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泡泡消煙原理，不同質量分數堿劑發泡液表麵張力的測試結果
來源：西南科技大學學報 瀏覽 808 次 發布時間:2025-01-21
為研究泡泡消煙技術在汽油火災煙氣淨化中的有效性，水中添加質量分數1%月桂酰兩性基二乙酸二鈉（LAD）表麵活性劑製備發泡液，並加入Na2S2O3,Na2SO3,NaHCO3,NaOH等堿性添加劑製成堿性發泡液。通過分析發泡液的表麵張力、黏度、泡沫性能、pH值及汽油燃燒殘留物（炭黑）沉降時間等性能指標，確定最優消煙發泡液為質量分數1%的LAD溶液添加質量分數0.4%Na2SO3堿性添加劑；使用自製煙氣收集淨化裝置對發泡液的淨煙效果測試發現，汽油煙氣被包裹在泡泡中而難以溢散並被泡泡液緩慢吸附、中和，使得反應後溶液的pH值大幅降低；模擬隧道汽油火災黑煙淨化實驗測得泡泡噴射作業150s能使黑煙濃度降低97.8%.堿性發泡液能有效淨化汽油火災煙氣。
實驗材料
堿性發泡液的組成為水、表麵活性劑、堿性添加劑。選用亞硫酸鈉（Na2SO3）、硫代硫酸鈉（Na2S2O3）、碳酸氫鈉（NaHCO3）和氫氧化鈉（NaOH）4種堿性物質作為堿性添加劑。為減少離子對溶液性能的影響，本文選用的是含Na無機鹽。其中Na2SO3屬於強堿弱酸鹽，在水中電離為弱堿性，能與NO2發生反應，從而吸收NO2.Na2S2O3能和遊離的氰離子相結合，使氰化物變為無毒的硫氰酸鹽。碳酸氫鈉受熱分解是吸熱過程，能降低火場溫度，分解為水、碳酸鈉和二氧化碳，是幹粉滅火器的主要滅火材料。NaOH是強堿，具有堿的一切通性，作為3種弱堿的對比組。堿性添加劑的質量分數設置為：0.04%,0.08%,0.40%,0.80%,1.00%和3.00%.根據相關文獻調研和單體表麵活性劑泡沫性能預備實驗結果，選用具有良好緩蝕性能、溫和不含矽油等刺激性成分、發泡性能好的月桂酰兩性基二乙酸二鈉（LAD）（C20H38N2Na2O6）作為表麵活性劑配製成質量分數1%的LAD水溶液進行本次實驗。LAD作為兩性離子表麵活性劑，其親水基中既有陰離子特征羧基COOH,也有陽離子特征氮離子N+,而親油基主要為十一烷基。
圖1泡泡消煙原理圖
性能參數測試
用BZY-201自動粉色视频黄色网站測定發泡液的表麵張力；用PH818酸堿檢測計測量發泡液的pH值；用NDJ-1S數顯黏度計傳感器檢測發泡液的黏度；采用改進Ross-mile法測定發泡液泡沫性能；用CCZ1000濃度測量儀（蘇州億利安機電科技有限公司）測量煙氣濃度，現場直接讀數，恒流取樣，測量僅與被測介質的質量有關，不受顆粒的粒徑、成分、顏色及分散狀態等因素的影響。基於性能分析選配出具有良好發泡性和穩泡性的二元發泡液。
汽油煙氣導入泡沫液淨化實驗
采用自製煙氣收集淨化裝置（圖3）測試汽油燃燒產生黑煙通入水和發泡溶液中的pH值變化。
圖2汽油燃燒物潤濕沉降情況
煙氣收集淨化裝置主要由置液桶、通氣管、離心式風機、吸氣管、集氣罩和燃油池等組成，其淨煙工作原理如圖3所示。風機抽走集氣罩下燃油池中汽油燃燒的黑煙，將其通入桶內發泡液中；氣體進入液體後會立刻浮出液麵，在液體表麵張力作用下排出液麵的煙氣被液膜包裹成含煙氣泡；隨著煙氣不斷被通入發泡液中，含煙泡泡很快就溢滿整個置液桶。實驗前測量並記錄水及發泡液的pH值。
圖3煙氣收集淨化裝置作業原理
隧道汽油火災煙氣淨化模擬實驗
在自製的模擬隧道內使用發泡液進行汽油火災煙氣淨化實驗，用CCZ100濃度測量儀測量煙氣濃度。
（1）燃燒汽油使黑煙自行消散，測定黑煙濃度自行消散變化規律。將兩個粉塵濃度測量儀分別置於監測點A和監測點B處，取5g汽油置於燃油位置，點燃汽油使其充分燃燒至自然熄滅，燃燒期間每5min測一次黑煙濃度，直到其質量濃度降到100mg/m3以下。每組實驗重複3次，取平均值。
（2）使用泡泡淨化汽油黑煙，測定黑煙濃度隨時間變化規律。將兩個濃度測量儀分別置於監測點A和監測點B處，分別取5g和10g汽油置於燃油位置，點燃汽油使其充分燃燒至自然熄滅，燃燒期間每30s測一次黑煙濃度，測量間隔內啟動發泡機，持續噴射泡沫20s,當濃度降到100mg/m3以下時停止實驗。每組實驗重複3次，取平均值。
結果與分析
性能參數測試結果
發泡液的pH值
由於pH值受溫度影響會產生波動，本次實驗在12℃環境下測量試樣的pH值。測量得知無堿劑時1%LAD溶液的pH值為8.39.4種堿性發泡液的pH值均隨著堿性物質含量的增加而增大。添加NaOH的發泡液pH值最大。隨NaOH質量分數增加pH值快速增大。當NaOH質量分數超過1%時pH值增速變慢，當其質量分數為3%時達最高值13.41.加入3種弱堿的發泡液pH值上升緩慢。當弱堿劑質量分數為3%時，Na2SO3的pH值最高，為8.99,Na2S2O3和NaHCO3的pH值均低於9.pH值會隨堿劑質量分數增加而增大，這是因為發泡液中加入堿劑會使H+的濃度小於OH-的濃度，且隨著堿量增加兩種離子濃度差距增大。說明LAD溶液與堿劑無中和反應，可以進行二元複配。
表麵張力
圖4是不同質量分數堿劑發泡液表麵張力的測試結果。強堿NaOH使發泡液表麵張力明顯提高，在NaOH質量分數3%時達到最大值38.3mN/m,隨後發泡液表麵張力值保持穩定，不受NaOH含量變化影響。說明NaOH濃度升高時OH-過多，造成圖4加入堿劑後發泡溶液的表麵張力表麵活性物質停留於溶液表麵，阻礙了OH-與更多表麵活性物質的反應機會，溶液表麵張力不再受影響。圖4中弱堿Na2S2O3,NaHCO3變化規律與NaOH相似，低濃度時發泡液表麵張力激增，達到質量分數0.8%之後，表麵張力值增幅減緩。NaOH加入使發泡液表麵張力增加了35.7%,而其他3種弱堿無機鹽在濃度最大時（質量分數3%）僅增加約10%.與強堿劑相比，弱堿劑對溶液表麵張力影響較小。