過借鑒歐美現行標準，制定符合我國國情的指標與方法，從制度上引領水基滅火劑的發展方向。如在現行標準的基礎上，可增加相關防火試驗的燃料類型，提高檢測標準，對不同類型的水基滅火劑做出有針對性的要求，還可增加生物毒性檢測、生物可降解性指標，為水基滅火劑在環境方面表現出的突出問題尋求有效的解決途徑。

5 結論

我國對于水基滅火劑配方、工藝等方面的研究已逐漸接近或達到國際水平。水基滅火劑相較于其他種類滅火劑具有成本低、環保性強的優勢，同時具備滅火效率高和抗復燃能力強等特點，具有廣闊的應用前景。在未來，水基滅火劑溫度使用范圍，特別是超低溫環境，海水淡水、ABCD等火災種類、火災場景等的適用性將進一步增強，且更加低碳環保、無腐蝕、無污染；開發適用于水基滅火劑的滅火裝置、投送系統，進一步研發水基滅火劑納米包埋技術，增強其實用性也是未來又一發展方向；另外，修改完善相關檢測標準，將為規范水基滅火劑市場、保障其有序發展開辟更為廣闊的道路。